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Vorrichtung zum Getrennthalten zweier benachbarter
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räume mittels einer Membran Zusatz zu den Patenten 25 10 428 und 26
06 033 (Patentanmeldungen P 25 10 428.3 und P 26 06 033.3
Das Patent
25 10 428 beinhaltet ein Absperrventil mit geradlinig durchflossenen, einen schräg
zur Strömungsrichtung angeordneten Ventilsitz aufweisenden Ventilgehäuse, einer
zwischen Gehäuseunter- und Oberteil eingespannten, in ihrem mittleren Bereich als
gleichfalls schräg liegendes, von der Offen- in die Schließstellung klappenartig
schwenkbares Ventilverschlußstrick ausgebildeten Membran und einer schräg zur Strömungsrichtung
angeordneten, mit der Mitte des Ventilverschlußstckes gelenkig verbundenen Ventilspindel
mit dem merkmal, daß die Membran zwischen ihrem eingespannten Rand und dem Ventilverschlußstück
eine in der Offenstellung und Schließstellung vom Ventilsitz her gesehen rinnenförmige,
konkave Wölbung hat. Im Patent 26 06 033 ist angegeben, daß die Membran allgemein
als Vorrichtung zum Getrennthalten zweier benachbarter Räume gleichen oder verschiedenen
Druckes verwendbar ist, so als Rückschlagklappe oder Membran einer Memhranpumpe.
Auch beinhaltet dieses Patent, daß die Raumform der hergestellten Membran der vom
Betriebsdruck unbelasteten Membran in der mittleren Betätigungsstellung zwischen
oberer und unterer Endstellung entspricht. Durch die Lösungen nach den vorgenannten
Patenten, die eine Änderung des KrIt;imnungsradius der Wölbungen gestattet, aber
einen Wechsel von der konkaven in die konvexe
Wölbung vermeidet,
wird erreicht, daß die bei hekannten Meinbranschiebern und -ventilen sowie Klappen
und Membranpumpen erfolgenden Abbiegungen im Bereich des Einspannendes der Membran
sowie sonstige Verformungen vermieden werden, vor allem das zu einer schnellen Materialermiidungen
führende Springen der Membran beim Wechsel von der Konvex- in die Konkavform. Bei
den Lösungen nach den vorgenannten Patenten geht die Wölbung größerer Länge über
ein kurzes gerades Zwischenstiick in das Verschlußstück über. Dadurch können bei
extremen Belastungen an der Stelle des ftberganges des hogenförmigen Verlaufes in
den Geradteil Spannungsspitzen entstehen. Bei den vorgenannten Patenten sind die
Wölbungen der Membran von gleichbleibender nicke.
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Die vorliegende Erfindung geht von der Aufgabe aus, die Membran nach
den vorgenannten Patenten weiterhin zu verbessern, Spannungsspitzen am Ubergang
des bogenförmigen Verlaufes in dem vorgenannten geraden Teil am VerschluBstfick
mit Sicherheit zu vermeiden und über die Länge der Wölbungen der Membran eine gleichbleibende
Zugbeanspruchung zu gewährleisten.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zum Getrennthalten
zweier benachbarter Räume gleichen
oder verschiedenen Druckes mittels
einer Membran aus elastischem oder biegsamen Material, z.n. C,ummi oder Kunststoff,
wobei die Membran zwischen Gehäuseunter-und -oherteil eingespannt, in ihrem mittleren
Bereich als schrägliegendes, von der oberen in die untere Endstellung klappenartig
schwenkbares Verschlußstück ausgebildet ist und die Membran zwischen ihrem eingespannten
Rand und dem Verschlußstück eine - im Querschnitt von unten her gesehen - in der
oberen und unteren Endstellung und in jeder Zwischenstellung ringsumlaufende rinnenförmige,
konkave Wölbung hat, erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Wölbungen in allen Stellungen
der Membran bogenförmig in das Verschlußstück übergehen. Da somit ein cr'eradliniges,
wenn auch kurzes Zwischenstück fehlt, werden Spannungsspitzen, die durch den tlbergang
des bogenförmigen Laufes in einen geraden Teil entstehen könnten, vermieden.
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Die erfindungsgemäße Lösung macht es auch möglich, eine als Rückschlagklappe
verwendete Membran in allen Lagen einzubauen. Bisherige Membran-Rückschlagklappen
konnten bei senkrechtem Einbau nur in einer R Pntung eingebaut werden, damit die
Klappe bei einer Strömungsgeschwindigkeit von Null schließt hzw. das Schließen nicht
erst bei umgekehrter Strömungsrichtung erfolgt und dadurch ein Druckstoß entsteht.
