DE19859507A1 - Kunststoffdruckmittler für Halbleiterindustrie - Google Patents

Abstract

Ein Membrandruckmittler hat einen zwischen einem Gehäuse (1) und einem Deckel (2) ausgebildeten Hohlraum, der von zwei zueinander parallelen Membranen (6; 61, 62) in einen Druckaufnahmeraum (24) zur Beaufschlagung mit einem Fluid mit zu messendem Druck, in einen Entlüftungsraum zwischen den Membranen (6; 61, 62) und in einen meßfluidgefüllten Druckabgaberaum (13) zur Druckweiterleitung an eine Druckmeßeinrichtung (10) unterteilt ist, wobei die Membranen (6; 61, 62) aus einem Perfluoralkoxy-Copolymer (PFA) bestehen und unter Zwischenschaltung einer Kunststoffasereinlage (63) deckungsgleich und profiliert ausgebildet sind. Bei diesem Druckmittler ist die druckaufnahmeseitige Membran (61) mit dem Deckel (2) in unmittelbarer Anlage und es ist ein O-Ring (3) zur Abdichtung des Entlüftungsraums zwischen dem Gehäuse (1) und dem Deckel (2) vorgesehen. Das Gehäuse (1) und der Deckel (2) bestehen aus einem Fluorpolymer. Der Druckmittler ist besonders für Prozesse geeignet, bei denen der Eintrag von Fremd-Metallionen in den Meßstoff unbedingt vermieden werden muß.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Membrandruckmittler nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Ein Membrandruckmittler dient dazu, einen zu messenden Druck eines Meßstoffs auf ein Druckmeßgerät zu übertragen, wenn dieses aus bestimmten Gründen nicht direkt mit dem Meßstoff in Kontakt kommen soll.

Ein herkömmlicher Membrandruckmittler hat grundsätzlich zwei durch eine Membran voneinander getrennte Räume oder Kammern, von denen die eine zur Aufnahme des Meßstoffs ausgelegt ist und mit dem Druck des Meßstoff beaufschlagt werden kann. Die andere Kammer auf der anderen Seite der Membran ist mit einer Füllflüssigkeit gefüllt und ist mit einer Druckmeßeinrichtung verbunden. Ein auf den Meßstoff ausgeübter Druck wird durch eine entsprechende Auslenkung der Membran auf die Füllflüssigkeit übertragen, so daß der Druck in dem Meßstoff erfaßt werden kann, ohne daß der Meßstoff unmittelbar mit der Druckmeßeinrichtung in Kontakt kommt.

Zur Sicherheit gegen Bruch der Membran und zur Überwachung von deren Zustand ist zudem bekannt, daß eine doppellagige Membran, d. h. zwei im wesentlichen parallele Membranen, verwendet wird, deren Zwischenraum einen Entlüftungsraum bildet.

Herkömmliche Membrandruckmittler sind üblicherweise aus Metall bzw. aus Metallegierungen mit entsprechender Korrosionsbeständigkeit. Darin werden üblicherweise elastische Membranen verwendet, deren Arbeitsvolumen, d. h. das durch die Verlagerung der Membran verdrängte Volumen, groß sein soll. Dies liegt insbesondere bei mechanischen Druckmeßeinrichtungen daran, daß für die Verformung eines Meßglieds, die als für den Druck repräsentative Größe erfaßt und angezeigt wird, stets ein Mindestarbeitsvolumen durch die Membran verdrängt und in die Druckmeßeinrichtung verschoben werden muß. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Membrandruckmittler über eine Fernleitung, die ebenfalls Elastizitäten hat, mit der eigentlichen Druckmeßeinrichtung verbunden werden soll.

Es sind ferner Metallmembranen bekannt, die, ebenfalls zur Erreichung eines größeren Arbeitsvolumens, konzentrisch gewellt ausgeführt sind, d. h. diese Membranen haben im Radialschnitt eine sinusförmige Wellenform.

In den meisten Fälle besteht das Problem bei der Auswahl der geeigneten Materialien für den Membrandruckmittler darin, daß eine Korrosion des Druckmittlers vermieden werden soll. Folglich gibt es inzwischen für Sonderanwendungen ganz oder teilweise aus Kunststoffen bestehende Membrandruckmittler.

Diese bekannten Druckmittler aus Kunststoff sind für einige Sonderanwendungen, insbesondere in der Halbleiterindustrie, der Kunststoffherstellung oder bei der Produktion technischer Gläser nur bedingt anwendbar, da in diesen Fällen ein Eintrag von Fremd-Metallionen in den Meßstoff, d. h. in Prozeßmedien oder -stoffe bei den vorgenannten Anwendungen, strikt zu vermeiden ist.

Die bekannten Membrandruckmittler aus Kunststoff verwenden Elastomere für die Membranen. Aus diesen chemisch hochbeständigen Elastomeren, beispielsweise Vinylidenfluorid- Hexafluorpropylen-Kautschuk (FKM) werden jedoch Metallionen ausgewaschen, die den Meßstoff verunreinigen. Es wurde vorgeschlagen, diese Elastomermembranen mit Polytetrafluorethylen (PTFE) zu kaschieren, um den vorgenannten Auswaschungseffekt zu vermindern.

