-
Anordnung für ein Membranventil Die Erfindung betrifft eine Anordnung
für ein Membranventil mit vonseiner Schaltmembran verschließbaren Bohrungen, insbesondere
für ein Dosier- und Umschaltventil bei gaschromatographischen Einrichtungen.
-
Es ist bekannt; Membranventile zum Einschalten, Umschalten oder Dosieren
von unter hohem Druck stehenden Gasen oder Flüssigkeiten zu verwenden. Membranventile,
die den speziellen Erfordernissen der Gas- oder Flüssigkeits-Chromatographie genügen,
sind z. B. aus den deutschen Gebrauchsmusterschriften 1 932 888 und 6 812 041 und
aus den USA-Patentschriften 2 865 402 und 3 077 766 bekannt.
-
Ein Membranventil weist stets eine oder mehrere Schaltstellen für
zu verbindende Gas- bzw. Flüssigkeitsleitungen auf. Jede Schaltstelle umfaßt einen
Ventilraum, in den eine Bohrung für die Zuflußleitung und eine Bohrung für die Abflußleitung
des Meßgases bzw. der M,eßflüssigkeit führt. Der Gas- bzw. Flüssigkeitsdurchgang
durch den Ventilraum kann mittels einer schmiegsamen Membran unter dem Druck von
Steuerluft gesperrt werden.
-
Membranventile besitzen Nachteile, die sich insbesondere bei hohen
Temperaturen oder hohen Steuerdrückensbemerkbar machen: bei hohen Temperaturen wird
die Schaltmembran, die in den meisten Fällen aus Kunststoff besteht, weich und wird
in der Schließphase des Ventils von der Steuerluft unter plastischer Verformung
in die beiden Bohrungen gedrückt. Wird das Membranventil auf Durchlaß umgeschaltet,
d. h. verschwindet der Steuerdruck, so reicht der
Druck des zu steuernden
Meßgases bzw. der Meßflüssigkeit nicht aus, die Verformung rückgängig zu machen
und die Schaltmembran aus den Bohrungen herauszudrücken. Ein sicheres Abheben der
Membran ist infolge dieser sogenannten Stöpselwirkung nicht gewährleistet. - Weiterhin
kann die Schaltmembran bereits bei Zimmertemperatur auf der Oberfläche der die beiden
Bohrungen enthaltenden Ventil sitzplatte aufgrund von chemischen Einflüssen festkleben.
Beim Umschalten auf Durchlaß wirkt der in der Zulaufbohrung herrschende Druck des
Meßgases bzw. der Meßflüssigkeit nur auf eine solche Teilfläche der an dieser Bohrung
anliegenden Schaltmembran ein, die gleich dem Querschnitt der Zulaufbohrung, also
bezüglich der gesamten Membranfläche fast punktförmig is-t. Die an der Schaltmembran
insgesamt angreifende Öffnungskraft ist daher sehr klein.
-
Auch in diesem Fall ist ein Abheben der Membran und ein Durchschalten
des Membranven tils nicht gewährleistet.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Membranventile so zu gestalten,
daß eine einwanreie Funktion bei hohen Temperaturen und/oder unter Einwirkung von
chemisch-aggressiven Substanzen und ein einwandfreies Abheben der Schaltmembran
noch nach einer großen Anzahl vo Schaltvorgängen ohne Versagen oder Auswechseln
der Schaltmembran gewählt leistet ist.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemß dadurch gelöst, daß die unter dem
Druck eines Gases oder einer Plüssigkei4 stehenden Bohrungen membranseitig erweitert
und in die Erweiterungen Füllkörper unter Wahrung von Ringspalts für den Durchtritt
des Gases bzw. der Flüssigkeit eingesetzt sind.
-
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung sind die Füllkörper der
geometrischen Form der Erweiterungen angepa3t.
-
Sie können z. B. als zylindrische Scheiben oder als Kegelstumpfe ausgebildet
sein.
-
Mit der Verwendung von üllkörpern wird erreicht, daß die Auflagefläche
der Schaltmembran an den Erweiterungen größer ist als der Querschnitt der Bohrungen.
