DE2727993C2 - Vorrichtung zum Getrennthalten zweier benachbarter Räume mittels einer Membran - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Getrennthalten zweier benachbarter Räume gleichen oder verschiedenen Druckes mittels einer Membran aus elastischem oder biegsamem Material, mit oder ohne Gewebeeinlage, zum Beispiel Gummi oder Kunststoff, wobei die Membran zwischen Gehäuseunter- und -oberteil eingespannt, in ihrem mittleren Bereich als schrägliegendes, von der oberen in die untere Endstellung klappenartig schwenkbares Verschlußstück ausgebildet ist und 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 Wölbungen hat, nach Patent P 25 10 428, wobei nach Patent P 26 06 033 ringsumlaufend die örtlichen Bogenlängen (b) der Wölbung (22) unverändert bleiben, und die Raumform der hergestellten Membran der vom Betriebsdruck unbelasteten Membran in der mittleren Betätigungsstellung zwischen oberer und unterer Endstellung entspricht.

Geeenstand des Patents P 25 10 428 ist ein Absperrventil mit geradlinig durchflossenem, einen schräg zur Strömungsrichtung angeordneten Ventilsitz aufweisenden Ventilgehäuse, einer zwischen Gehäuseuntsr- und -oberteil eingespannten, in ihrem mittleren Bereich als gleichfalls schrägliegendes, von der Offen- in die Schließstellung klappenartig schwenkbares Ventilverschlußstück ausgebildeten Membran und mit einer schräg zur Strömungsrichtung angeordneten, mit der Mitte des Verschlußstückes gelenkig verbundenen Ventilspindel.

Mit dem Patent P 25 10 428 werden Nachteile und technische Grenzen bekannter Membranarmaturen überwunden.
Gegenstand des hierzu erteilten Zusatzpatentes P 26 06 033 ist eine weitere Verbesserung der Strömungsverhältnisse und eine noch weitergehende Verringerung der Beanspruchung der Membran unter Vermeidung von Stauchungen, Abbiegungen oder Rollbewegungen, was durch eine Ausgestaltung der eingangs genannten Art gelingt

Durch die Lösungen der Aufgabenstellungen nach den vorgenannten Patenten, die eine Änderung des Krümmungsradius der Wölbungen gestatten, jedoch einen Wechsel von der konkaven in die konvexe Wölbung vermeiden, wird erreicht, daß die bei bekannten Membranschiebern 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 Materialermüdung führende Umspringen 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 Zwischenstück in das Verschlußstück über. Dadurch können bei extremen Belastungen an der Stelle des Überganges des bogenförmigen Verlaufs in den Gcradteil Spannungsspitzen entstehen. Bei den vorgenannten Patenten sind die Wölbungen der Membran von glcichbleibender Dicke.

Der vorliegenden Zusatzerfindung liegt die Aufgabe zugrunde, d>2 Membran nach den vorgenannten Patenten weiter zu verbessern, Spannungsspitzen am Übergang des bogenförmigen Verlaufs in dem vorgenannten geraden Teil am Verschlußstück sicher zu vermeiden und über die Länge der Wölbungen der Membran eine gleichbleibende Zugbeanspruchung zu gewährleisten.

Die Lösung der Aufgabe gelingt bei einer Vorrichtung der im gattungsbildenden Oberbegriff genannten Art mit der Erfindung dadurch, daß die Wölbungen in allen Stellungen der Membran bogenförmig unter endlichen Krümmungsradien in das Verschlußslück übergehen.
Da somit ein geradliniges, wenn auch kurzes Zwischenstück fehlt, werden mit großem Vorteil Spannungsspitzen, die durch den Übergang des bogenförmigen Verlaufs in einen geraden Teil entstehen könnten, sicher vermieden.
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 Richtung eingebaut werden, damit die Klappe bei einer Strömungsgeschwindigkeit von Null schließt bzw. das Schließen nicht erst bei umgekehrter Strömungsrichtung erfolgt und dadurch ein Druckstoß entsteht. Durch den Verbesserungsvorschlag nach der Erfindung, daß die Wölbungen in allen Stellungen der Membran bogen-