Um jedwede Auswaschung von Metallionen aus Elastomeren zu vermeiden, ist ein Kunststoffdruckmittler bekannt, der eine kugelsegmentförmige Membran aus Polytetrafluorethylen (PTFE)- Vollmaterial hat. Diese Membran ist jedoch sehr steif, so daß geringe Druckänderungen nicht mehr mit vernünftiger Genauigkeit gemessen werden können. Hinzu kommt, daß das vorgenannte Material (PTFE) zum Kriechen neigt und folglich starke Hystereserscheinungen das Meßergebnis verfälschen. Zudem zeigt eine solche Membran Temperaturabhängigkeiten, die das Meßergebnis ebenfalls verfälschen.

Es werden auch Kunststoffdruckmittler mit einer plattenförmigen Membran aus Perfluoralkoxy-Copolymer (PFA) hergestellt, die jedoch wegen der hohen Steifigkeit der Membran lediglich ein geringes Arbeitsvolumen und ein schlechtes Ansprechverhalten zeigen.

Diese als Einzelmembranen ausgeführten Membrandruckmittler haben zudem den Nachteil, daß Diffusion durch die Membran auftritt. Dabei können in der Füllflüssigkeit gelöste Metallionen, die dort wegen der mindestens teilweise aus Metall bestehenden Druckmeßeinrichtung vorkommen, in den Meßstoff eindiffundieren und so den Meßstoff beeinträchtigen. Der Diffusionseffekt ist bei Elastomeren in beachtlichem Ausmaß vorhanden.

Um einer Diffusion durch die Membran zu begegnen, ist ein Druckmittler zwei hintereinander angeordneten kugelsegmentförmigen Membranen aus Polytetrafluorethylen (PTFE)-Vollmaterial bekannt. Zwischen den mit großem Abstand angeordneten Membranen ist ein Ringkörper ebenfalls aus Polytetrafluorethylen (PTFE)-Vollmaterial zur Kraftübertragung zwischen den Membranen eingelegt. Die Membranen sind bezüglich ihrer jeweiligen Kammer über O-Ringe abgedichtet. Der von den beiden Membranen gebildete Zwischenraum ist belüftet, so daß die Diffusion verhindert ist. Zudem führt bei diesem System die doppelte Auslegung der Membranen zu einer erhöhten Prozeßsicherheit, da der Bruch einer Membran nicht zwangsläufig zur Verunreinigung des Prozeßmediums mit Metallionen führt.

Dieser bekannte Druckmittler hat jedoch den Nachteil, daß die doppelte Membran besonders steif ist, materialbedingt ein ausgeprägtes Fließverhalten (Hystereseeffekte) zeigt, Temperatureinflüssen unterworfen ist und zudem das Gewicht des die Kraft übertragenden Ringkörpers das Ansprechverhalten des Druckmittlers stark beeinträchtigt, so daß nur eine vernünftige Meßgenauigkeit erst im Bereich höherer Drücke (ab etwa 2,5 bar) erreicht werden kann. Zudem ist die meßstoffseitige Kammer an der meßstoffseitigen Membran über eine Elastomerdichtung (O-Ring) abgedichtet, so daß Auswaschungseffekte von Metallionen aus dem Elastomer auch hier auftreten und den Meßstoff verunreinigen können.

Gegenüber diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen Membrandruckmittler vorzuschlagen, der eine hohe Meßgenauigkeit bei niedrigen Drücken in Meßstoffen zuläßt, in denen jede Verunreinigung durch Fremd-Metallionen strikt zu vermeiden ist.

Die Aufgabe wird mit einem Membrandruckmittler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß hat der Membrandruckmittler einen zwischen einem Gehäuse und einem Deckel ausgebildeten Hohlraum, der von zwei zueinander parallelen Membranen in einen Druckaufnahmeraum oder -kammer zur Beaufschlagung mit einem Meßstoff mit zu messendem Druck, in einen Entlüftungsraum zwischen den Membranen und in einen mit einer Füllflüssigkeit füllbaren Druckabgaberaum oder -kammer zur Druckweiterleitung an eine Druckmeßeinrichtung unterteilt ist, wobei die Membranen aus einem Perfluoralkoxy- Copolymer (PFA) bestehen und unter Zwischenschaltung einer Kunststoffasereinlage deckungsgleich mit einer Profilierung ausgebildet sind. Die druckaufnahmeseitige bzw. meßstoffseitige Membran ist mit dem Deckel in unmittelbarer Anlage und es ist ein O-Ring zur Abdichtung des Entlüftungsraums zwischen dem Gehäuse und dem Deckel vorgesehen. Das Gehäuse und der Deckel bestehen aus einem Fluorpolymer.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung von profilierten, z. B. gewellten, insbesondere konzentrisch gewellten Perfluoralkoxy- Copolymer (PFA)-Membranen können die positiven Stoffeigenschaften des chemisch neutralen, metallfreien und thermisch formbaren PFA-Materials in einer Membran wirkungsvoll eingesetzt werden. Durch die Profilierung der Membran ist diese in Richtung ihrer Hauptebene auf vorteilhafte Weise elastisch verformbar, so daß sich ein großes Arbeitsvolumen bei geringen Ansprechdrücken erreichen läßt.

