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Die Erfindung betrifft ein Membranventil.
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In Membranventilen wird ein Fluidweg durch eine Membran, die auf einem einem Strömungskanal zugeordneten Dichtsitz aufliegen kann, verschlossen oder freigegeben, wobei die Membran über einen Antrieb bewegt wird. Die Membran trennt dabei einen Arbeitsraum, durch den das Fluid strömt, von einem Antriebsraum, in dem der Antrieb angeordnet ist, sodass die mechanischen Betätigungselemente sowie Elektrik und Elektronik des Ventils üblicherweise nie mit dem das Ventil durchströmenden Medium in Kontakt kommen. Korrosionsanfällige Bauteile auf der Antriebsseite sind so vor dem Medium geschützt. Derartige Membranventile sind daher auch für eine Verwendung mit aggressiven Medien auslegbar. Sie werden beispielsweise als Analyseventile eingesetzt.
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Für eine hohe Flexibilität sollte die Membran möglichst dünn ausgebildet sein. Eine Verringerung der Membrandicke geht aber auf Kosten der Druckbeständigkeit der Membran.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Membranventil mit einer flexiblen, aber mit hohem Druck belastbaren Membran zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird mit einem Membranventil gelöst, mit einem Gehäuse, das einen Antriebsraum und einen Arbeitsraum definiert, wobei der Antriebsraum und der Arbeitsraum durch eine Membran getrennt sind, die wenigstens einen Dichtsitz im Arbeitsraum, der einem Strömungskanal zugeordnet ist, verschließen oder freigeben kann. Die Membran ist in wenigstens einem Befestigungsbereich an einem im Antriebsraum angeordneten Mitnehmer befestigt, der über einen Antrieb bewegbar ist. Die Membran weist eine verstärkende Gewebelage auf, die in ein elastisches Trägermaterial der Membran eingebettet ist. Im Befestigungsbereich und im Mitnehmer sind zusammenwirkende Strukturen ausgebildet, durch die und an denen eine formschlüssige bzw. stoffschlüssige Verbindung des elastischen Materials der Membran mit dem Mitnehmer vorhanden ist und die eine feste Verbindung der Membran mit dem Mitnehmer bilden. Die verstärkende Gewebelage erhöht die Festigkeit der Membran und erlaubt den Betrieb bei höheren Drücken. Um trotz der eingebetteten Gewebelage eine gute Fixierung des elastischen Trägermaterials der Membran am Mitnehmer zu erreichen, sind die von Herstellungstoleranzen zu unterscheidenden, gefertigten Strukturen im Mitnehmer vorgesehen, die exakt komplementär zu den Strukturen im elastischen Trägermaterial sind. Über den so gebildeten Formschluss, bei dem die Strukturen in der Membran in die Strukturen des Mitnehmers spielfrei ineinander greifen, sowie durch den Stoffschluss zwischen dem Mitnehmer und dem elastischen Trägermaterial der Membran, der eine Haftung des elastischen Trägermaterials am Mitnehmer bewirkt, wird die Membran fest mit dem Mitnehmer verbunden.
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Der Mitnehmer weist vorzugsweise eine Außenfläche auf, die in Kontakt mit der Membran ist und die parallel zu einer durch die Erstreckung der Membran definierten Ebene verläuft, wobei die Struktur im Mitnehmer in der Außenfläche vorgesehen ist. Auf diese Weise sind die Strukturen in der maximalen Kontaktfläche zwischen Mitnehmer und Membran ausgebildet und können einen maximalen Fixiereffekt bewirken, zumal die Außenfläche vorzugsweise in etwa senkrecht zur Bewegungsrichtung der Membran ausgerichtet ist, also eine Stirnfläche des Mitnehmers bildet.
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In einer möglichen Variante ist die Struktur durch eine in der Außenfläche des Mitnehmers vorgesehene Ausnehmung gebildet, die senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung der Membran, also parallel zur Bewegungsrichtung der Membran, verläuft, und die sich über mehr als eine Dicke der Membran in den Mitnehmer hinein erstreckt. Vorzugsweise ist die Tiefe der Ausnehmung deutlich größer als die Dicke der Membran, z.B. das zwei- bis dreifache der Membrandicke. Das elastische Trägermaterial der Membran bildet einen die Ausnehmung zumindest im Wesentlichen ausfüllenden, stiftartigen Vorsprung, über den eine Fixierung der Membran durch Form- und Stoffschluss sowohl senkrecht zur Bewegungsrichtung als auch in Bewegungsrichtung der Membran erzielt wird.
