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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung umfassend einen Regler mit Überdrucksicherung.
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Regelventile sind mit pneumatischen oder hydraulischen Antrieben verfügbar. Um das Regelventil zu öffnen oder zu schließen wird ein Medium (z.B. ein Gas oder einer Flüssigkeit) auf einen Membranteller geleitet. Zur Abdichtung des Membrantellers wird eine umlaufende Membran verwendet, welche als bewegliche Dichtung zwischen einem Reglergehäuse und dem Membranteller fungiert und einen luftdichten Abschluss ermöglicht, um das Regelventil zu steuern.
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Überdruck in einem Regler insbesondere in dem Regelventil kann ein Problem darstellen, da er die darin enthaltene Membran, die eine entscheidende Komponente des Reglers ist, beschädigen kann. Die Membran ist dafür verantwortlich, den Durchfluss des Mediums durch den Regler zu regulieren. Wenn der Druck zu hoch wird, kann die Membran reißen oder der Membranteller kann sich verformen, was dazu führt, dass der Regler nicht mehr richtig funktioniert. Auch kann ein Überdruck Schäden am Regelventil, durch zu hohe Kräfte, zwischen einem Ventilglied und einem zugehörigen Ventilsitz verursachen. Dies kann zu unkontrolliertem Durchfluss, Leckagen und im schlimmsten Fall zu einem Systemausfall des Reglers führen. Daher ist es wichtig, einen schädlichen Überdruck zu vermeiden oder zumindest sicher zu handhaben, um die Langlebigkeit und Effizienz des Reglers und des gesamten Systems zu gewährleisten.
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Das Ventilgehäuse umfasst ein Einsatzelement, durch welches die Ventilstange und das Ventilglied entlang einer Längsachse geführt werden.
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Ein entsprechender Regler muss so konzipiert sein, dass er einen Überdruck sicher beherrschen kann, um Schäden am Regler selbst und an angeschlossenen Geräten oder Systemen zu verhindern und die Sicherheit des Betriebs zu gewährleisten.
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Die
EP2895776B1 beschreibt einen Regler ohne Hilfsenergie mit einer Überlastsicherung einer Druckkammer des Membranantriebes. Dieses Überdruckventil befindet sich in einer Öffnung des Membrangehäuses und entlüftet in die Atmosphäre.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche die Probleme im Stand der Technik auf der Suche nach einem geschlossenen System löst. Die Erfindung stellt hierbei eine bedeutende Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar und bietet eine effektive Lösung für die Herausforderungen, die mit dem Management von Überdruck in verschiedenen Anwendungen verbunden sind.
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Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen können beispielsweise den Unteransprüchen entnommen werden. Der Inhalt der Ansprüche wird durch ausdrückliche Inbezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Ein Gegenstand der Erfindung ist ein Regler mit Überdrucksicherung, umfassend ein Ventilgehäuse, wobei das Ventilgehäuse eine Einlasskammer und eine Auslasskammer umfasst, sowie einen in dem Ventilgehäuse angeordneten Ventilsitz welcher zwischen der Einlasskammer und der Auslasskammer angeordnet ist, und einen mit dem Ventilsitz zusammenwirkenden Ventilglied. Sowie einen Membranantrieb, der eine Membran, eine erste Arbeitskammer und eine zweite Arbeitskammer umfasst. Wobei die erste Arbeitskammer und die zweite Arbeitskammer durch die Membran voneinander getrennt sind. Wobei der Membranantrieb über eine Ventilstange mit dem Ventilglied verbunden und dazu ausgebildet ist, um das Ventilglied zu bewegen um zwischen dem Ventilglied und dem Ventilsitz eine einstellbare Drosselstelle zu bilden, wobei die Membran zur Bildung einer Überlastsicherung zwischen einer Andruckhülse und einem Befestigungselement gehalten wird.