Bedingt durch den geringen E-Modul von Kunststoffen, ist deren elastischer Verformungsbereich üblicherweise klein. Durch die Profilierung, beispielsweise in Form einer sinusförmigen konzentrischen Wellung, wird die bei ebenen Membranen zu deren Auslenkung erforderliche Materialdehnung in eine Biegebelastung in den Krümmungspunkten umgewandelt. Bei entsprechender Anzahl der Biegungen in der Profilierung, d. h. bei einer in Richtung der Hauptebene der Membran vergleichsweise großen Länge der Membran, wird die Längung der Membran bei der Auslenkung auf eine große Länge und geringe Verbiegungen an der Vielzahl von Krümmungspunkten verteilt, so daß die Verformungen in dem Membranmaterial trotz eines großen Arbeitsvolumens gering bleiben. Dadurch bleiben die Deformationen der Membran innerhalb des elastischen Bereichs des verwendeten Kunststoffs, so daß Hystereseffekte vermieden sind.

Wegen der Warmformbarkeit des PFA-Materials können die Membranen vorzugsweise heißgeprägt werden, d. h. mit einer entsprechenden Kombination aus erhitzter Matrize/Patrize gepreßt werden, so daß die Membranen bleibend in die vorgegebene Profilform überführt werden können. Es ist auch möglich, die Membranen im Spritzgußverfahren herzustellen; die Wahl des geeigneten Verfahren hängt von den gewünschten Abmessungen der Membranen, den Stückzahlen etc. ab.

Zur Verhinderung von Diffusion durch die Membran sowie zur Verbesserung der Sicherheit gegen Verunreinigungen des Meßstoffs bei Membranbruch, sind erfindungsgemäß zwei wellenförmige Membranen deckungsgleich unter Zwischenschaltung einer Kunststoffaserlage vorgesehen. Zwischen den beiden Membranen ist ein Entlüftungsraum gebildet. Die Kunststoffaserlage verhindert einen innigen Kontakt der beiden Membranen, so daß der Entlüftungsraum stets von einem Fluid durchströmbar ist, während eine gute Druckweiterleitung über die Membranen, d. h. eine exakte Parallelbewegung der beiden Membranen, aufrechterhalten bleibt. Die zwischen den Membranen vorgesehene Faserlage ist sehr leicht und biegsam, so daß das Gewicht der Faserlage sowie ein ggf. von der Zwischenlage zu erwartender Versteifungseffekt keine Auswirkungen auf das Ansprechverhalten des Druckmittlers zeigen.

Durch den Entlüftungsraum können evtl. durch die Membranen diffundierende Stoffe entfernt werden, bevor diese die jeweils gegenüberliegende Membran erreichen. Dadurch ist ein Stoffaustausch zwischen der Druckaufnahmekammer und der Druckabgabekammer sicher verhindert. Zudem ist im Falle des Bruchs einer der Membranen stets die zweite Membran als Sperre zwischen dem Meßstoff und der Füllflüssigkeit noch vorhanden, so daß eine Notsicherheit gegen Verunreinigung des Meßstoffs gegeben ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Druckmittler ist die meßstoffseitige Membran mit dem zugehörigen Deckel in unmittelbarer Anlage. Dadurch kann auf eine elastische Dichtung verzichtet werden, die dem Meßstoff ausgesetzt ist.

Vorzugsweise ist dazu am Deckel ein Ringwulst mit beispielsweise halbkreisförmigem Querschnitt ausgebildet, so daß eine schmale Auflagefläche für die Membran gebildet wird. Dadurch ergibt sich eine vergleichsweise hohe Flächenpressung mit einer entsprechend verbesserten Abdichtung. Zudem dient der Ringwulst als ein Widerlager für die Membran, das wegen der schmalen Auflagefläche der Auslenkbewegung der Membran wenig Widerstand bietet.

Elastomere zeigen, wie bereits eingangs diskutiert, eine Auswaschung von Metallionen. Durch die erfindungsgemäß direkte Anordnung der Membran an dem Deckel ist sichergestellt, daß aus dieser Verbindungsstelle keine Metallionen in dem Meßstoff übergehen können. Eine zusätzliche Verbindung der Membran mit dem Deckel kann wahlweise durch Kleben oder, bei einer geeigneten Materialpaarung z. B. Membran PFA/Deckel PFA, durch Schweißen dauerhaft erfolgen. Dabei kommen thermische Schweißverfahren, Kaltschweißverfahren oder Ultraschallverfahren in Betracht.

Für den Fall des Bruchs einer der Membranen ist für die Abdichtung Deckels gegenüber dem Gehäuse zur Begrenzung des Entlüftungsraums ein O-Ring vorgesehen, der einen Flüssigkeitsaustritt aus dem Entlüftungsraum verhindert, wenn eine der beiden Membranen brechen sollte. Gleichzeitig verhindert der O-Ring den Eintritt von Fremdmaterialien in den Meßstoff, weil er das Eindringen von Staub oder dergleichen in den Entlüftungsraum zuverlässig verhindert, dessen Inhalt bei Bruch der meßstoffseitigen Membran in den Meßstoff gespült werden könnte. Vorzugsweise ist der O-Ring aus einem Material, das selbst keine Fremd-Metallionen abgibt.

Wegen der chemischen und thermischen Beständigkeit ist erfindungsgemäß der Deckel aus einem Fluorpolymer, das sich auch mit dem Material der Membranen (PFA) gut verträgt. Obwohl das Gehäuse lediglich den Druckabgaberaum, d. h. die Füllflüssigkeitsseite und den Entlüftungsraum begrenzt, ist für den Fall des Bruchs der meßstoffseitigen Membran das Gehäuse erfindungsgemäß ebenfalls aus einem Fluorpolymer. In diesem Fall des Membranbruchs könnte andernfalls der Meßstoff mit dem Gehäuse in Berührung kommen und Fremd-Metallionen eintragen.

