-
Die Erfindung betrifft ein Schaltelement zur Verwendung in drucktechnischen Geräten, Anlagen oder dergleichen für unterschiedliche Medien.
-
Mit der
DE 35 21 646 A1 ist ein druckabhängig gesteuerter Schalter zur Überwachung eines niedrigen Luft- oder Gasdruckes mittels eines über eine Membran betätigbaren elektrischen Schalters bekannt geworden. Dabei wird der zu überwachende Druck zunächst pneumatisch verstärkt. Dafür ist eine durch eine Steuermembran unterteilte erste Kammer auf der einen Seite mit einem Einlass für den zu überwachenden Druck und auf der anderen Seite der Sitz eines Ablassventils angeordnet. Das Ablassventil besteht dabei aus einem plattenförmigen runden Ventilkörper und einem ringförmigen Schließkörper. Bei einem sich ändernden Druck wird das Ablassventil über eine weitere separate Membran auf einen Stößel übertragen, der die Schaltfunktion an elektrische Schalter weiter gibt.
-
In der Regel sind im drucktechnischen Bereich, das heißt in der Fluidtechnik, bei Gasen oder Flüssigkeiten, Schaltelemente in der Verwendung, die durch Antriebe oder Stellglieder, die mit einer externen Energie betrieben werden, im Einsatz. Darüber hinaus sind auch entsprechende Elemente in der Verwendung, die mittels einer manuellen Einrichtung in ihrer Schaltstellung verändert werden können.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Schaltelement für fluidische Anwendungen zu schaffen, das ohne Fremdenergie einen sicheren Betrieb garantiert und preiswert in der Herstellung ist. Ein derartiges Schaltelement muss einen reibungslosen Betrieb auch bei sehr geringen Volumenströmen mit einem im Wesentlichen konstanten Ausgangsdruck realisieren.
-
Die Lösung der Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 2 erzielt. Die Unteransprüche geben dabei eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gedankens wieder.
-
Es wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Schaltelement eine lastdruckgesteuerte oder steuerdruckabhängige Druckwaage beinhaltet. Diese Druckwaage ist für einen lastdruckunabhängigen Betrieb ausgelegt. Dabei wird ein derartiges rein pneumatisch betriebenes Schaltelement automatisch aktiviert, sobald beispielsweise eine genügende Luftmenge oder Mediummenge das Schaltelement beaufschlagen, so dass je nach Auslegung der Druckwaage diese bei einer Schaltschwelle aus dem Gleichgewicht gebracht wird. Dabei wird ein Differenzdruck erzeugt, der je nach Auslegung der Druckwaage dessen Schaltschwelle erreicht, und damit die Druckwaage aus dem Gleichgewicht bringt und gleichzeitig das Schaltelement in seiner Schaltposition verändert. Wird eine solcher Durchfluss gestoppt, so steigt der Ausgangsdruck wieder an und der Eingangsdruck ist gleich dem Ausgangsdruck, was bedeutet, dass das Schaltelement auf Grund der Druckwaage in seine Ausgangsstellung zurückgeht und seine geschlossene Stellung beispielsweise wieder einnimmt. Bei einem sehr genau ausgelegten Schaltelement ist es sogar möglich, dass das Schaltelement eine impulsartige Schaltfunktion auf Grund von Druckdifferenzen ausführt.
-
Durch Verwendung einer solchen Druckwaage ist es möglich, mit einer sehr geringen Druckdifferenz ein derartiges Schaltelement in zwei Schaltzustände, nämlich „geschlossen” oder „offen”, zu verbringen. Dabei besteht die Druckwaage im Wesentlichen aus einer ringförmig eingespannten Membran mit einer wählbaren Federkonstanten. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Membran mit Sicken oder dergleichen im Randbereich ausgebildet. Neben der vorzugsweisen Sickenform ist es auch möglich, Flachmembranen zu verwenden, weil diese preislich günstiger sind. Jedoch sind bei derartigen Flachmembranen die Schaltpunkte nicht so präzise, so dass es gerade bei geringen Druckunterschieden zu einer Hysterese im Schaltpunkt kommen kann. Ferner sind Fertigungstoleranzen zu berücksichtigen.
