DE2142256A1

DE2142256A1 - Membrane aus elastomeren

Info

Publication number: DE2142256A1
Application number: DE19712142256
Authority: DE
Inventors: Otto Seidler
Original assignee: Feldmuehle Anlagen und Produktion GmbH
Current assignee: Feldmuehle Anlagen und Produktion GmbH
Priority date: 1971-08-24
Filing date: 1971-08-24
Publication date: 1973-03-08
Also published as: NL7211426A; IT962614B; FR2151371A5

Description

Anmelder: Feldmühle Aktiengesellschaft,

4 Düsseldorf-Oberkassel, Fritz-Vomfelde-Platz 4-

6«. »ES. NAT. DIPL. CHEM.

HANS UHLMANN

PATENTANWALT

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GLADBACHER STRASSE 189 ** ' ^ *» *· ^ ^W

FEKNRUF 1 50 61

Anlage zur Eingabe vom 19.8.1971
Pat/12.137

Membrane aus Elastomeren.

Die Erfindung betrifft eine Membrane aus Elastomeren in Druckausgleichsbehältern, die gasförmige von flüssigen Medien trennt und bei Änderung der Drücke ihre Form und Lage im Druckausgleichsbehälter ändert.

Druckausgleichsbehälter dienen, wie der Name sagt, dem Ausgleichen von Drücken, meist in geschlossenen Systemen, wie beispielsweise Zentralheizungen, bei denen durch unterschiedliche Erwärmungen des im Kreislauf-System geführten Mediums, also beispielsweise bei Heizungen des Wassers, dieses infolge der Erwärmung sich ausdehnt und dadurch einen höheren Druck erreicht, wenn keine Möglichkeit zur Kompensation des Volumens besteht. Um diese Volumen-Kompensation vornehmen zu können, werden seit längerer Zeit Druckausgleichsbehälter eingesetzt, die aus einem Doppelbehälter mit zwischengeschalteter elastischer Membran bestehen. Die eine Hälfte des .Doppelbehälters ist dabei mit einem Gas, in vielen Fällen Stickstoff, gefüllt, die andere Hälfte an den Kreislauf des geschlossenen Systems angeschlossen, also im Falle von Zentralheizungen beispielsweise mit Wasser beschickt. Tritt durch die Erwärmung dieses flüssigen Mediums eine Ausdehnung auf, so erhöht sich nicht der Druck im System analog der Ausdehnung des inkompressiblen flüssigen Mediums, sondern diese Ausdehnung wird durch Kompression des gasförmigen Mediums so kompensiert, daß nur eine minimale Druckerhöhung

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eintritt, die für das geschlossene System ohne Gefahr ist. Membranen für derartige Druckausgleichsbehälter bestehen aus Elastomeren, beispielsweise flexiblen Kunststoffen, wobei sie üblicherweise eine Form aufweisen, die der jeweils notwendigen Volumenbegrenzung entspricht und der Behälterforin angeglichen ist.

Sind die Drücke der Flüssigkeitsseite der Membran daBei niedrig und ist mit relativ wenig Druckschwankungen zu rech-. nen, so genügt es, die Membranen in Blasenform, wie bisher allgemein üblich, in kugelige, zylindrische oder Flachgehäuse einzubauen. Treten jedoch höhere Drücke auf, die durch größere Temperaturunterschiede der Flüssigkeit aufgrund der Volumenänderung entstehen, so ergibt sich hier leicht ein Überdehnen der Membran, was im Betrieb nach kurzer Zeit zu ihrer Zerstörung führt.

Besonders anfällig gegen die Zerstörung sind Membranen, die einem häufigen Druckwechsel unterzogen werden, da sich hier leicht Knickungen und Dehnungen in der Membran bilden, ohne daß der Verlauf dieser Knickungen und Dehnungen im voraus bestimmbar ist.

Es ist deshalb schon vorgeschlagen worden, der Membran eine bestimmte Form zu verleihen, um eine vorbestimmbare Walkform der Membran zu erreichen. Gemäß einem Vorschlag.. - Gebrauchsmuster 1 853 o48 - wird die Membranfläche so geformt, daß eine vom Umfang zum Zentrum verlaufende bogenförmige Schlaufe, die zur Flüssigkeitsseite hin offen ist, in einem zur Mitte liegenden nach der Flüssigkeitsseite hin gebogenen Teil ausläuft. Die am Umfang angeordnete Schlaufe soll dabei einen so großen Teil der Membranenfläche ausmachen, daß die Druckwirkung das Anheben der Membrane im Schlaufenteil beginnen läßt. Das Mittelteil der Membrane ist dabei zusätzlich durch Wulste und eine eingebaute Metallplatte verstärkt. Hierdurch sollen auch bei hohen Drücken Materialschäden verhindert werden.