Durch den Vorschlag nach der
Erfindung, daß die Wölbungen in allen
Stellungen der Membran bogenförmig in das Ventilschlußstück übergehen, erhält die
Membran ein wesentliches Rückstellmoment, welches bewirkt, daß das eigentliche Verschlußstück,
gleichgültig in welcher Lage die Membran als Klappe eingebaut ist, schon bei der
Strömung Null am Gehäusesitz anliegt und somit bei der Umkehrung der Strömung keine
nruckstöße auftreten. Mit anderen t'rten kann auch dargelegt werden, daß die Rückschlagklappe
bei Abnehr'en der Strömungsgeschwindigkeit allmählich unter der Einwirkung der elastischen
Membranbögen schließt.
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Rei der Pückschlagklappe entspricht die Raumform der vulkanisierten
Membran der Raumform der angewendeten Membran in der Schließstellung.
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In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, daß
die Materialdicke der Wölbungen der Membran in Richtung vom Einspannrand zum Verschlußstuck
ständig zunimmt. Dieser Vorschlag geht von der Erkenntnis aus, daß bei der unter
Betriebsdruck stehenden Membran der innere, mit dem Verschlußstück verhundene Rand
und der äußere, zwischen Ventilgehäuse und Deckel eingespannte Rand unter gleichem
Druck stehen, der innerhalb des Materials zu einer Zugbeanspruchung fiihrt. Dabei
sind die auf den kleineren inneren und
den größeren Einspannrand
einwirkende Kräfte gleich groß.
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Daraus folgt, daß die Zugbeanspruchung pro Flächeneinheit am äußeren
Einspannrand am kleinsten und am inneren Einspannrand am größten ist. Bei gleicher
Dicke der Membran im gesamten Membranringbereich wird die Membran daher in der Nähe
des inneren Einspannrandes stärker beansprucht als außen.
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Durch den Vorschlag, daß die Materialdicke der Wölbungen der Membran
in Richtung vom Einspannrand zum Verschlußstück ständig zunimmt, wird eine gleichmäige
Beanspruchung der Membran über den gesamten Logenförmigen Membranringbereich erreicht.
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Der erfindungsgemäße Vorschlag, daß die Materialdicke der Wölbungen
der Membran in Richtung vom Einspannrand zum Verschlußstück ständig zunimmt, führt
zugleich dazu, daß eine bei den bisherigen Membranen notwendige nachteilige Abstützung
der Membran am inneren Einspannbereich wegfällt. Eine AbstÜtzung der Membran, wie
sie sich z.B. aus der US-PS 2 953 346 ergibt, ist nachteilig, weil diese zu einem
Mehraufwand führt und auch bei der Betätigung der Membran durch Reibung zwischen
Abstützung und Membran zu einem Abrieb an der Membran und somit zu
deren
Beschädigung.
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Der erfindungsemße Vorschlag der zunehmenden Wanddicke der P1embranwölbung
in Richtung von außen nach innen ist bei bekannten Membranen nicht möglich, da diese
bei ihrer Betätigung von der Offen- in die Schließstellung und umgekehrt starken
Formänderungen unter,-orfen sind.
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Sofern die Wölbung der bekannten Membranen in der Wanddicke verändert
würden, dann würde die Änderung der Wanddicke die Bewegung der Membran unmöglich
machen bzw. zu einem sehr kurzfristigen Unbrauchbarwerden der Membran führen.
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Die zunehmende Wanddicke der Wölbungen der Membran in Richtung von
außen nach innen führt auch dazu, daß im Querschnitt gesehen, jeder beliebig herausgegriffene
Bogen über den gesamten bogenförtigen Verlauf eine gleich große Stabilität hat.
Wird somit die Membran unmittelbar von außen, heispielsweise durch Luft oder durch
eine Flüssigkeit, beaufschlagt, so wird der bogenförmige Verlauf an keiner Stelle
gestört oder verändert. Insbesondere tritt nicht das Phänomen ein, daß die Membran
sich einbeult.
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Bisherige Membrane in Armaturen mit freiem nurchgang
können
nicht mit einem Steuerdruck unmittelbar, sondern nur in Verbindung mit einer Zusatzkraft
in Gestalt eines Kraftkolhens gesteuert werden, weil zur Betätigung eine große Kraft
erforderlich ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung der zunehmenden Wanddicke macht es jedoch
möglich, ein äußerst einfaches 15erEranventil mit freiem Durchgang mit einer unmitte]bar
beaufschlagten Membran zu schaffen. Das Membranventil öffnet unter der Einwirkung
des Betriebsdruckes und schließt durch den unmittelbar auf die Membran einwirkenden
Steuerdruck, der lediglich 1 bar ihrer dem Betriebsdruck zu liegen hraucht.