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Der Formschluss kann, wenn die Strukturen an der Stirnfläche vorgesehen sind, quer zur Bewegungsrichtung des Mitnehmers wirken. Bevorzugt ist jedoch (auch) ein Formschluss in Bewegungsrichtung vorhanden.
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Nach einer zweiten Variante umfasst die Struktur in der Außenfläche, vorzugsweise der Stirnfläche des Mitnehmers wenigstens eine Rippe oder Rille. Die Rippe oder Rille bildet bevorzugt eine zumindest im Wesentlichen geschlossen umlaufende Kontur auf der Außenfläche des Mitnehmers.
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Diese Variante kann zusätzlich oder alternativ zu der oben beschriebenen Ausnehmung in der Außenfläche des Mitnehmers vorgesehen sein. Ist sie zusätzlich vorgesehen, so kann die umlaufende Rippe oder Rille die tiefe, mit dem stiftartigen Vorsprung gefüllte Ausnehmung konzentrisch umgeben. Vorzugsweise sind mehrere, insbesondere zwei oder drei konzentrisch angeordnete Rillen oder Rippen ausgebildet. Natürlich müssen die Rillen oder Rippen nicht umfangsmäßig geschlossen sein, sondern können auch abschnittsweise unterbrochen sein. Es wäre auch denkbar, Rillen oder Rippen in einer Kreuzgitterstruktur anzuordnen.
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Die Tiefe bzw. Höhe der Rillen oder Rippen, insbesondere an der Stirnfläche, ist vorzugsweise kleiner als die Dicke der Membran. Derartige Strukturen bewirken eine Vergrößerung der Oberfläche zwischen der Außenfläche des Mitnehmers und der Außenfläche der Membran und erhöhen den mechanischen Kontakt und den Widerstand gegen Bewegungen parallel zur Erstreckungsebene der Membran.
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Zusätzlich zu den Strukturen in seiner Außenfläche kann der Mitnehmer eine parallel zur Haupterstreckungsebene der Membran angeordnete Ausnehmung an seiner Mantelfläche aufweisen, die insbesondere als umlaufende Nut ausgebildet ist und die mit dem elastischen Trägermaterial der Membran gefüllt ist. Die Ausnehmung bildet einen Hinterschnitt im Mitnehmer bezüglich der Bewegungsrichtung, sodass die Membran zusätzlich fixiert ist. Anstelle einer umlaufenden Nut könnten auch mehrere in Umfangsrichtung beabstandete und in Radialrichtung in den Mitnehmer hineinreichende Ausnehmungen vorgesehen sein, die jeweils mit dem elastischen Trägermaterial teilweise oder vollständig gefüllt sind.
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Auf der zum Arbeitsraum gerichteten Seite der Membran ist die Gewebelage vorzugsweise von einer dickeren Schicht des elastischen Trägermaterials bedeckt als auf der zum Antriebsraum gerichteten Seite. Dies liegt darin begründet, dass ein Kontakt der Gewebelage mit dem im Membranventil geförderten Medium nach Möglichkeit vermieden werden soll. Hieraus ergibt sich jedoch die Schwierigkeit, dass auf der zum Arbeitsraum und damit zum Mitnehmer gerichteten Seite der Membran nur eine relativ geringe Menge des elastischen Trägermaterials zur Verfügung steht. Diese Menge muss jedoch ausreichen, um eine sichere Verbindung mit dem Mitnehmer herzustellen. Diese sichere Verbindung wird durch das Vorsehen der Strukturen im Mitnehmer erreicht, die während des Herstellungsprozesses im Wesentlichen vollständig mit dem elastischen Trägermaterial der Membran ausgefüllt werden und so einen Form- und Stoffschluss zwischen der Membran und dem Mitnehmer herstellen.
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Bei der Fertigung der Baugruppe aus dem Mitnehmer und der Membran wird auf einem möglichen Herstellungsweg ein Rohling aus dem elastischen Trägermaterial in eine Form eingebracht, die verstärkende Gewebelage darauf gelegt und der oder die Mitnehmer ebenfalls in die Form eingelegt. Diese Bauteile werden unter Druck und eventuell unter Temperatureinwirkung miteinander verpresst, wobei das elastische Trägermaterial durch die Gewebelage hindurchfließt und die vorgefertigten Strukturen im Mitnehmer, insbesondere in der zur Membran gerichteten Außenfläche sowie eventuell eine in Radialrichtung in den Mitnehmer hineinragenden Ausnehmung, soweit wie möglich und vorzugsweise vollständig ausfüllt.