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Die Längsachse in Bezug auf die Ventilstange ist die Linie, die vom oberen zum unteren Ende der Stange verläuft. Sie ist die Hauptachse der Ventilstange und bestimmt die Richtung, in der die Stange bewegt wird, um das Ventil zu öffnen oder zu schließen. Die Bewegung entlang dieser Längsachse ermöglicht es der Ventilstange, die Position des Reglers zur Einstellung der Drosselstelle zu steuern und somit den Durchfluss eines Mediums durch das Ventil zu regulieren. Das Medium kann hierbei ein Gas oder eine Flüssigkeit sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind das Ventilglied und die Ventilstange variabel zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position zur Einstellung der Drosselstelle entlang der Längsachse verschiebbar.
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Der Regler kann zwei Extrempositionen aufweisen. Die erste Position als vollständig geöffnete Position und die zweite Position als vollständig geschlossene Position.
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In der ersten Position ist der Regler vollständig geöffnet, was den maximalen Durchfluss des Mediums durch den Regler ermöglicht. Dies wird oft erreicht, indem die Ventilstange in eine Richtung bewegt wird um den Regler zu öffnen.
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In der zweiten Position ist der Regler vollständig geschlossen, was den Durchfluss des Mediums durch den Regler vollständig stoppt. Dies wird erreicht, indem die Ventilstange in die entgegengesetzte Richtung bewegt wird, um den Regler zu schließen. In der zweiten Position steht das Ventilglied mit dem Ventilsitz in Eingriff, so dass die Einlasskammer von der Auslasskammer getrennt ist. Die Ventilstange wird hierzu in positive Y-Richtung bewegt, so dass sich das Ventilglied in Richtung des Ventilsitzes bewegt. Die Y-Richtung wird bei dem Erfindungsgemäßen Regler als vertikale Achse bezeichnet.
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Der Regler kann auch in Positionen zwischen diesen beiden Extremen betrieben werden, um den Durchfluss des Mediums oder Prozessfluides zu regulieren. Die genaue Position Reglers in diesem Bereich wird durch den Bedarf an Durchflusssteuerung in der spezifischen Anwendung bestimmt.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann die Membran je nach Anforderung jeweils aus unterschiedlichen Elastomeren ausgebildet sein. Die Elastomere können hierbei mit unterschiedlichen Eigenschaften ausgestaltet sein. Für pneumatische Antriebe kann die Membran aus Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR) ausgebildet sein. NBR ist vergleichsweise kostengünstig und ölbeständig. Diese Eigenschaften reichen für sehr viele Anwendungen aus. Bei Reglern ohne Hilfsenergie (ROH) wird die Stellkraft nicht mit Druckluft aus der Pneumatik übertragen, sondern direkt aus dem fließenden Medium gewonnen. Solche Regler werden unter anderem in Dampfkreisläufen von Kraftwerken eingesetzt, in denen Temperaturen deutlich über dem Siedepunkt vorherrschen. Hier kann für die Membran Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) verwendet werden. EPDM ist unempfindlich gegen Dampf und heißes Wasser.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Befestigungselement zumindest ein elastisches Element und/oder ein Sicherungselement. Bei einer Ausführung ohne Sicherungselement kann durch eine mechanische Verformung der Andruckhülse das elastische Element in Position gehalten werden. Das Befestigungselement kann zusätzlich einen Membranteller umfassen. Die Membran kann hierbei zwischen dem Membranteller und den Ventilgehäuse angeordnet sein und/oder die Membran kann zwischen der Andruckhülse und dem Membranteller angeordnet sein. Der Membranteller kann als Auflagefläche für das elastische Element genutzt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das elastische Element als Tellerfeder ausgebildet. In einer vorteilhaften Ausgestaltung erstreckt sich die Tellerfeder um die Längsachse.