-
Bei den sehr dünnen Flachmembranen, die in geringem Maße vorgespannt sind, ist aber eine Ausführung der Erfindung ebenfalls möglich. Sobald ein ausreichender Hub ausgeführt wird, würde sich eine derartige Membran entspannen. Durch die vorhandene Vorspannung entspannt sich die Flachmembran allein wieder in die horizontale Ausgangslage bei einer Druckaufhebung. Durch Gegendruckfedern kann bei derartigen Membranen ein solches Verhalten unterbunden werden.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können auch Rollmembranen eingesetzt werden, die in einem Formwerkzeug hergestellt werden. Derartige Rollmembranen werden in einem Kompressionsverfahren oder Spritzverfahren hergestellt und anschließend vulkanisiert. Der Vorteil einer derartigen Membranenart liegt darin, dass sie sehr leichtgängig ist und nur wenig Reibung aufweist. Sie kann durch sehr geringe Hübe eine sehr große Genauigkeit mit nur wenigen Kräften ausführen.
-
Eine Ausführung mit Kolben der vorliegenden Erfindung ist sehr teuer und technisch nicht unbedingt eine sehr gute Lösung, da Kolben sehr hohe Reibungen aufweisen und Membranen dazu reibungslos arbeiten.
-
Es hat sich deshalb als zweckmäßig erwiesen, dass Sickenmembranen sehr preiswert herzustellen sind und in ihrem Schaltverhalten genau auf die gewünschten Kräfteverhältnisse abgestimmt werden können.
-
Die in dem Schaltelement verwendete Membran der Druckwaage ist dabei so ausgeführt, dass die Membranunterseite und die Membranoberseite gleiche Wirkflächen aufweisen.
-
Mit der Druckwaage steht in Wirkverbindung eine federbelastete, rein mechanisch arbeitende Stelleinrichtung. Die Stelleinrichtung besteht dabei im Wesentlichen aus einem Stößel mit direkt oder indirekt zugeordnetem Ventilsitz eines weiteren Ventils, wobei die Stelleinrichtung keine formschlüssige Verbindung eingehen muss.
-
Wird die Membranunterseite beispielsweise von einem Druck P1 und die Membranunterseite mit einem Druck P2 beaufschlagt, wobei die Drücke P1 und P2 im Betrag gleich sind, dann bleibt die Druckwaage im Gleichgewicht, weil auf beiden Oberflächen die Drücke gleich groß sind. Erst durch eine Druckdifferenz würde die Druckwaage die Ruheposition verlassen und damit das Stellelement aktivieren. In dem Augenblick, wo eine bestimmbare Schaltschwelle überschritten wird und der Differenzdruck damit einen bestimmten Betrag aufweist, wird der Schaltvorgang des Stellelements durchgeführt. Ein derartiger Differenzdruck zwischen P1 und P2 führt somit zu einem Schaltvorgang. Der Schaltvorgang kann sowohl ein „Öffnen” als auch ein „Schließen”, je nach der Anwendung, beinhalten.
-
So könnte beispielsweise das Schaltelement dort eingesetzt werden, wo in einem System mit Druckabfällen zwischen dem Eingangsdruck und dem Ausgangsdruck gearbeitet wird. Durch den Druckabfall, der eine den Verwendungen individuell bestimmbare Druckschwelle übersteigt, wird das Schaltelement ohne Fremdenergie geschaltet. Durch einen derartigen Schaltvorgang können beispielsweise weitere andere Vorgänge aktiviert werden, z. B. ein anderes technisches Gas oder dergleichen kann dem ersten Medium zugemischt werden. Es ist aber auch möglich, dass nur zu bestimmten Zeitpunkten ein weiteres technisches Gas z. B. beigemischt werden soll. So kann es beispielsweise sein, dass im Hauptstrom ein Druckverlust genau in dem Moment auftritt, wo beispielsweise Sauerstoff zugeführt werden soll. Dieses wird heute vielfach elektronisch mit Schaltventilen und Drucksensoren ausgeführt. Mit dem erfindungsgemäßen Schaltelement ist es aber möglich, ohne Fremdenergie Schaltvorgänge vornehmen zu können. Dieses ist insbesondere in explosionsgeschützten Räumen oder Anlagen von großer Bedeutung. Ferner ist ein derartiges erfindungsgemäßes Schaltelement kostengünstiger in der Herstellung als solche, die mit einer Fremdenergie und Sensoren arbeiten und nicht überall einsetzbar sind.
-
Die Verwendung von einem derartigen erfindungsgemäßen Schaltelement ist insbesondere in Druckluftanlagen von großem Interesse, da von dem eigentlichen Schaltweg getrennt eine zweite oder mehrere Fluidverbindungen geschaltet werden können. So können beispielsweise Gemische oder dergleichen in andere Fluidkreise zugeschaltet werden.