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Bei wechselnder Druckbeaufschlagung einer Membrane der vorbeschriebenen Art ergeben sich jedoch immer noch erhebliche Nachteile, da die Membran im wesentlichen in zwei Bereichen auf Knickung beansprucht wird. Der erste auf Knickung beanspruchte Bereich ist der Randbereich, in dem die Schlaufe ansetzt, der zweite auf ~aickung beanspruchte Bereich ist das auslaufende Ende der Schlaufe beim Übergang zum verstärkten Mittelteil. In diesen beiden Bereichen tritt infolge der dauernden Knickung sehr bald eine Schädigung der Membrane ·βχη, die nach relativ kurzer Zeit zum Undichtwerden führt, so daß zunächst Gas in den Flüssigkeitsraum eintreten kann und damit die Wirkung des Ausdehnungsgefäßes beeinträchtigt und im weiteren Verlauf aufgehoben wird.

Aufgabe der Erfindung ist.es, die vorbeschriebenen Nachteile zu vermeiden und eine Membran zu schaffen, bei der keine Knickstellen.auftreten, sondern die sich durch kontinuierliches Abrollen den jeweiligen Druckverhältnissen anpaßt.

Diese technische Aufgabe wird gelöst durch eine Membran aus Elastomeren in Druckausgleichsbehältern, die gasförmige von flüssigen Medien trennt und bei Änderung der Drücke ihre Form und Lage im Druckausgleichsbehälter ändert mit dem kennzeichnenden Merkmal, daß die unbelastete Membran im Querschnitt annähernd die Form einer zweieinhalbfachen Sinuskurve aufweist., an die sich ein randseitiger Klemmwulst anschließt, wobei die Materialstärke der Membrane sich kontinuierlich vom Rand zur Mitte hin verjüngt.

Durch diese Ausbildung wird erreicht, daß bereits ein leicht ansteigender Druck eine geringfügige Verformung im mittleren Membranenbereich bewirkt, die mit stetiger Zunahme des Druckes sich genauso stetig auf die Außenbereiche der Membran fortsetzt, wobei durch die vorgegebene Sinusform gewährleistet ist, daß' keine scharfen Kanten zur Knickbildung der Membran führen.

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Die Membran rollt sich also kontinuierlich von innen nach außen ab und weist im ausgestülpten Zustand, ohne daß dabei bisher eine Materialdehnung auftritt, die form eines Hutes oder Lampenschirmes mit gewellter Krempe auf. Bei weiterer Drucksteigerung wird dann der Übergang von dem bereits ausgestülpten Mittelstück zum noch gewellten Rand ausgestülpt, wobei dieser AusstülpVorgang gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dadurch unterstützt wird, daß der Randbereich der Membrane, der sich an den Klemmwulst anschließt, konisch ausgestaltet ist.

Gemäß einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltungsform der Erfindung beträgt die Wandstärke der Membran im Randbercich das Dreifache der entsprechenden Wandstärke im Zentrum der Membran. Durch diesen erheblichen Dickenunterschied wird eine gewisse Steifheit der Membran im Randbereich erreicht, der auf Grund der relativ großen druckbeaufschlagten Fläche der stärksten Beanspruchung ausgesetzt ist, wenn die Membran, wie im Stand der Technik üblich, über ihren ganzen Querschnitt die gleiche Materialstärke aufweist oder sogar zum Rand hin verjüngt ist. Eine Druckänderung im Ausgleichsbehälter xtfirkt sich auf Grund der erfindungsgemäßen konstruktiven Ausgestaltung in jedem Fall zunächst auf das Zentrum der Membran aus und verformt dieses, da trotz der relativ kleinen Fläche des Membranzentrums auf Grund der geringen Materialstärke hier der niedrigste Widerstand gegen eine verformende Kraft vorhanden ist. Die Membrane versucht bei geringsten Drücken in ihre O-Lage (Presslage) zu kommen und unterstützt daher das Abrollen.

Als Membranenmaterial kommt jegliches Elastomer in Frage, das über die erforderliche Elastizität und Biegewechselfestigkeit verfügt. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ,iedoch als Elastomer synthetischer oder natürlicher Gummi, in it einer Shorehärte von 5 bis ^r.<^r-> Shore eingesetzt.