In der Halbleiterindustrie und in der Kunststoffindustrie sind bestimmte Prozeßstoffe typische Meßstoffe, so daß nachfolgend einige besonders bevorzugte Materialzusammenstellungen für den erfindungsgemäßen Membrandruckmittler für diese typischen Anwendungsfälle angegeben sind.

Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Membrandruckmittlers bei hochkonzentrierten Säuren denen der Druckaufnahmeraum ausgesetzt ist, ist das Fluorpolymer für das Gehäuse und den Deckel aus der Gruppe: Perfluoralkoxy-Copolymer (PFA), Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polyvinylidenfluorid (PVDF) ausgewählt. Dabei ist der O-Ring vorzugsweise aus mit Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen- Copolymer (FEP) ummanteltem Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen- Kautschuk (FKM; Handelsname "Viton").

Diese Kombination eignet sich besonders für die Reinigung von Rohsilikatbrocken mit hochkonzentrierten Säuren (HF + HCl + H₂O) als Prozeßstoff (Meßstoff).

Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Membrandruckmittlers bei Reinstwasser in dem Druckaufnahmeraum, ist das Fluorpolymer für das Gehäuse und den Deckel aus der Gruppe: Perfluoralkoxy- Copolymer (PFA), Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polyvinylidenfluorid (PVDF) ausgewählt, wobei der O-Ring aus Material besteht, das aus der Gruppe: mit Tetrafluorethylen- Hexafluorpropylen-Copolymer (FEP) ummantelter Vinylidenfluorid- Hexafluorpropylen-Kautschuk (FKM; Handelsname "Viton"), Tetrafluorethylen-Perfluormethylvinylether-Copolymer (TFE-PMVE; Handelsname "Kalrez") und Polysilikon ausgewählt ist.

Diese Materialkombination ist besonders für einen Floatingprozeß zerkleinerter Silikatkörner geeignet, bei dem der Prozeßhilfsstoff (Meßstoff) Reinstwasser ist.

Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Membrandruckmittlers bei Anwesenheit von Basen zur alkalischen Hydrolyse in dem Druckaufnahmeraum, ist das Fluorpolymer für das Gehäuse und den Deckel aus der Gruppe: Perfluoralkoxy-Copolymer (PFA) und hochdichtes Reinst-Polytetrafluorethylen (PTFE) ausgewählt, während der O-Ring aus Material besteht, das aus der Gruppe: mit Reinst-Polytetrafluorethylen (PTFE) ummantelter Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen-Kautschuk (FKM; Handelsname "Viton") und Tetrafluorethylen-Perfluormethylvinylether- Copolymer (TFE-PMVE; Handelsname "Kalrez") ausgewählt ist.

In diesem Fall der alkalischen Hydrolyse sind als Prozeßstoff und als Meßstoff besonders NaOH und KOH anzuführen; es können aber auch andere Basen sein.

Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Membrandruckmittlers bei Anwesenheit von mineralischen Säuren oder Übergangsmetallsäuren zur säurekatalytischen Polymerisation in dem Druckaufnahmeraum, ist das Fluorpolymer für das Gehäuse und den Deckel aus der Gruppe: Perfluoralkoxy-Copolymer (PFA) und hochdichtes Reinst- Polytetrafluorethylen (PTFE) ausgewählt. Ein geeigneter O-Ring besteht aus einem Material, das aus der Gruppe: mit Reinst- Polytetrafluorethylen (PTFE) ummantelter Vinylidenfluorid- Hexafluorpropylen-Kautschuk (FKM; Handelsname "Viton"), Tetrafluorethylen-Perfluormethylvinylether-Copolymer (TFE-PMVE; Handelsname "Kalrez") und Polysilikon ausgewählt ist.

In den vorgenannten Fälle ist die Kunststoffasereinlage vorzugsweise aus Polytetrafluorethylen (PTFE). Dies kann ein Netz, ein Gewebe oder auch ein Vlies aus diesen Fasern sein.

Eine vorteilhafte konstruktive Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers hat eine das Gehäuse durchgreifende, abgestufte Bohrung. Diese Durchgangsbohrung bildet, in dieser Reihenfolge, folgende Abschnitte in dem Gehäuse aus:
einen Gewindeabschnitt zur Aufnahme des Deckels, einen Deckeldichtungsabschnitt zur Abdichtung mit einem an dem Deckel vorgesehenen O-Ring, einen Druckabgabekammerabschnitt, einen Dichtungsabschnitt zur Abdichtung mit einem an der einzusetzenden Druckmeßeinrichtung vorgesehenen O-Ring und einen Gewindeabschnitt zur Aufnahme der Druckmeßeinrichtung.