Der beim Umschalten auf Durchgang an der Membran angreifende Druck wirkt daher auf
eine größere Teilfläche der Membran als in den bisher üblichen Anordnungen. Daher
stehen größere Kräfte für das Abheben der Schaltmembran zur Verfügung Um zu vermeiden,
daß die Stöpselwirkung auftritt, ist darauf zu achten, daß die Ringspaltfläche nicht
zu groß gewählt wird. Andererseits ist es zweckmäßig, die Füllkörper und die Erweiterungen
in den Bohrungen so zu bemessen, daß bei Durchgangestellung des Membranventils keine
Drosselwirkung auftritt. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Ringspaltfläche
gleich der Querschnittsfläche derzugebörigen Bohrung ist.
-
Um einen ungehinderten Durchgang des Meßgases bzw. der Neßfjüssigkeit
durch die Erweiterungen zu ermöglichen, sind nach einer weiteren Ausbildung der
Erfindung io den Erweiterungen undjoder in den den Bohrungen zugewandten Seiten
der Füllkörper Nuten angebracht. Die Nuten sind zweckmäßigerweise wiederum so bemessen,
daß keine Drosselwirkung auftritt.
-
Die Strömungsverhältnisse sollten auch bei einer Temperaturänderung
und der damit verbundenen Wårmeausdehnung des Membranveutils erhalten bleiben. Daher
ist eine weitere Ausbildung qer Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die die Bohrungen
enthaltende Ventilsitzplatte und die Füllkörper aus demselben Material hergestellt
sind. Es sollte dabei ein gegenüber dem Meßgas bzw. der Meߣ1üssigkeit beständiges
Material, zweckmäßigerweise V2A- oder V4A-Stahl, verwendet werden.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in vier Figuren dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben.
-
Es zeigen Figur 1 einen Schnitt durch die gesperrte Schaltstelle eines
fremdgesteuerten Membranventils mit in den Erweiterungen der Bohrungen liegenden
zylindrischen Scheiben; Figur 2 die Schaltstelle nach Figur 1 in Durchlaßstellung;
Figur 3 eine zylindrische Scheibe mit Quernuten in gegenüber der Figur 1 vergrößerter,
perspektivischer Darstellung; Figur 4 einen Querschnitt eines Teils der gesperrten
Schaltstelle eines Membranventils mit einem in die konische Erweiterung der Zulaufbohrung
eingesetzten Kegelstumpf.
-
Die in den Figuren einander entsprechenden Bauelemente sind mi; denselben
Bezugszeichen versehen.
-
Figur 1 zeigt einen Querschnitt'der Schaltstelle eines Nembranventils
für gas-chromatieche Einrichtungen. Eine Schaltmembran M liegt zwischen einer Deckplatte
D und einer Ventilsitzplatte Z. Die Ventilsitzplatte Z enthält eine Bohrung 31,
die mit einer (nicht gezeichneten) Zuflußleitung, und eine Bohrung 32, die mit einer
(nicht gezeichneten) Abflußleitung für ein Meßgas verbunden ist.
-
Zufluß- und Abflußleitung können in beliebiger Form am Membranventil
angeordnet sein. Membranseitig sind die Bohrungen 31 und B2 erweitert. In den zylindrischen
Erweiterungen Al bzw. A2 liegen zylindrische Scheiben S1 bzw. S2. Der Durchmesser
der Scheibe S1 bzw. S2 ist etwas kleiner als der Durchmesser der Erweiterung Al
bzw. A2, eo daß ein Ringspalt vorhanden -ist. Die Bemessung des Ring-Spalts richtet
sich nach der Art der verwendeten Membran M und dem Querschnitt der Zulaufbohrung
31 bzw. der Ablaufbohrung 32. Zweckmäßigerweise wird die Höhe der Scheibe S1 bzw.
S2 etwas geringer gewählt als die Höhe der Erweiterung Al bzw. A2.
-
Die Deckplatte D zeigt einen muldenförmigen Ventilraum V1, in'den
eine Bohrung L führt, die mit einer (nicht gezeichneten) Steuerluftleitung verbunden
ist. In der gezeichneten Stellung wirkt auf die Membran M der Druck der Steuerluft
S. Das ist durch die nach unten weisenden Pfeile auf der Oberseite der Membran M
angedeutet. Die Membran M wird auf die Erweiterungen Al und A2 gedrückt und sperrt
dadurch den Durchfluß des Meßgases von der Durchflußbohrung B1 zur Abflußbohrung
B2. Es ist ersichtlich, daß die Schaltmembran M nicht von der Steuerluftseite her
in den zwischen der Scheibe S1 bzw. S2 und der Erweiterung Al bzw. A2 liegenden
Ringspalt gedrückt werden kann und daß eine Stöpselwirkung nicht auftritt, wenn
die Ringspaltbreite klein gegen den bei Membranventilen üblichen Durchmesser der
Bohrung B1 bzw. B2 gewählt wird, Die Verformung und der Verschleiß der Membran M
sind daher äußerst gering.
