DE2818633C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuerventil nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei bekannten Steuerventilen stellt die Ausgestaltung der Membranwand ein Problem dar. Aus verschiedenen Gründen muß diese Membranwand oft einen wesentlich größeren Durchmesser besitzen als der Teil des verschieb­ lichen Ventilkörpers, der an der Membranwand befestigt ist. Dies macht es schwierig, eine hohe Regelgenauigkeit zu erzielen. Genauer gesagt besteht ein Problem darin, daß die Membranwand gleichzeitig zwei verschiedene Eigenschaften, nämlich einerseits eine mechanische Festigkeit und andererseits eine Flexibilität im Hinblick auf kleine Druckschwankungen zwischen den auf den gegen­ überliegenden Seiten der Membranwand vorherrschenden Drücken, aufweisen muß.

Ein weiteres Problem besteht, wenn die Membranwand mit einem Prozeßfluid in Kontakt stehen soll. Es bestehen dann nämlich Anforderungen im Hinblick auf einen hygie­ nischen Aufbau der Membranwand und des gesamten Steuer­ ventils, was bedeutet, daß die dem Prozeßfluid zugewand­ te Seite des Steuerventiles keine Räume aufweisen darf, die für ein Reinigungsfluid schwer zugänglich sind. Außerdem darf praktisch keine Gefahr in bezug auf ein Ausströmen bzw. Ausfließen des Prozeß- oder Steuerfluids durch die Bereiche der Membranwand bestehen, in denen diese an dem Ventilgehäuse und an dem Ventilkörper befestigt ist. Dies gilt insbesondere bei dem Einsatz der Steuerventile in der Lebensmittelindustrie.

Aus der US-PS 31 82 678 geht ein Steuerventil der eingangs genannten Art hervor, bei dem die aus zwei Membranteilen bestehende Membranwand eine zwischen den Membranteilen angeordnete Stützeinrichtung aufweist. Diese Stützeinrichtung weist die Form einer Scheibe auf, die sich, ausgehend vom zentralen Teil der Membranteile, eine vorgegebene Strecke in radialer Richtung nach außen erstreckt. Bei der Vorsehung einer derartigen Stützein­ richtung ist die Beanspruchung der Membranteile bei der Bewegung des Ventilkörpers so groß, daß das gesamte Ventil eine vergleichsweise geringe Lebensdauer aufweist.

Aus der DE-PS 4 58 931 geht ein Steuerventil hervor, bei dem die Membranwand aus einem einzigen Membranteil besteht, an dessen einer Seite eine Stützeinrichtung in der Form einer mit radial verlaufenden Schlitzen verse­ henen Scheibe angeordnet ist, die praktisch die gesamte freiliegende Fläche der einen Seite des Membranteiles überdeckt. Beim Betrieb dieses Steuerventiles wird das scheibenförmige Stützelement durch die Relativbewegungen zwischen dem Ventilkörper und dem Ventilgehäuse konisch verformt. Dies führt dazu, daß die äußeren Enden des Membranteiles, die über den äußeren Umfang des scheiben­ förmigen Stützelementes hinausragen und in dem Ventilge­ häuse eingeklemmt sind, in axialer Richtung relativ stark belastet werden. Dies führt dazu, daß bei der Verwendung eines dünnen Membranteiles die Lebensdauer relativ klein ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Steuerventil der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß es auch bei der Verwendung von dünnen Membranteilen eine hohe Lebensdauer aufweist, ohne daß die Gefahr des Bruches der Membranteile be­ steht, und bei dem der verschiebliche Ventilkörper leicht bewegbar ist, um schnell und genau auf die in den beiden Kammern des Ventilgehäuses vorherrschenden Drücke anzusprechen.

Diese Aufgabe wird durch ein Steuerventil der eingangs genannten Art gelöst, das durch die in dem kennzeichnen­ den Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gekennzeichnet ist.

Vorteilhafterweise stützen sich bei dem erfindungsgemäs­ sen Steuerventil die beiden Membranteile der Membranwand in jeder der von der Membranwand eingenommenen Stellung auf der entsprechenden Stützfläche ab, die von den voneinander getrennten steifen Stützelementen gebildet wird. Dadurch werden die beiden Membranteile in einer effektiven Weise entlastet, was dazu führt, daß das erfindungsgemäße Steuerventil über lange Zeiträume selbst dann, wenn dünne und billige Membranteile verwen­ det werden, betrieben werden kann, ohne daß die Gefahr eines Membranbruches besteht. Die bei dem erfindungsge­ mäßen Steuerventil vorgesehene Membranwand kann praktisch nicht durch Deformationen beschädigt werden. Trotzdem ist aber der zentrale Bereich der Membranwand, in dem der verschiebliche Ventilkörper aufgehängt bzw. befestigt ist, in der Bewegungsrichtung des Ventilkörpers leicht verbiegbar, so daß dieser entsprechend den auf den beiden Seiten der Membranwand vorherrschenden Drücken schnell und genau die geforderten Positionen einnehmen kann.