Der Deckel hat seinerseits an seinem Außenumfang einen Gewindeabschnitt zum Eingriff mit dem Gehäuse und hat in seiner dem Gehäuse in Einbaulage zugewandten Stirnseite eine Ausnehmung, die von einem ringförmigen Rand umgeben ist. Die Ausnehmung bildet die meßstoffseitige Druckaufnahmekammer und ist mit einer den Deckel in Axialrichtung durchdringenden Anschlußbohrung verbunden. Mit dem ringförmigen Rand, der vorzugsweise mit einem schmalen Ringwulst versehen sein kann, wird die Doppelmembran fixiert, wobei lediglich die meßstoffseitige Membran unmittelbar und dicht mit dem Deckel in Anlage ist. In Axialrichtung des Deckels zwischen dem Rand und dem Gewindeabschnitt ist in Gegenüberlage zum Deckeldichtungsabschnitt eine Aufnahmenut zur Aufnahme eines O- Rings ausgebildet.

In dem Gehäuse ist ferner, auf der Füllflüssigkeitsseite, ein Druckabgabekammerabschnitt der im wesentlichen eben oder alternativ passend zur Profilierung der Membran geformt ausgebildet ist. Durch die profilierte Ausgestaltung der Kammer kann die Überdruckfestigkeit bei einer profilierten Membran erhöht werden. Der Kammerabschnitt hat einen im wesentlichen ebenen und zur Axialrichtung der Durchgangsbohrung senkrechten umlaufenden Auflageabschnitt für einen O-Ring zur Abdichtung der füllflüssigkeitsseitigen Membran. In Einbaulage ist die Membran von dem ringförmigen Rand des Deckels gegen den O-Ring vorgespannt, so daß eine Abdichtung durch axialen Andruck erfolgt. Im Unterschied dazu erfolgt die Abdichtung zwischen dem Deckel und dem Gehäuse an einem O-Ring, der in Radialrichtung des Deckels bzw. Gehäuses dichtet. Diese Dichtung ist sehr zuverlässig und vom Anzugsdrehmoment des Deckels unabhängig.

Im weiteren Verlauf der Durchgangsbohrung des Gehäuses ist ein Dichtungsabschnitt für die einzusetzende Druckmeßeinrichtung ausgebildet. Der Durchmesser des Dichtungsabschnitts ist so bemessen, daß der O-Ring, der vorzugsweise in einer Nut auf einem Fortsatz der Druckmeßeinrichtung angeordnet ist, mit einer vorbestimmten Flächenpressung in Radialrichtung der Bohrung angepreßt wird. Dadurch ist eine zuverlässige Abdichtung der Druckmeßeinrichtung erreicht, die von der Einschraubtiefe bzw. dem Anzugsdrehmoment unabhängig ist, wenn die Druckmeßeinrichtung in den Gewindeabschnitt eingeschraubt ist.

Insbesondere bei den erfindungsgemäß verwendeten Materialien für das Gehäuse kann es zum Fließen der Materialien kommen. Dadurch kann es bei einer axial wirkenden Dichtung, deren Anpreßkraft von dem Anzugsdrehmoment der Verschraubung abhängt, dazu kommen, daß sich die Druckmeßeinrichtung durch Fließen des im Bereich der Gewindegänge sehr dünnwandigen Materials lockert und die Verbindung mit einer Axialdichtung undicht wird. Bei der vorliegenden Ausgestaltung wird der Anpreßdruck des O-Rings in einem Bereich hoher Materialdicke aufgebracht, so daß das Fließen des Gehäusematerials in wesentlich geringerem Maße auftritt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Gehäuses eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Membrandruckmittlers;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines montierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Membrandruckmittlers; und

Fig. 3 eine vergrößerte Einzelheit X aus Fig. 2.

In Fig. 1 ist ein Gehäuse 1 mit einer das Gehäuse in Fig. 1 von oben nach unten durchgreifenden gestuften Durchgangsbohrung gezeigt. Die Durchgangsbohrung hat, von unten nach oben in Fig. 1 gesehen, einen Gewindeabschnitt 11, an den sich über eine Schräge 121 ein Deckeldichtungsabschnitt 12 anschließt. Im Anschluß an den Deckeldichtungsabschnitt ist ein Kammerabschnitt 13 ausgebildet, an den sich ein Dichtungsabschnitt 14 anschließt. Der Dichtungsabschnitt 14 geht über eine Schräge 141 in einen Anschlußgewindeabschnitt 15 über. Ferner sind in dem Gehäuse 1 quer zu der Durchgangsbohrung Entlüftungsbohrungen 16 und 17 eingebracht, die jeweils mit Gewinden versehen sind. Ferner hat das Gehäuse 1 auf der anschlußseitigen Stirnfläche Gewindebohrungen 18, die als Sacklöcher ausgebildet sind.

In Fig. 2 ist ein montiertes Ausführungsbeispiel des Membrandruckmittlers gezeigt, der auf dem in Fig. 1 gezeigten Gehäuse 1 basiert. In Fig. 2 ist ein Deckel 2 in das Gehäuse 1 von unten eingesetzt. Ein Deckelgewinde 23 ist mit dem in Fig. 1 gezeigten Deckelgewindeabschnitt 11 in Eingriff. Der Deckel 2 hat eine Anschlußbohrung 22, die mit einem üblichen Gewinde zum Anschluß an die Prozeßarmaturen versehen ist; es sind aber auch andere Anschlußformen, wie Kleben, Schweißen oder dergleichen möglich. Der Deckel 2 hat ferner eine Mehrzahl von Sacklöchern 21, die ein Einschrauben des Deckels mit einem geeigneten Werkzeug ermöglichen. Der Deckel 2 kann auch mit anderen geeigneten Mittel zum Einschrauben, z. B. Außensechskant etc., versehen sein, jedoch bietet diese Form der Sacklöcher einen größeren Schutz gegen unbeabsichtigtes Lösen, weil hierzu ein besonderes Werkzeug (Stiftschlüssel) erforderlich ist. Zudem kann ein bündiger Abschluß des Deckels 2 mit dem Gehäuse 1 erreicht werden.