-
Es wäre beispielsweise eine Verwendung eines derartigen Schaltelementes in Verbindung mit Membrantrocknern oder dergleichen zur Steuerung der Spülluft von großem Nutzen. Dabei ist es möglich, dass die Spülluft nur dann strömt, wenn gleichzeitig am Ausgang des Membrantrockners oder dergleichen auch trockene Luft abgenommen wird.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann eine Steigerung der Genauigkeit der Druckkurve, insbesondere bei sehr geringen Mediumströmen vorgenommen werden, wenn in dem Schaltelement zusätzlich eine Venturi-Düse oder ein Venturi-Einsatz zur Verwendung kommt. Wurde eingangs schon eine geringe Mediummenge zum Schalten verwendet, so wird bei der Verwendung eines Venturi-Einsatzes nochmals eine Trennung vorgenommen. Bei dieser Vorgehensweise wird ein so genanntes Strahlpumpenprinzip angewendet und damit wird der Venturieffekt noch einmal verstärkt. Dieses bedeutet, dass bei den bereits geringen Mediumströmen hier weiteres Medium herausgesaugt wird und es zu einer Druckabsenkung und damit beispielsweise zu einem impulsförmigen Schaltvorgang kommen kann. Dieses hat zur Folge, dass eine derartige Schaltfunktion bei geringen Durchflüssen bereits einen Abfall der Kennlinie des Druckes ausschließt.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
-
Es zeigt:
-
1: Ein Blockschaltbild;
-
2: eine erste bevorzugte Ausführung eines Schaltelementes;
-
3: eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Schaltelementes;
-
4: eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Schaltelementes.
-
Gemäß dem Blockschaltbild der 1 ist ein Einzelgerät oder eine Baugruppe oder ein Bauteil 2 dargestellt worden, welches drucktechnisch einen Eingangsdruck P1 und einen Ausgangsdruck P2 aufweist. Unabhängig von dem Bauteil 2 befindet sich darüber ein Schaltelement 4, welches ebenfalls von dem Eingangsdruck P1 und dem Ausgangsdruck P2 beaufschlagt wird. Dieses Schaltelement 4 ist unabhängig von dem Bauteil 2 zu sehen. Es wird beispielsweise ausschließlich durch einen Differenzdruck von P1 und einem Druck P2 geschaltet. Im Ergebnis kann so ein anderer Funktionskreis mit dem Schaltdruck PS durchgeschaltet werden. Dieser Schaltdruck PS braucht mit dem Funktionskreis des Bauteiles 2 nicht direkt in Verbindung zu stehen, sondern er wird nur über die Druckdifferenz zwischen P1 und P2 ein- und ausgeschaltet. Hierfür ist vorzugsweise eine entsprechende Druckschwelle vorgesehen, deren Höhe unterschiedlich sein kann. Das Schaltelement 4 kann dabei als „Öffner” oder auch als „Schließer” ausgebildet werden.
-
Ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Schaltelementes 4 zeigt die 2. Das Schaltelement 4 ist dabei in ein Oberteil 13 und ein Flanschteil 14 unterteilt, wobei diese beiden Einzelteile 13, 14 miteinander so verbunden sind, dass eine einfache Trennung vorgenommen werden kann.
-
Zwischen dem Oberteil 13 und dem Flanschteil 14 befindet sich eine Membran 19, die vorzugsweise als Sickenmembran ausgebildet ist und die im Randbereich über eine Membraneinspannung 5 gehalten wird. In dem flächigen Teil der Membran 19 ist diese mit einer Druckplatte 20 und auf der anderen Seite mit einer Druckplatte 22 versehen. Somit wird der Schaltbereich der Membran 19 einzig und allein über die Sicken ausgeführt. Dieser vorgeschriebene Aufbau der Membran 19 stellt eine Druckwaage dar, die auf beiden Seiten der Membran 19 druckbeaufschlagt wird. Dabei wird der Eingangsdruck P1 über einen Kanal 17 und eine Verbindungsbohrung 21 auf eine Membranoberseite aufgebracht, nachdem sich der Druckraum 18 mit dem Druck P1 des Mediums gefüllt hat. Da es sich hierbei um eine Druckwaage handelt, wird auf der Unterseite der Membran ebenfalls ein Druck P2 aufgebracht. Dieser Druck P2 kommt beispielsweise über einen Kanal 8 in einen Druckraum 7, der sich an der Membranunterseite befindet. In dem Augenblick, wo der Druck P1 gleich P2 ist, ist die Druckwaage im Gleichgewicht und weist keine Auslenkung nach der einen oder anderen Seite auf.