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Das elastische Trägermaterial der Membran kann beispielsweise FFKM (Perfluorkautschuk) sein. Andere geeignete Materialien, insbesondere andere Elastomere, sind natürlich auch einsetzbar.
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Es wäre auch denkbar, den Mitnehmer aus einem porösen Material, beispielsweise einem Sintermaterial, zu fertigen und die sich zur Außenfläche hin öffnenden Poren des Materials als Strukturen zu verwenden, die während der Herstellung mit dem elastischen Trägermaterial gefüllt werden und so einen Form- und Stoffschluss bewirken. In diesem Fall kann eventuell darauf verzichtet werden, weitere Strukturen wie Rillen oder Ausnehmungen in den Mitnehmer einzubringen.
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In einer möglichen Ausführungsform ist ein Betätigungselement vorgesehen, das den Mitnehmer mit dem Antrieb koppelt, wobei das Betätigungselement einen Führungsvorsprung aufweist, der im Befestigungsbereich an der Membran und am Mitnehmer anliegt. Der Führungsvorsprung unterstützt die Membran in dem Bereich, in dem sie am Mitnehmer fixiert ist und verhindert so zusätzlich zu den Strukturen ein Lösen der Membran vom Mitnehmer, insbesondere bei hohen Mediendrücken.
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Der Befestigungsbereich und die Struktur in der Membran sind vorzugsweise einstückig mit der restlichen Membran ausgebildet, wobei es möglich ist, den Befestigungsbereich erst in einem Press- oder Spritzgussverfahren beim Einbetten der Gewebelage herzustellen und die Strukturen in der Membran durch Ausfüllen und/oder Umhüllen der vorgefertigten Strukturen am Mitnehmer zu schaffen.
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Bei dem Membranventil handelt es sich vorzugsweise um ein Magnetventil und insbesondere um ein wippenbetätigtes Magnetventil, bei dem das Betätigungselement als Wippe ausgebildet ist, die von einem Elektromagneten in zwei Endstellungen verkippt werden kann. Bevorzugt sind zwei Mitnehmer am Betätigungselement angeordnet, die jeweils einem Ventilsitz zugeordnet sind und die beide mit der einzigen Membran verbunden sind.
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Das Membranventil ist insbesondere als ein 3/2-Wege-Ventil ausgebildet, könnte aber beispielsweise auch ein 2/2-Wege-Ventil sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Membranventils;
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2 zeigt eine schematische perspektivische geschnittene Darstellung eines Ausschnitts des Membranventils aus 1;
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3 zeigt eine schematische Schnittansicht des in 2 dargestellten Ausschnitts des Membranventils;
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4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus 3;
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5 zeigt einen Mitnehmer eines erfindungsgemäßen Magnetventils gemäß 2 in einer schematischen perspektivischen Darstellung;
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6 zeigt den Mitnehmer aus 5 in einer perspektivischen geschnittenen Darstellung;
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7 zeigt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Magnetventils gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer schematischen Schnittansicht;
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8 zeigt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Magnetventils gemäß einer dritten Ausführungsform in einer schematischen Schnittansicht;
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9 zeigt einen Mitnehmer des Magnetventils aus 8 in perspektivischer Darstellung; und
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10 zeigt eine Schnittansicht des Mitnehmers aus 9; und
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11 zeigt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Magnetventils gemäß einer vierten Ausführungsform in einer schematischen Schnittansicht.
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Die 1 bis 4 zeigen ein Membranventil 10 gemäß einer ersten Ausführungsform. Das Membranventil 10 ist hier ein Magnetventil, wobei der Antrieb in 1 beispielhaft als Elektromagnet dargestellt ist. Wie in 2 zu erkennen ist, ist das Membranventil 10 in diesem Beispiel als 3/2-Wege-Ventil ausgeführt.
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Das Membranventil 10 hat ein Gehäuse 12, das mehrteilig ausgebildet ist und das ein Antriebsgehäuse 12a, ein Fluidgehäuse 12b sowie ein Aktorgehäuse 12c umfasst. Das Antriebsgehäuse 12a und das Fluidgehäuse 12b weisen einen Arbeitsraum 14 und einen Antriebsraum 16 auf, die mittels einer Membran 18 getrennt sind. Dieser Aufbau ist von Membranventilen bekannt.