Ein wesentlicher Vorteil besteht auch darin, daß sich das erfindungsgemäße Steuerventil durch eine einfache Konstruktion und eine große Zuverlässigkeit auszeichnet. Insbesondere ist es dabei von Bedeutung, daß das erfin­ dungsgemäße Steuerventil von der Seite des Prozeßfluids her durch ein Reinigungsfluid leicht reinigbar ist, da die Bereiche, in denen die Enden der Stützelemente verschwenkbar mit dem Ventilkörper bzw. mit dem Ventil­ gehäuse verbunden sind, für das Reinigungsfluid leicht zugänglich sind.

Vorteilhafterweise ist, weil die verformenden Belastun­ gen an den Membranteilen durch die Stützelemente stark verringert werden, bei dem erfindungsgemäßen Steuerven­ til nur ein kleiner Umfangsteil jedes Membranteiles zwischen beispielsweise zwei Teilen des Ventilgehäuses eingeklemmt. Es ist daher bei dem erfindungsgemäßen Steuerventil nicht mehr notwendig, Teile der Ventilge­ häusewand dazu zu verwenden, ausgebeulte Teile der Membranwand abzustützen. Somit kann zwischen der Mem­ bran- und der Gehäusewand am Umfang der Membranwand ein beliebiger Winkel zugelassen werden und es können die oben erwähnten, für ein Reinigungsfluid schwer zugängli­ chen Bereiche vermieden werden. Der Umstand, daß die Membranwand des erfindungsgemäßen Steuerventiles zwei Membranteile umfaßt, bietet im Hinblick auf die Sicher­ heit und die Hygiene den weiteren Vorteil, daß bei einem Bruch der Membranwand ein Ausfließen bzw. Ausströmen nur in den Zwischenraum zwischen den Membranteilen erfolgt, sofern ein Membranteil früher als das andere bricht.

Das erfindungsgemäße Steuerventil wird vorteilhaft als direkt wirkendes Drucksteuerventil, hauptsächlich als Konstantdruckventil, angewendet. Im Zusammenhang mit dieser Anwendung als Konstantdruckventil sind bereits ausgezeichnete Resultate erzielt worden. Der Zweck derartiger Konstantdruckventile besteht darin, den Druck eines Prozeßfluids bei veränderlicher Strömung durch das Ventil konstant zu halten. Dabei ist eine Seite der Membranwand dem Druck des in Rede stehenden Prozeßfluids ausgesetzt, während die andere Seite der Membranwand dem Druck des Steuerfluids ausgesetzt ist. Das Steuerfluid kann sowohl aus einem Gas als auch aus einer Flüssigkeit bestehen. Das vorliegende Steuerventil kann auch anders, beispielsweise zur Erzeugung einer konstanten Strömung eingesetzt werden.

Besonders vorteilhaft und einfach ist eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Enden der Stützelemente frei in Nuten eingesetzt sind, die am Umfang der Membranwand bzw. im Zentrum der Membranwand vorgesehen sind. Dadurch wird ohne irgendwelche Befestigungseinrichtungen eine vollständige Festlegung der Stützelemente und der sie umgebenden Membranteile erreicht, weil die äußeren und inneren Enden der Stützelemente die genannten Nuten nicht verlassen können.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Kanal vorgesehen, der den Raum zwischen den Membran­ teilen der Membranwand mit dem Äußeren des Ventilgehäu­ ses verbindet. Dabei kann dieser Kanal gegebenenfalls mit einem Leckanzeiger verbunden werden.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuerventiles besitzt jedes Stützele­ ment die Form eines Kreissektors mit einer abgeschnitte­ nen Spitze, wobei die Stützelemente dann, wenn sie sich in ein und derselben Ebene befinden, eine kreisförmige oder ringförmige Scheibe bilden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus Unteransprüchen hervor.