-
Mit der Druckplatte 22 auf der Membranunterseite wirkt eine Stelleinrichtung 29 zusammen. Die Stelleinrichtung 29 wirkt dabei als sekundäres Schaltelement, das ausschließlich durch die Druckwaage in seiner Position verändert wird und somit keinerlei Fremdenergie benötigt.
-
Die Stelleinrichtung 29 besteht im Wesentlichen aus einem Stößel 11, der auf die Membranunterseite bzw. auf die Druckplatte 22 direkt und auf einem Ventilsitz 12 einwirkt. Die Stelleinrichtung 29 ist dabei durch eine Feder 10 belastet, so dass beim Fehlen einer Druckdifferenz zwischen P1 und P2 die Druckwaage sich in der Ruhelage befindet und in dem Ausführungsbeispiel der Ventilsitz 12 auf Grund der Feder 10 geschlossen ist. Die Feder 10 stützt sich dabei an einem verstellbaren Verschluss 9 ab, der über Dichtungen 6 innerhalb des Oberteils 13 auswechselbar eingebracht ist. Für dieses Ausführungsbeispiel ist eine Ausführung gewählt worden, bei der der Ausgangsdruck P2 zum einen in den Druckraum 7 strömt aber auch über den Kanal 8 zu dem Ventilsitz 12 gelangt. Auf Grund einer Druckdifferenz wird die Druckwaage aus ihrem Gleichgewicht gebracht, was sich beispielsweise dadurch äußert, dass P1 größer als P2 ist und sich somit die Stelleinrichtung 29 über den Ventilsitz 12 öffnet. Dieses bedeutet, dass der im Kanal 8 vorhandene Druck über einen Ventilkanal 27 in Fortführung eines Kanals 15 als Ausgangsdruck PS das Schaltelement 4 verlässt. In dem Augenblick, in dem die Druckdifferenz zwischen P1 und P2 wieder aufgehoben wird, was beispielsweise dadurch geschehen kann, dass kein Medium am Ausgang des Bauteiles 2 abgenommen wird, und somit wieder P1 gleich P2 ist, schließt sich die Stelleinrichtung 29 wieder, so dass am Kanal 15 kein Druck PS vorhanden ist.
-
Eine weitere mögliche Ausführung eines Schaltelementes gibt die 3 wieder. Hier ist im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel der 2 die Verbindung für P2 zu der Stelleinrichtung 29 nicht vorhanden. Hier kann über einen Fluideingang 24 in Verbindung mit einem Eingangskanal 26 ein separates Gerät oder dergleichen angeschlossen werden. Dieser Fluideingang ist beispielsweise dazu prädestiniert, um in einem Mischvorgang ein anderes Medium dem vorhandenen Medium zuzuführen bzw. in einen anderen Kreislauf einzubringen. Das an dem Fluideingang 24 anstehende Medium wird hier ebenfalls über die Stelleinrichtung 29 dann weiter auf dem Fluidausgang 25 geleitet, wenn über die Druckwaage in diesem Falle ein „Öffnen” des Ventilsitzes 12 bewirkt wird. Bei einem „Öffnen” des Ventilsitzes 12 strömt über den Ausgangskanal 28 das über den Fluideingang 24 anstehende Fluid an den Fluidausgang 25.
-
Insbesondere das Ausführungsbeispiel der 3 macht deutlich, dass durch eine Druckdifferenz innerhalb eines anderen Systems oder dergleichen ohne Fremdenergie das Schaltelement 4 geschaltet werden kann, welches einen getrennten Kreislauf mit einem Gas oder einer Flüssigkeit beispielsweise versorgt.
-
In der Praxis werden Durchflussmessungen mit sogenannten Drosselgeräten ausgeführt. Durch den Einbau einer Querschnittsverengung entsteht so ein messbarer Druckunterschied, mit dem die mittlere Strömungsgeschwindigkeit und damit der Volumenstrom berechnet werden kann. Derartige Drosselgeräte können beispielsweise Normblenden, Normdüsen aber auch Venturi-Düsen sein. Bei Venturi-Düsen werden die Strömungsbedingungen am genauesten umgesetzt.