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Eine Tellerfeder ist eine spezielle Art von Feder, die sich durch ihre Form und ihre spezifischen Eigenschaften auszeichnet. Sie kann die Form eines flachen, konischen Rings aufweisen. Die Tellerfeder kann aus einem widerstandsfähigen Material insbesondere aus Stahl gefertigt werden.
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Die Tellerfeder kann dafür verwendet werden Kräfte aufzunehmen und zu speichern. Sie kann eine erhebliche Menge an Energie in einem kleinen Raum speichern und diese Energie dann freisetzen, wenn sie benötigt wird. Hierdurch kann eine kompakte Bauform des Reglers erreicht werden.
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Die Tellerfeder kann einen flachen oder konischen oder schalenförmigen Metallring umfassen. Die Mitte der Feder kann mit einem Loch versehen sein, so dass sie auf einer Welle, einem Bolzen oder einer ähnlichen Struktur montiert werden kann.
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Die spezifische Form und Größe der Tellerfeder kann je nach Regler variieren. Die Tellerfeder kann mehrgliedrig ausgestaltet sein und mehrere Tellerfedern umfassen. Entweder in der gleichen Ausrichtung (um die Federkraft zu erhöhen) oder in entgegengesetzter Ausrichtung (um eine geringere Gesamtfederkonstante und einen größeren Federweg zu erreichen).
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Membran entlang der Längsachse gegen das elastische Element verspannt. Hierdurch kann die Membran gegenüber der Andruckhülse geklemmt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung, umfasst die Andruckhülse eine Dichtfläche die in Richtung der Membran zeigt, wobei die Membran auf dieser Dichtfläche aufliegt. Die Dichtwirkung zwischen der Membran wird durch die Klemmwirkung des elastischen Elementes auf die Membran gegenüber der Andruckhülse erzeugt.
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Ergänzend oder alternativ weist die Andruckhülse eine radial umlaufende Erhöhung auf, die in Richtung der Membran zeigt, wobei die Membran auf dieser umlaufenden Erhöhung aufliegt und/oder gegen diese verspannt ist. Die radial umlaufende Erhöhung bzw. die hieraus entstehende Kreisbahn können rechtwinklig zur Längsachse verlaufen und ergänzend oder alternativ diese umschießen. Die radial umlaufende Erhöhung kann auf einer kreisförmigen Fläche der Andruckhülse angeordnet sein, welche Ebenfalls in Richtung der Membran zeigt. Die Kreisförmige Fläche kann der Dichtfläche entsprechen, wobei die kreisförmige Fläche Größer als die Dichtfläche ausgestaltet sein kann. Die Dichtfläche ist die Kontaktfläche zwischen der Andruckhülse und der Membran. Die Dichtfläche kann kreisförmig oder rechteckig ausgestaltet sein. Ergänzend oder alternativ ist auch eine gewellte Außenkontur möglich.
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Ergänzend oder alternativ kann die Andruckhülse insbesondere die Dichtfläche konisch in Richtung der Längsachse und in Richtung der Membran verlaufen, wobei die Membran auf diesem konischen Bereich zumindest teilweise aufliegt. Die kreisförmige Fläche der Andruckhülse kann hierzu einen äußeren Rand umfassen. Dies Bedeutet, dass eine Höhe der kreisförmigen Fläche von dem äußeren Rand in Richtung der Längsachse in Y-Richtung zunimmt. Im vertikalen Schnitt durch die Andruckhülse kann sich im Bereich der horizontalen Fläche mit konischem Verlauf ein Dreieck bzw. ein Kegelstumpf ergeben. Durch Verwendung der verschiedenen Möglichkeiten kann die Dichtwirkung auf den jeweiligen Anwendungsfall adaptiert werden.