Im folgenden werden die Erfindung und deren Ausgestal­ tungen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungs­ form des vorliegenden Steuerventiles;

Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform der Stützelemente und der durch diese gebildete Stützfläche, wenn sich die Stützelemente in einer Ebene befinden,

Fig. 3 die entsprechende Stützfläche in einer ausgebeulten Stellung der Stützelemente;

Fig. 4 eine bevorzugte Ausgestaltung eines Membranteiles; und

Fig. 5 eine Schnittansicht durch das Membranteil der Fig. 4.

Bei der Ausführungsform der Fig. 1 ist die Membranwand zwischen dem Ventilgehäuseteil 1, das einen Einlaß 18 und einen Auslaß 19 für ein Prozeßfluid aufweist, und dem Gehäusedeckel 2 eingeklemmt, der eine Verbindungsöffnung 17 für ein Steuer­ fluid besitzt. Die Membranwand ist in der ebenen Stellung gezeigt, die einer mittleren Position für den verschieblichen Ventilkörper 11, 20 entspricht, der daran aufgehängt ist. Die Membranwand umfaßt ein oberes Membranteil 6, das in Kontakt mit dem Steuerfluid steht, ein unteres Membranteil 5, das in Kontakt mit dem Prozeßfluid steht, eine Anzahl von Stützelementen 3, deren Stützfläche 4 am besten in Fig. 2 gezeigt ist, sowie zwei ringförmige elastische Abstandselemente 9, die die Zwischen­ räume zwischen den Stützelementen 3 und den Membranteilen 5 bzw. 6 ausfüllen. Diese Zwischenräume entstehen dadurch, daß die Membranteile 5, 6 zwischen den beiden Seiten eines äußeren Ringes 7 und dem Ventilgehäuseteil 1 bzw. dem Gehäusedeckel 2 sowie zwischen den beiden Seiten eines inneren Ringes 8 und einem Ansatz 10 der Achse 11 des Ventilkörpers bzw. einem Ring 12 festgeklemmt werden. Zum Ausführen und eventuellen Anzeigen eines Lecks in dem Raum zwischen den Membranteilen 5 und 6 ist ein Kanal 16 in dem äußeren Ring 7 vorgesehen, wobei der Kanal 16 sich entlang derselben Linie wie ein entsprechender Kanal 22 erstreckt, der an der Verbindungsstelle zwischen dem Ventilgehäuseteil 1 und dem Gehäusedeckel 2 vorgesehen ist. Der verschiebliche Ventilkörper umfaßt ein Teil 20, das mit einem Ventilsitz 21 zusammenwirken kann, um die Verbindung zwischen dem Einlaß 18 und dem Auslaß 19 zu öffnen und zu schließen. Gleichzeitig dienen das Teil 20 und der Ventilsitz 21 als Führung für den verschieblichen Ventilkörper. Auf der anderen Seite der Membranwand ist ebenfalls eine Führung für den Ventilkörper vorgesehen, wobei diese Führung aus einem Kolben 13 besteht, der auf die Achse 11 aufgeschraubt ist und mit einem Zylinder 15 zusammenwirkt, der in dem Gehäusedeckel 2 ausgebildet ist. Ein Dichtungsring 14 dient als Dichtung zwischen dem Kolben 13 und dem Zylinder 15, wobei oben in dem Zylinder 15 ein Luftkanal 23 vorge­ sehen ist. Durch geeignete Dimensionierung dieses Luftkanales 23 kann eine gewisse Dämpfung der Bewegung der Membranenwand erzielt werden. Der Kolben 13 und der Ring 12 werden auch dazu verwendet, die Membranteile 5 und 6 und den inneren Ring 8 gegen den Ansatz 10 der Achse 11 zu drücken.

Die Gestaltung der Stützelemente 3 und der durch diese gebil­ deten Stützfläche 4 in der Ausführungsform der Fig. 1 ist am besten aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich. Nach diesen Figuren bildet jedes Stützelement 3 eine Stützfläche 4, die die Form eines Kreissektors mit abgeschnittener Spitze besitzt. Aus Herstellungs- und Betriebsgründen weist jedes Stütz­ element 3 eine gleichmäßige Dicke auf.