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Die 2 bis 4 zeigen den in 1 unteren Abschnitt des Membranventils 10 (in dem in 1 oberen Aktorgehäuse 12c ist der nicht weiter dargestellte Aktor aufgenommen, z.B. Magnetspulen oder ein pneumatischer oder hydraulischer oder sonstiger Aktor).
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Die Membran 18 ist hier an ihrem Rand verdickt ausgebildet und in einer Nut 20 im Antriebsgehäuse 12a und im Fluidgehäuse 12b gehalten.
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Im Arbeitsraum 14 sind in diesem Beispiel zwei Ventil- oder Dichtsitze 22 im Fluidgehäuse 12b geformt, die durch Aufliegen oder Abheben der Membran 18 verschlossen oder freigegeben werden können. Jeder der Dichtsitze 22 umgibt einen Strömungskanal 24, wobei zusätzlich zwischen den beiden Dichtsitzen 22 ein weiterer Strömungskanal 24 ausgebildet ist.
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Im Antriebsraum 16, der durch die Membran 18 fluiddicht vom Arbeitsraum 14 getrennt ist, ist ein als Wippe ausgebildetes Betätigungselement 26 angeordnet, das mit zwei Mitnehmern 28 (an jedem Ende der Wippe sitzt ein Mitnehmer) versehen ist, die wiederum mit der Membran 18 in jeweils einem Befestigungsbereich 30 fest verbunden sind. Die Befestigungsbereiche 30 liegen jeweils den Dichtsitzen 22 gegenüber. Die Mitnehmer 28 sind direkt gegenüber den Dichtsitzen 22 angeordnet.
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Wird das Betätigungselement 26 durch den nicht näher dargestellten Antrieb verkippt, so löst sich die Membran 18 im Bereich eines der Mitnehmer 28 vom Dichtsitz 22 und gibt den jeweiligen Strömungskanal 24 frei, sodass eine Strömungsverbindung zu dem in der Mitte liegenden Strömungskanal 24 geschaffen wird. Anstelle der hier gezeigten 3/2-Wege-Anordnung könnte natürlich auch eine 2/2-Wege-Anordnung realisiert werden, wobei bei ansonsten identischem Aufbau einer der beiden äußeren Strömungskanäle 24 entfällt. Eine 2/2-Wege-Anordnung kann alternativ mit einem Ventilsitz ausgeführt sein, wobei dann ein Strömungskanal 24 entfällt.
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Die Membran 18 ist durch eine Gewebelage 32 verstärkt, die sich hier über die gesamte Membran 18 erstreckt. Die Gewebelage 32 besteht aus einem geeigneten temperatur- und druckbeständigen Gewebe. Sie ist in ein elastisches Trägermaterial der Membran 18 (beispielsweise FFKM oder ein anderes geeignetes Elastomer) eingebettet, wobei jedoch deutlich mehr elastisches Trägermaterial auf der zum Arbeitsraum 14 gerichteten Seite der Membran 18 als auf der zum Antriebsraum 16 gerichteten Seite vorgesehen ist. Dies stellt sicher, dass die Gewebelage 32 in keinem Fall mit dem im Arbeitsraum strömenden Medium in Kontakt kommen kann.
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Bei der hier gezeigten Ausführungsform weist das Betätigungselement 26 im Bereich jedes Mitnehmers 28 einen umlaufenden Führungsvorsprung 34 auf, der den Befestigungsbereich 30 der Membran 18 sowie den Mitnehmer 28 umfangsmäßig umgibt.
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Im Mitnehmer 28, genauer in seiner Mantelfläche, ist eine Ausnehmung 36 in Form einer geschlossen umlaufenden Nut ausgebildet, die vom elastischen Trägermaterial der Membran 18 hier vollständig ausgefüllt ist, wobei das elastische Trägermaterial einen ringförmigen Vorsprung 38 bildet, der in der Ausnehmung 36 liegt. Dies ist in 4 gut zu erkennen.
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Der Führungsvorsprung 34 reicht in Bewegungsrichtung R der Membran 18 gesehen, also senkrecht zur Haupterstreckungsebene E der Membran 18, bis über die Ausnehmung 36 und liegt sowohl am Mitnehmer 28 als auch am elastischen Trägermaterial der Membran 18 bündig an.