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Die Membran kann durch das elastische Element gegen die Dichtfläche und/oder die radial umlaufende Erhöhung und/oder den Konus gedrückt bzw. gegen diese verspannt werden, wobei sich die radial umlaufende Erhöhung und/oder der Konus in die Membran eindrückt und als Dichtkante fungiert. Die Membran kann hierbei auf der Andruckhülse insbesondere auf der kreisförmigen Fläche aufliegen. Durch die auf der Andruckhülse aufliegende Membran kann zusätzlich zur Dichtkante eine Dichtfläche gebildet werden. Durch die Dichtfläche und/oder die Dichtkante wird die erste Arbeitskammer gegenüber der zweiten Arbeitskammer abgedichtet. Dichtfläche oder Dichtfläche bedeutet, dass zwischen der Membran und der Andruckhülse im verspannten Zustand der Membran kein oder nur wenig des zum Betrieb des Reglers verwendeten Mediums zwischen den Arbeitskammern insbesondere von der ersten Arbeitskammer in die zweite Arbeitskammer entweichen kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das elastische Element so ausgebildet, dass die Membran bei einer Druckerhöhung in der ersten Arbeitskammer in Richtung des elastischen Elements bewegt wird, wobei das elastische Element komprimiert wird und ein Spalt zwischen der radial umlaufenden Erhöhung und/oder der kreisförmigen Fläche und der Membran freigegeben wird. Hierdurch kann ein Medium von der ersten Arbeitskammer in die zweite Arbeitskammer entweichen, wodurch der Druck in der ersten Arbeitskammer verringert wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung verläuft der Spalt zur Druckverringerung zwischen der Andruckhülse und der Membran sowie dem Befestigungselement. In anderen Worten kann ein horizontaler Spalt zwischen der Membran und der Andruckhülse ausgebildet werden und ein vertikaler Spalt zwischen der Membran und der Andruckhülse sowie dem Befestigungselement.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung, ist die Membran in Draufsicht kreisförmig ausgestaltet, wobei die Membran an ihrem äußeren Randbereich in einer in Draufsicht kreisförmigen Ausnehmung des Ventilgehäuses angeordnet ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zwischen dem Einsatzelement und dem Befestigungselement des Membranantriebes eine Sollwertfeder angeordnet. Die Sollwertfeder kann gegen das Einsatzelement auf einer ersten Seite gelagert sein. Auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite kann die Sollwertfeder mit einem Adapterelement gegenüber der Andruckhülse gelagert sein.
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Die Sollwertfeder in einem Regler kann zur initialen Justierung des Durchflusses durch Regler benutzt werden. Sie ist ein integraler Bestandteil des Stellmechanismus, das den Ventilhub über die Ventilstange steuert.
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Die Sollwertfeder kann vorgespannt werden, um einen bestimmten Druck oder Durchfluss (den „Sollwert“) einzustellen. Wenn der tatsächliche Druck oder Durchfluss (der „Istwert“) vom Sollwert abweicht, führt dies zu einer Bewegung der Ventilstange, welche die Position des Ventilgliedes ändert, um den Durchfluss durch die Drosselstelle zu erhöhen oder zu verringern und so den Sollwert wiederherzustellen.
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Die Sollwertfeder ermöglicht es also, den Durchfluss durch die Drosselstelle präzise zu steuern und auf Veränderungen im System zu reagieren, um eine konstante Leistung zu gewährleisten.
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Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1: einen Regler in Schnittdarstellung; sowie
- 2: einen Regler in Schnittdarstellung mit Fokus auf den Membranantrieb mit geschlossener Überdrucksicherung; sowie
- 3: einen Regler in Schnittdarstellung mit Fokus auf den Membranantrieb mit geöffneter Überdrucksicherung.