Der Deckel 2 ist gegenüber dem Gehäuse 1 mit einem O-Ring 3 abgedichtet, der mit dem Deckeldichtungsabschnitt 12 in Anlage ist und in einer Aufnahmenut gehalten ist. Der Deckel 2 hat in seiner dem Gehäuse 1 in Einbaulage zugewandten Stirnseite eine Ausnehmung 24, die von einem ringförmigen Rand 25 umgeben ist. Die Ausnehmung 24 bildet die meßstoffseitige Druckaufnahmekammer und ist mit der Anschlußbohrung 22 verbunden. Mit dem ringförmigen Rand 25 ist die Doppelmembran 6 fixiert, wobei die meßstoffseitige Membran unmittelbar und dicht mit dem Deckel 2 in Anlage ist.

Um die Verbindungsstelle zwischen der füllflüssigkeitsseitigen Membran 6 (Druckabgabeseite) und dem Gehäuse abzudichten, bzw. um die Membran 3 gegen den ringförmigen Rand zu drücken, ist ein O-Ring 5 zwischen der Membran 6 und dem Gehäuse 1 vorgesehen. Der O-Ring 5 ist von dem Rand 25 des Deckels 2 in Axialrichtung des Deckels 2 beaufschlagt; er ist zwischen der Membran 6 und dem füllflüssigkeitsseitigen Kammerabschnitt 13 eingespannt. Dieser O-Ring 5 dichtet die Druckabgabekammer 13 (Füllflüssigkeitsseite) gegenüber dem Entlüftungsraum ab, der zwischen den O-Ringen 5 und 3 und dem Gehäuse 1 und dem Deckel 2 begrenzt ist.

Der O-Ring 5 ist lediglich der Füllflüssigkeit ausgesetzt, so daß dessen Material keinen Metallioneneintrag in den Meßstoff bedingt. Das Material des O-Rings 5 ist jedoch so zu wählen, daß ergegen die Füllflüssigkeit und in den angestrebten Temperaturbereichen beständig ist.

Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, sind die Abmessungen des O-Rings 5 und des Kammerabschnitts 13 so gewählt, daß der O-Ring 5 an die den Kammerabschnitt 13 in Radialrichtung begrenzende Wand des Gehäuses 1 gedrückt wird. Dadurch ist der Montagevorgang erleichtert, weil der O-Ring 5 auf diese Weise stets bezüglich der Membran 6 bzw. des ringförmigen Rands 25 des Deckels 2 passend positioniert ist.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist das Gehäuse 1 mit zwei Entlüftungsbohrungen 16 und 17 versehen, die sich quer zu der Durchgangsbohrung in das Gehäuse 1 erstrecken und in der Nähe des Deckeldichtungsabschnitts 12, zwischen dem O-Ring 3 des Deckels 2 und dem ringförmigen Rand 25 des Deckels 2 münden.

Die eine Entlüftungsbohrung 17 ist mit einem Entlüftungsstopfen 8 versehen, der in die Bohrung 17 dichtend eingeschraubt ist. Vorzugsweise erfolgt die Abdichtung im Gewinde selbst, indem ein Schräggewinde (NPT-Gewinde) verwendet wird. Der Stopfen 8 hat eine ihn durchgreifende Bohrung 81, die mit einer porösen PTFE- Membran 82 verschlossen ist. Die PTFE-Membran 82 ist gasdurchlässig, jedoch flüssigkeitsdicht. Auf diese Weise kann ein Ausgleich eines Gasdrucks in der Entlüftungskammer durch die Membran 82 erfolgen, wenn die Temperatur, der der Druckmittler ausgesetzt ist, erhöht bzw. erniedrigt wird, so daß keine nachteilige Beeinflussung des Meßergebnisses durch eine Druckänderung im Gaspolster zwischen den Membranen 6 hervorgerufen wird.

In die andere Entlüftungsbohrung 16 ist ein Sensor 7 ebenfalls dichtend eingeschraubt (NPT-Gewinde) und ist mit dem Entlüftungsraum verbunden. Der Sensor 7 ist ein kapazitiver Sensor, der geringe, in dem Entlüftungsraum vorhandene Flüssigkeitsmengen erfassen kann, so daß ein Bruch einer der beiden Membranen über den Austritt von Flüssigkeit durch diesen Sensor 7 schnell erfaßt werden kann.

In diesem Zusammenhang wird auf die Fig. 3 verwiesen, die einen vergrößerten Ausschnitt aus der Doppelmembran 6 zeigt. In Fig. 3 ist eine erste Membran 61, die in der in Fig. 2 gezeigten Einbaulage die meßstoffseitige Membran bildet, und eine zweite Membran 62 gezeigt, die entsprechend die füllflüssigkeitsseitige Membran bildet. Um einen dichtenden Anlagekontakt der beiden Membranen insbesondere an der Einspannstelle der Membranen zwischen dem O-Ring 5 und dem Rand 25 zu verhindern und dennoch eine Kraftübertragung auf die meßstoffseitige Membran zu ermöglichen, ist zwischen den beiden Membranen eine Faserlage 63 eingelegt, so daß der Entlüftungsraum zwischen den Membranen stets von einem Fluid durchströmbar ist, während eine gute Druckweiterleitung über die Membranen, d. h. eine exakte Parallelbewegung der beiden Membranen, aufrechterhalten bleibt.