förmig unter endlichen Krümmungsradien in das Verschlußstück übergehen, erhält die Membran eine wesentliche Rückstellkraft, welche bewirkt, daß das eigentliche Verschlußstück, gleichgültig in welcher Lage die Membran als Klappe eingebaut ist, schon bei Strömungsstillstand am Gehäusesitz anliegt und somit bei der Umkehrung der Strömung keine Druckstöße auftreten. Mit anderen Worten kann auch dargelegt werden, daß die Vorrichtung bei Verwendung als Rückschlagklappe bei Abnehmen der Strömungsgeschwindigkeit allmählich unter der Einwirkung der elastischen Membranbögen in die Schließstellung tendiert Bei der Rückschlagklappe entspricht die Raumform der hergestellten Membran der vom Betriebsdruck unbelasteten Membran in der Schließstellung.

In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, daß die Materialdicke der Wölbung der Membran in Richtung vom Einspannrand zum Verschlußstück während des gesamten Bogenv^rlaufs ständig zunimmt Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei der unter Betriebsdruck stehenden Membran der innere, mit dem Verschlußstück verbundene Rand und der äußere, zwischen Ventilgehäuse und Deckel eingespannte Rand unter gleichem Druck stehen, der innerhalb des Materials zu einer Zugbeanspruchung führt Dabei sind die auf den kleineren inneren und den größeren äußeren Einspannrand wirkenden Kräfte gleich groß. 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 würde die Membran daher in der Nähe des inneren Einspannrandes stärker beansprucht werden, als außen.

Durch die erfindungsgemäß verbesserte Ausbildung, wonach die Materialdicke der Wölbungen der Membran in Richtung vom Einspannrand zum Verschlußstück während des gesamten Bogenverlaufs ständig zunimmt, wird eine gleichmäßige Beanspruchung der Membran über den gesamten bogenförmigen Membranringbereich erreicht.

Hierdurch wird mit großem Vorteil eine bei den bisherigen Membranen erforderliche nachteilige Abstützung am inneren Einspannbereich überflüssig und kann somit entfallen. Eine Membranabstützung nämlich, wie sie sich beispielsweise bei der aus der US-PS 29 53 346 bekannten Bauart ergibt, ist nachteilig, weil sie zu einem erhöhten Aufwand führt und bei Betätigung der Membran jedesmal zu einem Abrieb und somit zur Beschädigung führt.

Der erfindungsgemäße Vorschlag der zunehmenden Wanddicke der Membranwölbung in Richtung von außen nach innen ist bei bekannten Membrenen nicht möglich, da diese bei ihrer Betätigung von der Offen- in die Schließstellung und umgekehrt starken Formänderungen unterworfen sind. Sofern die Wölbung der bekannten Membranen in der Wanddicke verändert würden, dann würde die Änderung der WandcMcke die Bewegung der Membran unmöglich machen bzw. zu einem sehr kurzfristigen Unbrauchbarwerden der Membran führen.

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 bogenförmigen Verlauf eine gleich große Stabilität hat. Wird somit die Membran unmittelbar von außen, beispielsweise 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

Bisherige Membrane in Armaturen mit freiem Durchgang können nicht mit einem Steuerdruck unmittelbar, sondern nur in Verbindung mit einer Zusatzkraft in Gestalt eines Kraftkolbens gesteuert werden, weil zur Betätigung eine große Kraft erforderlich ist

Die erfindungsgemäße Lösung der zunehmenden Wanddicke macht es jedoch möglich, ein äußerst einfaches Membranventil mit freiem Durchgang mit einer unmittelbar 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 über dem Betriebsdruck zu liegen braucht.