-
Wird die Ringspaltfläche gleich der Querschnittsfläche der zugehörigen
Bohrung B1 bzw. 32 gewählt, so bleibt die-von der Membran M überdeckte Öffnung in
der Ventilsitzplatte Z flächenmäßig gleich groß wie bei den bisher üblichen Anordnungen,
erstreckt sich jedoch'bei der Anordnung gemaß der Erfindung über eine größere Teilfläche
der Membran M.
-
Ist der muldenförmige Ventilraum V1 genügend flach gestaltet, so kann
auch die Bohrung L für die Steuerluft S mit einer membranseitigen Erweiterung versehen
und in diese ein Füllkörper unter Wahrung eines Ringspaltes eingesetzt werden.
-
Figur 2 zeigt die aus Figur 1 bekannte Schaltstelle nach dem Umschalten
auf Durchgang. Das Meßgas G tritt nun aus der Zuflußbohrung B1 in die Erweiterung
Al und hebt dabei die Scheibe 51 leicht an. Da an der Steuerluftseite kein Druck
herrscht, wird die Schaltmembran M
an die Mulde in der Deckplatte
D angelegt. Das Meßgas G verläßt den dadurch gebildeten Ventilraum V2 über die Erweiterung
A2 und die Bohrung B2.
-
Gegenüber den bisher üblichen Anordnungen ist die Teilfläche der Membran
M, auf die der Druck des Meßgases G wirkt, größer. Daher wird auch bei gleichem
Druck des Meßgases G gegenüber bisher üblichen Anordnungen eine größere Kraft auf
die Membran M ausgeübt. Das Einlegen einer Scheibe S1 bzw. S2 in die Erweiterung
Al bzw. A2 der Ventilsitzplatte Z hat also zur Folge, daß ein Kleben der Membran
M auf der Oberfläche der Ventilsitzplatte Z verhindert wird.
-
Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist darin zu sehen, daß beim
Umschalten des Membranventils auf Durchgang des Meßgases G zunächst die Berührungsstelle
zwischen der Scheibe S1 bzw. S2 und der Grundfläche der zugehörigen Erweiterung
Al bzw. A2 in der Ventilsitzplatte Z gelöst wird. Das Ablosen ist mit Sicherheit
gegeben, wenn die Scheiben S1 und S2 sowie die Ventilsitsplatte Z aus Metall bestehen.
Ein sicheres Ablösen war in den bisher üblichen Anordnungen nicht gewährleistet,
da dort die Berührungsstelle zwischen Membranmaterial (Kunststoff) und Ventilsitzplatte
Z (Metall), insbesondere bei hohen Temperaturen, verklebte.
-
Es ist notwendig, daß das Meßgas G bei Durchgangsste lung der Schaltstelle
ungehindert die in der Erweiterung A2 liegende Scheibe S2 in Richtung auf die Bohrung
32 passieren kann.
-
Figur 3 zeigt iD vergrößerter, perspektivischer Darstellung die aus
Figur 1 und 2 bekannte Scheibe S2 mit zwei zu diesem Zweck in der unteren,der Bohrung
32 zugewende ten Auilageiläche angebrachten Nuten Nl und N2. Die Scheibe
81
ist entsprechend Scheibe S2 ebenfalls mit Nuten versehen.
-
Figur 4 zeigt, daß die membranseitige Erweiterung A der Bohrung 31
auch konusförmig ausgeführt sein kann Der in die Erweiterung A unter Wahrung eines
Durchlaß spaltes eingesetzte Füllkörper ist ein Eegelstumpf~E, der in der unteren,
der Bohrung B1 zugewendeten Auflagefläche ebenfalls mit Nuten versehen ist.
-
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bezstehen be sondere darin5
daß beim Umschalten des Nembranventils stets ein sicheres Abheben der Schaltmembran
gewählt leistet ist, daß die Zuverlässigkeit des Membranventils durch eine hohe
Temperatur, durch Änderung der Temperatur und durch Einwirkung von chemischen Substanzen
nicht beeinträchtigt wird und daß das Membranventil eine hohe Lebensdauer besitzt.
-
7 Patentansprüche 4 Figuren