Die in dem Entlüftungsraum angeordnete Faserlage 63, die ein Netz, ein Gewebe oder auch ein Vlies sein kann, unterstützt die bei einem Membranbruch austretende Flüssigkeit darin, zu dem Sensor 7 zu gelangen. Dadurch ist ein schnelles Ansprechen bei einem Membranbruch erreicht. Die Fasern der Faserlage 63 sind üblicherweise aus hochreinem PTFE gemacht, das chemisch inert ist und hier keinen hohen Festigkeitsanforderungen ausgesetzt ist.

Die Faserlage 63 unterstützt den Gasaustausch mit der Umgebung durch den Entlüftungsstopfen 8, weil sie eine dichtende Anlage bzw. ein Verkleben der Membranen 61, 62 miteinander verhindert.

In Fig. 2 ist ferner eine in den Druckmittler eingesetzte Druckmeßeinrichtung 10 zu erkennen. Die Druckmeßeinrichtung 10 hat einen Stutzen zum Einsatz in den Druckmittler. Der Stutzen hat eine Nut zur Aufnahme eines O-Rings 4. Im eingesetzten Zustand, d. h. ein Gewindeabschnitt 101 der Druckmeßeinrichtung 10 ist in den Anschlußgewindeabschnitt 15 eingeschraubt, liegt der O-Ring 4 nach Passieren der Schräge 141 an dem Dichtungsabschnitt 14 des Gehäuses 1 an. Bei dieser Ausbildung der Dichtung ist die Anpreßkraft des O-Rings 4 durch die Abmessungen des O-Rings 4 und des Dichtungsabschnitts 14 maßgeblich bestimmt. Natürlich sind auch die Schnurdicke, die Härte etc. des O-Rings zu berücksichtigen. Wesentlich ist, daß die Anpreßkraft im vorliegenden Fall nicht von der Axialkraft abhängig ist, die beim Einschrauben des Gewindeabschnitt 101 der Druckmeßeinrichtung 10 in den Anschlußgewindeabschnitt 15 erzeugt wird.

Dadurch läßt sich einerseits der Vorteil erreichen, daß die Langzeitdichtigkeit der Verbindung des Druckmittlers mit der Druckmeßeinrichtung 10 verbessert ist, weil das bei den verwendeten Kunststoffmaterialien insbesondere an den Gewinden mit geringer Materialstärke in den Gewindegängen auftretende Fließen des Material keinen Einfluß auf die Dichtkraft mehr hat. Der die Dichtkraft aufnehmende Abschnitt des Gehäuses 1 hat eine große Materialdicke, so daß das Fließen hier wegen der geringeren Materialbelastung kaum auftritt. Folglich zeigt die vorliegende Radialdichtung ein größere Zeitstandsfestigkeit.

Durch die gewählte Radialabdichtung läßt sich noch der zusätzliche Vorteil erreichen, daß die Druckmeßeinrichtung mit einer Verdrehsicherung 102 über Bolzen 9 in den Gewindebohrungen 18 verdrehsicher festgelegt werden kann. Durch die Radialabdichtung ist es möglich, die Druckmeßeinrichtung dicht einzuschrauben, ohne daß dazu die exakte Winkelstellung der Druckmesseinrichtung 10 festgelegt ist; d. h. es ist kein Festziehen der Verschraubung erforderlich und folglich ist auch kein Anzugsdrehmoment vorzugeben.

Ist die Druckmeßeinrichtung 10 eingeschraubt, so kann sie verdreht werden, bis die Löcher der Verdrehsicherung 102 den Gewindebohrungen 18 in einer gewünschten Ablesestellung der Druckmeßeinrichtung gegenüberliegen. Dann werden die Bolzen 9 eingesetzt und die Druckmeßeinrichtung 10 ist gegen unbeabsichtigtes oder unbefugtes Lösen gesichert. Bei entsprechender Länge des Dichtungsabschnitts 14, d. h. größer als die Ganghöhe oder der Hub des Gewindes bei einer Umdrehung, kann auf diese Weise die Druckmeßeinrichtung über 360° in einer beliebigen Ablesestellung positioniert werden, wobei dennoch die Dichtung sichergestellt ist.

Claims (18)

1. Membrandruckmittler mit einem zwischen einem Gehäuse (1) und einem Deckel (2) ausgebildeten Hohlraum, der von zwei zueinander parallelen Membranen (6; 61, 62) in einen Druckaufnahmeraum (24) zur Beaufschlagung mit einem Fluid mit zu messendem Druck, in einen Entlüftungsraum zwischen den Membranen (6; 61, 62) und in einen meßfluidgefüllten Druckabgaberaum (13) zur Druckweiterleitung an eine Druckmeßeinrichtung (10) unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß
die Membranen (6; 61, 62) aus einem Perfluoralkoxy-Copolymer (PFA) bestehen und unter Zwischenschaltung einer Kunststoffasereinlage (63) deckungsgleich profiliert sind,
die druckaufnahmeseitige Membran (61) mit dem Deckel (2) unmittelbar in Anlage ist
ein O-Ring (3) zur Abdichtung des Entlüftungsraums zwischen dem Gehäuse (1) und dem Deckel (2) vorgesehen ist, und
das Gehäuse (1) und der Deckel (2) aus einem Fluorpolymer bestehen.