Der Vorschlag, daß die Materialdicke der Wölbungen der Membran in Richtung vom Einspannrand zum Verschlußstück ständig zunimmt, erhöht auch das Rück-Stellmoment, 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.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen anhand dreier Anwendungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen vertikalen Schnitt durch ein Absperrventil,
F i g. 2 die Membran als Klappenventil in einem Gehäuse in Seitenansicht und im Schnitt,

F i g. 3 einen vertikalen Schnitt durch ein durch Steuerdruck betätigtes Absperrventil,

F i g. 4 die Membran in der Offenstellung,
F i g. 5 die Membran in der Mittelstellung,

F i g. 6 die Membran in der Schließstellung.

Das Absperrventil nach F i g. 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 über Schrauben 14. 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 mit der Ventilspindel 20, die das Handrad 21, aufweist, verbunden sind. Die Membran 13 hat im Bereich zwischen ihrem eingespannten Rand 12 und dem in der Mitte der Membran schräg zur Einspannebene angeordneten Verschlußstück 15, 17 ringsumlaufend eine in der Offenstellung und Schließstellung nach F i g. 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 bzw. umgekehrt keine grundsätzliche Änderung ihrer Raumform, so daß sie formgetreu ist.

F i g. 2 zeigt die erfindungsgemäße Membran als Rückschlagklappe 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 strömungsgünstige Durchbrechungen 23 und 24 vorhanden, die die Aufgabe haben, bei einer zu Fig. 2 angenommenen üblichen Strömungsrichtung 25 durch den Gegendruck in Richtung

5

26 eine Beaufschlagung der Klappe auch von oben im Raum zwischen Membran und Deckel 11 zu erreichen.

Zugleich haben sie die Aufgabe, eine allzeitige Umspü- ι

lung der Membran und einen Druckausgleich zwischen

Membran 13 und Deckel 11 zu bewirken. 5 ,

F i g. 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 bar ist, genügt zum Schließen der Membran ein Steuerdruck von 5 bar. i,

F i g. 4 zeigt die Membran in der Offenstellung. Die |

Wölbung 22R geht in gleicher Weise wie die Wölbung \?

22L bogenförmig in das Verschlußstück 17 über. Die 15 ί

Wandungen der Wölbungen 22Z. und 22/? haben ausge- I

hend vom Einspannrand 12 aus in Richtung zum Ver- ξ

schlußstück 17 eine zunehmende Dicke, wobei die Materialdicke Dan dem Verschlußstück 17 etwa doppelt so groß ist wie die Materialdicke d am Einspannrand.

F i g. 5 zeigt die Mittelstellung der Membran und zugleich, sofern sie in einem Absperrventil oder einer Membranpumpe 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.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims (4)

27 Π 993 Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Getrennthalten zweier benachbarter Räume gleichen oder verschiedenen Druckes mittels einer Membran aus elastischem oder biegsamem Material, mit oder ohne Gewebeeinlage, zum Beispiel Gummi oder Kunststoff, wobei die Membran zwischen Gehäuseunter- und -oberteil eingespannt, in ihrem mittleren Bereich als schrägliegendes, von der oberen in die untere Endstellung klappenartig schwenkbares Verschlußstück ausgebildet ist und 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 Wölbungen hat, nach Patent P 2510 428, wobei nach Patent P 26 06 033 ringsumlaufend die örtlichen Bogenlängen (b) der Wölbung (22) unverändert bleiben, und die Raumform der hergestellten Membran der vom Betriebsdruck unbelasteten Membran in der mittleren Betätigungsstellung zwischen oberer und unterer Endstellung entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Wölbungen (22) in allen Stellungen der Membran (13) bogenförmig unter endlichen Krümmungsradien in das Verschlußstück (15, 17) übergehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialdicke der Wölbung (22L, 22R) der Membran (13) in Richtung vom Einspannrand (12) zum Verschlußstück (15, 17) während des gesamten Bogenverlaufs ständig zunimmt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialdicke der Wölbung (22L, 22R) am Verschlußstück (15,17) etwa doppelt so groß ist wie am Einspannrand (12).

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelpunkte (M) der äußeren kreisförmigen Wölbungen mit dem Radius (R) zum Mittelpunkt der Membran einen geringeren Abstand haben, als der Mittelpunkt (m) der inneren Wölbungen mit dem Radius (r).