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Der Vorschlag, daß die blaterialdicke der Wölbungen der Membran in
Richtung vom Einspannrand zum Verschlußstück ständig zunimmt, erhöht auch das Rückstellmoment,
das in Verbindung mit dem Vorschlag, daß die Wölbungen in allen Stellungen der Membran
bogenförmig in das Verschlußstück übergehen, in Verbindung mit der Membran als Rückschlagklappe
angegeben wurde.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen anhand dereier Anwendungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen vertikalen Schnitt durch
ein Ahsperrventil, Figur 2 die Membran als klappenventil in einem Gehäuse in Seitenansicht
und im Schnitt, Figur 3 einen vertikalen Schnitt durch ein durch Steuerdruck betätigtes
Absperrventil, Figur 4 die Membran in der Offenstellung, Figur 5 die Membran in
der Mittelstellung, Figur 6 die Membran in der Schließstellung.
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Das Phperrvontil nach Fig. 1 besteht aus dem Ventilgehäuseunterteil
10 und dem Deckel 11. Zwischen Gehäuseunterteil 10 und Deckel 11 ist der umlaufende
Rand 12 der Membran 13 eingespannt, und zwar wider Schrauben 14.
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Die Membran 13 hat ein Ventilverschlußstück 15, das in der Schließstellung
der Membran an dem ringsumlaufenden kreisrunden Ventilsitz 16 des Gehäuseunterteils
10 anliegt. Im Inneren des Ventilverschlußstückes 15 ist eine aus Metall bestehende
Armierung 17 vorhanden, die zwei aus dem Verschlußstück nach oben herausragende
Gabeln 18 hat, die über einen Zapfen oder dergleichen
Bolzen 19
dit der Ventilspindel 20, die das liandrad 21, aufweist, verbunden sind. Die Membran
13 hat im Bereich zwischen ihrem eingespannten Rand 12 und den in der Mitte der
membran schräg zur Einspannebene angeordneten Verschlußsttick 15, 17 ringsum laufend
eine in der Offenstellung und Schließstellung nach Fig. 1 vom Ventilsitz 16 her
gesehen eine zur Spindel gerichtete rinnenförmige, konkave Wölbung 22 in Gestalt
einer im Schnitt ersichtlichen Schlaufe. Die Membran erleidet somit bei ihrer Betätigung
von der Schließstellung in die Offenstellung hzw. umgekehrt keine grundsätzliche
Snderung ihrer Raumform, so daß sie formgetreu ist.
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Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Membran als Riickschlagklappe ausgebildet
in einem Gehäuse 10. Bei dieser Rückschlagklappe wird die Ausgangsform der Membran
vorteilhaft so gewählt, daß diese der Gestalt in der Schließstellung entspricht.
In den Wölbungen 22L und 22R sind fensterartige strömungsgiinstige nurchbrechungen
23 und 24 vorhanden, die die Aufgabe haben, bei einer zu Fig. 2 angenommenen üblichen
Strömungsrichtung 25 durch den Gegendruck in Richtung 26 eine Beaufschlagung der
Klappe auch von oben im Raum zwischen Membran und Deckel 11 zu erreichen. Zugleich
haben sie die Aufgabe,
eine allzeitige urisphlung der Membran und
einen Druckausgleich zwischen Membran 13 und Deckel 11 zu bewirken.
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Fig. 3 zeigt eine durch Druckeinwirkung gesteuerte Membran. Dazu wird
in den Raum 27 oberhalb der Membran über die Leitung 28 ein Steuerdruck eingebracht,
der das Ventil gegen die Kraft der Strömung in Richtung 30 d.h. den Betriebsdruck,
schließt. Sofern der Betriebsdruck, z.B. 4 har ist, genügt zum Schließen der Membran
ein Steuerdruck von 5 bar.
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Figur 4 zeigt die Membran in der Offenstellung. Die Wölbung 22 R geht
in gleicher Weise wie die Wölbung 22L bogenförmig in das Verschlußstück 17 einer.
Die Wandungen der Wölbungen 22L und 22R haben ausgehend vom Einspannrand 12 aus
in Richtung zum Verschlußstück 17 eine zunehmende Dicke, wobei die Materialdicke
D an dem Verschlußstück 17 etwa doppelt so groß ist wie die Materialdicke d am Einspannrand.
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Fig. 5 zeigt die Mittelstellung der Membran und zugleich, sofern sie
in einem Absperrventil oder einer Meinbranpumpe Anwendung findet, die Raumform bei
der Herstellung. Der Mittelpunkt M der äußeren Wölbung mit dem Radius R ist im Mittelpunkt
der Membran näher als der Mittelpunkt m des Radius r der inneren kreisrunden Wölbung.
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L e e r s e i t e