-
Die Strömung in einem Kanal oder einer Rohrleitung mit einer Verengung seines Querschnittes verursacht in den unterschiedlichen Ebenen senkrecht zur Strömungsrichtung eine Differenz der statischen Mittel. Venturi-Düsen oder -Rohre verursachen nur sehr geringe Druckverluste, sind frei von beweglichen Teilen, verschleißarm, unempfindlich gegen Verschmutzung und benötigen nur sehr kurze Einlaufstrecken. Diese hervorragenden Eigenschaften macht sich auch die Erfindung zu eigen, um am Ende der Venturi-Düse die geringen Druckverluste ausnutzen zu können.
-
Eine klassische Venturi-Düse oder -Rohr besteht aus einem Einlauf mit einem konvergierenden Teil, der einen geraden engen Bereich aufweist und danach einem divergierenden Teil, d. h. es findet wieder eine Querschnittsvergrößerung statt.
-
In der 4 ist in gleicher Art und Weise wie bei den bereits beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen die Druckwaage mit dem Schaltelement 29 ausgeführt worden. Zusätzlich ist jedoch in dem Strömungskanal, in dem der Eingangsdruck P1 herrscht, eine Kanalverengung mit einer Querschnittsverringerung 31 vorgenommen worden. Dieses wird quasi durch einen Einsatz 30, der als Venturi-Rohr oder Venturi-Düse realisiert werden kann, ausgeführt. Dabei weist der Einsatz 30 einen größeren Eingangsquerschnitt 33 auf als der Querschnittsverringerung 31. Da der Eingangsdruck P1 von der Menge her bereits durch den Einsatz 30 verringert wurde, wird gleichzeitig noch eine zusätzliche Verringerung des Querschnittes vorgenommen, so dass quasi ein Strahlpumpenprinzip entsteht, welches den Venturieffekt noch einmal verstärkt. Es werden geringe Mediumströme herausgesaugt, die über den Kanal 32 in Verbindung mit dem Kanal 8 zu einer Druckabsenkung in dem Druckraum 7 führen. Auf Grund der Verwendung des Einsatzes 30 ist es möglich, hier auch impulsförmige Schaltfunktionen zu realisieren. Dieses bedeutet, dass bei sehr geringen Durchflussmengen die Kennlinie des Druckes am Ausgang P2 nicht wie es üblich ist, abfällt. Dieses bedeutet ein sehr effizientes Schalten und bringt für einen technischen Einsatz eines derartigen Schaltelementes enorme Vorteile, weil keine Fremdenergie zum Schalten benötigt wird. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass der Ausgangsdruck in seinem Betrag nahezu konstant ist und quasi keinen Druckabfall aufweist, wie bei Geräten zum Stand der Technik.
-
Durch die Verwendung von Druckwaagen in unterschiedlichsten Ausführungen kann mit Hilfe eines Differenzdruckes ohne Fremdenergie das Schaltelement 4 betätigt werden. Dadurch brauchen insbesondere keine elektrotechnischen Vorschriften, insbesondere Explosionsschutz usw., beachtet werden. Eine derartige Einrichtung eines Schaltelementes kann ohne weiteres beim Erkennen von Druckverlusten auch zum Schalten der Spülluft in einem Membranfilter verwendet werden und stellt damit eine Einsparung von Druckluft im ausgeschalteten Zustand des Membranfilters dar.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Dichtung
- 2
- Bauteil
- 3
- Ventilstößelende
- 4
- Schaltelement
- 5
- Membraneinspannung
- 6
- Dichtung
- 7
- Druckraum
- 8
- Kanal
- 9
- Verschluss
- 11
- Stößel
- 12
- Ventilsitz
- 13
- Oberteil
- 14
- Flanschteil
- 15
- Kanal
- 17
- Kanal
- 18
- Druckraum
- 19
- Membran
- 20
- Druckplatte
- 21
- Verbindungsbohrung
- 22
- Druckplatte
- 23
- Dichtung
- 24
- Fluideingang
- 25
- Fluidausgang
- 26
- Eingangskanal
- 27
- Ventilkanal
- 28
- Ausgangskanal
- 29
- Stelleinrichtung
- 30
- Einsatz
- 31
- Querschnittsverringerung
- 32
- Kanal
- 33
- Eingangsquerschnitt
- P1
- Eingangsdruck
- P2
- Ausgangsdruck
- PS
- Schaltdruck
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