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1 zeigt einen Regler 100 mit Überdrucksicherung in Schnittdarstellung. Der Regler 100 umfasst ein Ventilgehäuse 110, wobei das Ventilgehäuse 110 eine Einlasskammer 120 und eine Auslasskammer 130 umfasst. Das Ventilgehäuse 110 umfasst weiter einen in dem Ventilgehäuse 110 angeordneten Ventilsitz 140 welcher zwischen der Einlasskammer 120 und der Auslasskammer 130 angeordnet ist. Sowie einen mit dem Ventilsitz 140 zusammenwirkenden Ventilglied 141. Sowie einen Membranantrieb 150, der eine Membran 153, eine erste Arbeitskammer 151 und eine zweite Arbeitskammer 152 umfasst, wobei die erste Arbeitskammer 151 und die zweite Arbeitskammer 152 durch die Membran 153 voneinander getrennt sind. Wobei der Membranantrieb 150 über eine Ventilstange 170 mit dem Ventilglied 141 verbunden und dazu ausgebildet ist, um das Ventilglied 141 zu bewegen um zwischen dem Ventilglied 141 und dem Ventilsitz 140 eine einstellbare Drosselstelle 142 zu bilden. Das Ventilgehäuse 110 umfasst ein Einsatzelement 180, durch welches die Ventilstange 170 und das Ventilglied 141 entlang einer Längsachse 200 geführt werden.
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Das Ventilglied 141 und die Ventilstange 170 sind variabel zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position zur Einstellung der Drosselstelle 142 entlang der Längsachse 200 verschiebbar.
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In der ersten Position ist der Regler 100 vollständig geöffnet, was den maximalen Durchfluss eines Mediums oder Prozessfluides durch den Regler 100 ermöglicht. Dies wird oft erreicht, indem die Ventilstange 170 in eine Richtung bewegt wird um das Ventil zu öffnen.
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In der zweiten Position ist der Regler 100 vollständig geschlossen, was den Durchfluss des Mediums oder Prozessfluides durch den Regler 100 vollständig stoppt. Dies wird erreicht, indem die Ventilstange 170 in die entgegengesetzte Richtung bewegt wird, um den Regler 100 zu schließen. In der zweiten Position steht das Ventilglied 140 mit dem Ventilsitz 140 in Eingriff, so dass die Einlasskammer 120 von der Auslasskammer 130 getrennt ist.
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Der Regler 100 kann auch in Positionen zwischen diesen beiden Extremen betrieben werden, um den Durchfluss des Mediums oder Prozessfluides zu regulieren. Die genaue Position Reglers 100 in diesem Bereich wird durch den Bedarf an Durchflusssteuerung in der spezifischen Anwendung bestimmt.
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Die Membran 153 zur Bildung einer Überlastsicherung zwischen einer Andruckhülse 154 und einem Befestigungselement 160 gehalten wird. Das Befestigungselement 160 umfasst zumindest ein elastisches Element 161 und ein Sicherungselement 162 sowie einen Membranteller 163. Das elastische Element 161 ist als Tellerfeder ausgebildet, welche die Ventilstange 170 umgibt. Die Membran 153 ist entlang der Längsachse 200 gegen das elastische Element 161 verspannt.
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Die Sollwertfeder 190 ist gegen das Einsatzelement 180 auf einer ersten Seite gelagert. Auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite ist die Sollwertfeder 190 mit einem Adapterelement gegenüber der Andruckhülse 154 gelagert. Die Sollwertfeder 190 dient zur Vorspannung des Membranantriebs 150 auf einen zu regelnden Sollwert. Die Membran 153 schwingt dann um diesen Sollwert wodurch das Ventilglied 141 bewegt wird.
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Die Andruckhülse 154 umfasst eine Dichtfläche 156, welche in Richtung der Membran 153 zeigt, wobei die Membran 153 auf dieser Dichtfläche aufliegt.
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Die Andruckhülse 154 umfasst weiter eine radial umlaufende Erhöhung 155, die in Richtung der Membran 153 zeigt, wobei die Membran 153 auf dieser umlaufenden Erhöhung 155 aufliegt. Die radial umlaufende Erhöhung 155 drückt sich hierbei in die Membran 153 ein. So dass die Membran auf der Andruckhülse 154 aufliegt. Hierdurch wird eine Dichtkante bzw. eine Dichtebene erreicht. Diese verschließt Spalt 164 zwischen der radial umlaufenden Erhöhung 155 bzw. der Andruckhülse 154 und der Membran 153.