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Von besonders hoher Bedeutung ist; bei dei? Herstellung von Membranen die Gasundurchlassigkeit des Ausgangsmaterials. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird daher als Elastomer für die Membran ein synthetischer Gummi hoher Gasundurchlässigkeit gewählt. Außer Ithylen-Propylen-Kautschuk und Ithylen-Propylen-Terpolymer-Kautschuk kommt auch ein Oopolymerisat aus Isobutylen und Isopren in Frage. Die nachstehende Tabelle zeigt dabei die wesentliche Verbesserung der Gasundurchlässigkeit gegenüber Naturgummi. Innerhalb 2o Min. wurde der Abfall des Vakuums von 10 ^ Torr an gleichgroßen Membranen bei einer Temperatur von Jo und 5o° O gemessen. Beim Meßbeginn wurden loo Skalenteile, die 10 ^ Torr entsprechen angezeigt. Die Zahlen der Tabelle geben das Restvakuum an, wobei die höheren Zahlen ein besseres Restvakuum bezeichnen.

i ata 5 atü 1 ata 5

Luft Stickstoff Luft Stickstoff

Skalenbeile / Skalenteile / Skalenteile / Skalenteile

1) 5o 53 . 34 35

2) 51 66 46 45

3) 81 88 62 69

1) = Naturgummi

2) = Äthylen-Propylen-Terpolymer-Kautschuk

3) - Butyl ^-Kautschuk (Copolymer!sat aus Isobutylen und Isopren)

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Die Erfindung soll nachstehend an Hand der Zeichnungen beschrieben werden, wobei die Membran jeweils im Schnitt dargestellt und das Ausdehnungsgefäß als Kreisbogen angedeutet ist.

. 1 zeigt die Membran in völlig abgerolltem Zustand, d.h. vollbelastet.

Fig. 2 zeigt die Membran geringfügig entlastet,

Fig. 3 die gleiche Membran nach weiterer Teilentlastung und

Fig. 4 die Membran in der Null- bzw. Press- oder Herstellage.

Me Membran 1 wird mittels des Klemmwulstes 2 in dem durch einen Kreisbogen angedeuteten Ausdehnungsgefäß befestigt. Das Ausdehnungsgefäß weist Kugelgestalt auf und besteht aus einer oberen Halbschale 3 und. einer unteren Halbschale 4, die durch die Membran 1 voneinander getrennt sind. Die untere Halbschale 4 ist mit Gas - Stickstoff - gefüllt und bildet ein Gaspolster, das in Abhängigkeit vom Arbeitsdruck der Anlage einen Vordruck aufweist, der bei Heizungsanlagen im allgemeinen zwischen o,2 und 1,5 kp/cm liegt. Die obere Halbschale 3 weist einen nicht abgebildeten Anschluß zur Verbindung mit dem geschlossenen System einer Heizung auf, wobei, bedingt durch den statischen Druck dieses Systems auf der Flüssigkeitsseite der Membran 1, d.h. also in der oberen HalbscbäLe 3 ein von der statischen Höhe des Heiaungssystems diktierter Druck herrscht. Durch diese Druckbeaufschlagung der oberen Halbschale 3 verformt sich die Membran 1, die vor den Anschluß an das Heizungssystem nur einseitig von der unteren Halbschale 4 durch die Stickstoffüllung belastet wurde und an der oberen Halbschale 3 anlag - in Fig. 1 dargestellt - analog den Figuren 2 und J, bis zwischen Gas und Flüssigkeitsseite der Membran, also in der oberen Halbschale und der unteren Halbsch_ale 4 ein gleicher Druck herrscht.

Mit dem Anheizen der Anlage dehnt sich die Wasserfüllung im Heizsystem weiter aus» Diese Ausdehnung macht im gesamten

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System ca. 4- % aus, wodurch, die Membran 1 weiter in Richtung der unteren Halbschale 4, also der Gasseite zurückweicht und bei Betriebstemperatur die in Fig. 4 dargestellte Null- bzw. Herstellage einnimmt.

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Claims

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Anmelder: Feldmühle Aktiengesellschaft,

4 Düsseldorf-Oberkassel, Fritz-Vomfelde-Platz 4

AnIage zur Eingabe vom 19.8.1971
Pat 12.137/vB-Hx.

Patentansprüche.

l.jAus Elastomeren bestehende Membrane in Druckausgleichsbe-

^ haltern, die gasförmige von flüssigen.Medien trennt und

bei Änderung der Drücke ihre Form und Lage im Druckausgleichsbehälter ändert, dadurch gekennzeichnet, daß die unbelastete Membrane¹ im Querschnitt annähernd die Form einer zweieinhalbfachen Sinuskurve aufweist, an die sich ein randseitiger Klemmwulst anschließt, wobei die Materialstärke der Membrane*¹ sich kontinuierlich vom Rand zur Mitte hin verjüngt.
2. Membran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialstärke im Randbereich das ca.
3-fache der Materialstärke im Membranzentrum beträgt.

J. Membran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie

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im an den Klemmwulst anschließenden Randbereich sich zur Mitte hin konisch verjüngt.
4. Membran nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Elastomer ein natürlicher oder synthetischer Gummi mit einer Härte von 45 bis 55 shore eingesetzt wird.

5· Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Elastomer ein synthetischer Gummi mit hoher Gasundurchlässigkeit eingesetzt wird.

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