2. Druckmittler nach Anspruch 1 zur Anwendung bei hochkonzentrierten Säuren denen der Druckaufnahmeraum (24) ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluorpolymer für das Gehäuse (1) und den Deckel (2) aus der Gruppe:
Perfluoralkoxy-Copolymer (PFA), Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polyvinylidenfluorid (PVDF) ausgewählt ist.

3. Druckmittler nach Anspruch 1 zur Anwendung bei Reinstwasser in dem Druckaufnahmeraum (24), dadurch gekennzeichnet, daß das Fluorpolymer für das Gehäuse (1) und den Deckel (2) aus der Gruppe: Perfluoralkoxy-Copolymer (PFA), Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polyvinylidenfluorid (PVDF) ausgewählt ist.

4. Druckmittler nach Anspruch 1 zur Anwendung bei Anwesenheit von Basen zur alkalischen Hydrolyse in dem Druckaufnahmeraum (24), dadurch gekennzeichnet, daß das Fluorpolymer für das Gehäuse (1) und den Deckel (2) aus der Gruppe: Perfluoralkoxy- Copolymer (PFA) und hochdichtes Reinst-Polytetrafluorethylen (PTFE) ausgewählt ist.

5. Druckmittler nach Anspruch 1 zur Anwendung bei Anwesenheit von mineralischen Säuren oder Übergangsmetallsäuren zur säurekatalytischen Polymerisation in dem Druckaufnahmeraum (24), dadurch gekennzeichnet, daß das Fluorpolymer für das Gehäuse (1) und den Deckel (2) aus der Gruppe: Perfluoralkoxy-Copolymer (PFA) und hochdichtes Reinst-Polytetrafluorethylen (PTFE) ausgewählt ist.

6. Druckmittler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der O-Ring (3) aus mit Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymer (FEP) ummanteltem Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen-Kautschuk (FKM) besteht.

7. Druckmittler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der O-Ring (3) aus Material besteht, das aus der Gruppe: mit Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymer (FEP) ummantelter Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen-Kautschuk (FKM), Tetrafluorethylen-Perfluormethylvinylether-Copolymer (TFE-PMVE) und Polysilikon ausgewählt ist.

8. Druckmittler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der O-Ring (3) aus Material besteht, das aus der Gruppe: mit Reinst- Polytetrafluorethylen (PTFE) ummantelter Vinylidenfluorid- Hexafluorpropylen-Kautschuk (FKM) und Tetrafluorethylen- Perfluormethylvinylether-Copolymer (TFE-PMVE) ausgewählt ist.

9. Druckmittler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der O-Ring (3) aus Material besteht, das aus der Gruppe: mit Reinst- Polytetrafluorethylen (PTFE) ummantelter Vinylidenfluorid- Hexafluorpropylen-Kautschuk (FKM), Tetrafluorethylen- Perfluormethylvinylether-Copolymer (TFE-PMVE) und Polysilikon ausgewählt ist.

10. Druckmittler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffasereinlage aus Polytetrafluorethylen (PTFE) ist.

11. Druckmittler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) eine das Gehäuse durchgreifende gestufte Bohrung hat, die einen Gewindeabschnitt (11) zum Eingriff mit einem Gewinde (23) an dem Deckel (2), einen Dichtungsabschnitt (12) für den O-Ring (3), einen Druckabgabekammerabschnitt (13), einen Durchlaß zu der anzusetzenden Druckmesseinrichtung (10), einen Dichtungsabschnitt (14) für die Druckmesseinrichtung (10) und einen Befestigungsabschnitt (15) für die Druckmesseinrichtung (10) ausgebildet hat.

12. Druckmittler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Entlüftungsraum zwischen den Membranen (61, 62) mit einer Entlüftungsbohrung (17) im Gehäuse (1) verbunden ist, die von einem Entlüftungsstopfen (8) mit einer Membran (82) aus Polytetrafluorethylen (PTFE) flüssigkeitsdicht und gasdurchlässig verschlossen ist.

13. Druckmittler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Entlüftungsraum zwischen den Membranen (61, 62) mit einer Leckagebohrung (16) in dem Gehäuse (1) verbunden ist, in die ein Sensor (7) zur Erfassung von Flüssigkeit eingesetzt ist, um einen Bruch einer der Membranen (61, 62) zu erfassen.

14. Druckmittler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (7) ein kapazitiver Sensor ist.

15. Druckmittler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsabschnitt (14) für die Druckmesseinrichtung (10) eine Zylinderfläche mit einer Schräge (141) ist, die mit einem radial dichtenden O-Ring (4) an der Druckmesseinrichtung (10) zusammenwirkt.

16. Druckmittler nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Verdrehsicherung (102), die mit der Druckmeßeinrichtung (10) in Eingriff ist und mittels Bolzen (9) an dem Gehäuse (1) festgelegt ist.

17. Druckmittler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckabgaberaumabschnitt (13) des Gehäuses (1) zumindest teilweise kongruent mit der ihm zugewandten Oberflächenform der Membranen (6) ausgebildet ist.

18. Druckmittler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierung der Membranen eine sinusförmige konzentrische Wellung ist.