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Die Membran 153 ist in Draufsicht kreisförmig ausgestaltet, wobei die Membran 153 an ihrem äußeren Randbereich in einer in Draufsicht kreisförmigen Ausnehmung des Ventilgehäuses 110 angeordnet ist. Ohne Überdrucksicherung kann es bei einem Überdruck in der ersten Arbeitskammer 151 zu einer Beschädigung der Membran 153 im äußeren Randbereich der Membran 153 kommen.
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2 zeigt einen Regler 100 mit Überdrucksicherung in Schnittdarstellung mit Fokus auf den Membranantrieb 150 mit geschlossener Überdrucksicherung.
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Die Andruckhülse 154 umfasst eine radial umlaufende Erhöhung 155, die in Richtung der Membran 153 zeigt, wobei die Membran 153 auf dieser umlaufenden Erhöhung 155 aufliegt. Die Membran 153 wird durch das elastische Element 161 gegen die radial umlaufende Erhöhung 155 gedrückt, wobei sich die radial umlaufende Erhöhung 155 in die Membran 153 eindrückt. So dass die Membran auf der Andruckhülse 154 insbesondere auf der Dichtfläche 156 aufliegt. Hierdurch wird die erste Arbeitskammer 151 gegenüber der zweiten Arbeitskammer 152 abgedichtet und der Spalt 164 geschlossen.
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Das Sicherungselement 162 verhindert ein Verrutschen des elastischen Elements 161 welches als Tellerfeder ausgebildet ist in Richtung der Drosselstelle 142. Das elastische Element 161 drückt somit in Richtung des darunterliegenden Membrantellers 163 welcher als mechanische Wiederlager ausgebildet ist. Die Membran 153 ist zwischen dem Membranteller und der Andruckhülse 154 gespannt wodurch eine Dichtwirkung erzeugt wird.
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3 zeigt einen Regler 100 mit Überdrucksicherung in Schnittdarstellung mit Fokus auf den Membranantrieb 150 mit geöffneter Überdrucksicherung.
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Das elastische Element ist so ausgebildet, dass die Membran 153 bei einer Druckerhöhung in der ersten Arbeitskammer 151 in Richtung des elastischen Elements 161 bewegt wird. Hierbei wird das elastische Element 161 komprimiert und der Spalt 164 zwischen der radial umlaufenden Erhöhung 155, der Dichtfläche 156 und der Membran 153 wird freigegeben. Dadurch kann ein Prozessfluid von der ersten Arbeitskammer 151 in die zweite Arbeitskammer 152 entweichen kann, wodurch der Druck in der ersten Arbeitskammer 151 verringert wird.
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Der Spalt 164 zur Druckverringerung verläuft zwischen der Andruckhülse 154 und dem Befestigungselement 160 sowie der Membran 153.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Im Rahmen der Erfindung sind alle beschriebenen und/oder gezeichneten Merkmale beliebig miteinander kombinierbar, sofern nicht etwas Gegenteiliges angegeben ist.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 100
- Regler
- 110
- Ventilgehäuse
- 120
- Einlasskammer
- 130
- Auslasskammer
- 140
- Ventilsitz
- 141
- Ventilglied
- 142
- Drosselstelle
- 150
- Membranantrieb
- 151
- Erste Arbeitskammer
- 152
- Zweite Arbeitskammer
- 153
- Membran
- 154
- Andruckhülse
- 155
- Erhöhung
- 156
- Dichtfläche
- 160
- Befestigungselement
- 161
- Elastisches Element
- 162
- Sicherungselement
- 163
- Membranteller
- 164
- Spalt
- 170
- Ventilstange
- 180
- Einsatzelement
- 190
- Sollwertfeder
- 200
- Längsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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