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Jeder Mitnehmer 28 hat eine zur Membran 18 gewandte Außenfläche 40, die eine Stirnfläche bildet und die parallel zur Haupterstreckungsebene E der Membran 18 verläuft.
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Diese Außenfläche 40 weist eine Struktur 42a auf, mit einer mittigen, zylindrischen Ausnehmung, die sich senkrecht zur Außenfläche 40 und zur Haupterstreckungsebene E der Membran 18 in das Innere des Mitnehmers 28 hinein erstreckt. In diesem Beispiel beträgt die Tiefe der Struktur 42a etwa das zwei bis dreifache der Dicke d der Membran 18 (siehe auch 5 und 6).
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Im Befestigungsbereich 30 der Membran 18 ist eine komplementäre Struktur 44a in Form eines stiftartigen Fortsatzes ausgebildet, die vollständig aus dem elastischen Trägermaterial der Membran 18 besteht und die in diesem Beispiel die Struktur 42a im Wesentlichen vollständig ausfüllt. Das elastische Trägermaterial haftet an der Innenwand der Ausnehmung der Struktur 42a und sorgt so zusätzlich für eine feste, stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Mitnehmer 28 und der Membran 18.
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Die Strukturen 42a, 44a sind komplementär zueinander und bilden sowohl einen seitlichen Formschluss als auch einen Stoffschluss.
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Die Ausnehmung 36 mit dem Vorsprung 38 sorgt für einen in Betätigungsrichtung des Mitnehmers 28 wirkenden Formschluss.
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Bei der Fertigung des Membranventils 10 wird ein Rohling aus dem elastischen Trägermaterial in eine Form eingebracht, die Gewebelage 32 darauf platziert und die Mitnehmer 28 über der Gewebelage 32 angeordnet. In einem Pressverfahren unter Druck- und Temperatureinwirkung fließt bzw. kriecht das elastische Trägermaterial durch die Gewebelage 32 und in die Struktur 42a im Mitnehmer 28 sowie in die Ausnehmung 36 im Mitnehmer 28 und füllt diese zumindest weitgehend aus. Die auf diese Weise entstehende erste Struktur 44a und der ringförmige Vorsprung 38 bleiben einstückig mit der restlichen Membran 18 verbunden. So entsteht ein Form- und Stoffschluss zwischen dem elastischen Trägermaterial der Membran 18 und dem Mitnehmer 28, und der Mitnehmer 28 wird fest mit der Membran 18 verbunden.
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7 zeigt eine zweite Ausführungsform des Membranventils 10. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform ist die Struktur 42b im Mitnehmer 28 nicht durch eine einzige tiefe Ausnehmung gebildet, sondern durch mehrere, hier drei, konzentrische Rillen in der Außenfläche 40 des Mitnehmers 28. Die Tiefe der Rillen senkrecht zur Außenfläche 40 ist kleiner gewählt als die Dicke d der Membran 18 (siehe auch 9 und 10). Die Rillen der Struktur 42b sind hier konzentrisch angeordnet. In diesem Beispiel sind die Rillen umfangsmäßig geschlossen ausgebildet, sie könnten natürlich auch unterbrochen sein. Es wäre auch möglich, andere Formen als eine Kreisform zu verwenden.
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Im Befestigungsbereich 30 der Membran 18 ist eine komplementäre Struktur 44b ausgebildet, die den Rillen entsprechende Vorsprünge aufweist, die die Rillen vollständig ausfüllen.
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8 zeigt eine dritte Ausführungsform, bei der sowohl die Struktur 42a als auch die Struktur 42b im Mitnehmer 28 und entsprechend die Strukturen 44a und 44b in der Membran 18 vorgesehen sind. Aus Platzgründen besteht die Struktur 42b hier nur aus zwei Rillen, die konzentrisch um die Ausnehmung der Struktur 42a angeordnet.
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Der zugehörige Mitnehmer 28 ist im Detail in den 9 und 10 dargestellt. 11 zeigt schließlich eine weitere Ausführungsform, bei der der Mitnehmer 28 entsprechend der 7 ausgebildet ist, wobei jedoch der Führungsvorsprung 34 entfällt. Natürlich könnte auch bei den anderen gezeigten Ausführungsformen der Führungsvorsprung 34 weggelassen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202009016447 U1 [0003]