Fig. 3 zeigt die Stellungen der Stütz­ elemente 3 der Fig. 2, wenn die Membranwand eine ausge­ beulte Stellung eingenommen hat, d. h. wenn der Ventilkörper in bezug auf die in Fig. 1 ge­ zeigte Stellung aufwärts oder abwärts bewegt worden ist. Hierbei ist festzuhalten, daß die oberste Position des Ventilkörpers bestimmt wird durch den Kontakt zwischen dem Kolben 13 und der Oberseite des Zylinders 15, während die unterste Position bestimmt wird durch den Auflage­ kontakt zwischen dem Teil 20 und dem Ventilsitz 21, wenn der Auslaß 19 völlig geschlossen ist. Ohne daß sie die beiden Nuten in den Ringen 7 und 8 verlassen können, bilden die Stütz­ elemente 3 daher in jeder Stellung des Ventilkörpers eine steife kreisförmige oder etwas konische Stützfläche 4 für die Membranteile 5, 6 in einem Stützsystem, das praktisch unabhängig von den Membranteilen 5 und 6 arbeitet. Damit die sektorförmigen Stützelemente 3 frei in den Nuten der Ringe 8, 9 verschwenkt werden können, sind die Ränder an den beiden Enden der Stützelemente 3 in geeigneter Weise abgerundet.

Die oben beschriebene bevorzugte Ausführungsform des vorliegenden Steuerventiles ermöglicht eine sehr sichere Betriebsweise, da alle Belastungen, die die Membranteile 5, 6 verformen oder beschädigen könnten, durch die Stützelemente 3 zu dem Ventilgehäuse 1, 2 und dem Ventilkörper 11, 20 übertragen werden. Die Vorteile im Hinblick auf die Hygiene und die Sicherheit gegen Lecken sind bereits herausgestellt worden. Schließlich wird noch darauf hingewiesen, daß das Steuerventil der Fig. 1 über eine lange Zeit getestet worden ist, wobei es sehr zufriedenstellend als ein Konstantdruckventil in einem Strömungssystem gearbeitet hat, bei dem die hindurchtretenden Fluidmengen in großem Maße variiert wurden. Diese Vorteile gewinnen im Hinblick auf die sehr einfache Konstruktion des vorliegenden Steuerventiles noch mehr an Bedeutung.

Die Abstandselemente 9, die zwischen den Membranteilen 5 und 6 und den Stützelementen 3 angeordnet sind, bestehen vorzugsweise aus einem elastischen Material, damit die mit den anderen Teilen der Membranwand zusammenwirken, um ein kombiniertes Dämpfungssystem auszubilden. Andererseits können diese Membranteile vorzugsweise Vorsprünge 32 an einer ihrer Seiten besitzen, wobei dies Vorsprünge 32 in einem direkten Kontakt mit den Stützelementen 3 stehen.

Eine derartige bevorzugte Konstruktion ist in den Fig. 4 und 5 gezeigt. Das Membranteil 30 besitzt eine äußere ringförmige ebene Oberfläche 31 und eine innere ringförmige ebene Oberflä­ che 33, die jeweils gegen die oben erwähnten äußeren und inneren Ringe 7 bzw. 8 geklemmt werden. Zwischen den Oberflä­ chen 31 und 33 besitzt das Membranteil 30 auf einer Seite eine Anzahl von Vorsprüngen 32 in der Form von dünnen Rippen 32, die konzentrisch zueinander angeordnet sind. Diese Konstruktion erbringt verschiedene Vorteile. Da eine gewisse elastische Ausdehnung des Membranteils 30 notwendig ist, da die Stützfläche 4 zunimmt, wenn sich die Stützelemente 3 von einer ebenen Stellung in eine ausgebeulte Stellung bewegen besteht die Gefahr, daß die elastische Deformation des Membranteiles 30 ohne die Rippen lokalisiert wird auf das Zentrum und den Umfang des Membranteiles, wo dieses eingeklemmt ist. Die Rippen sorgen jedoch infolge eines Gleitens oder möglicherweise eines Verbiegens in bezug auf die Stützelemente 3 für eine gleichförmige Verteilung der elastischen Deformation über dem Membranteil 30. Außerdem wird das Membranteil 30 durch die Rippen verstärkt, ohne daß seine Flexibilität verloren geht. Schließlich trägt die auf das gegenseitige Zusammenwirken der Rippen und der Stützfläche 4 zurückzuführende Reibung dazu bei, gute Dämpfungseigenschaften für das bewegliche System des Steuerventiles zu erreichen.

Die steifen Stützelemente 3 können aus jedem ausreichend steifen Material hergestellt werden. So können metallisches Material, wie Messing, Bronze oder rostfreier Stahl wie auch ein steifes Kunststoffmaterial Verwendung finden, das insbesondere aus Kunststoffen mit verstärkenden Fasern, wie z. B. Glasfasern, gebildet wird. Falls kreissektorförmige Stützelemente 3 ausgewählt werden, ist zu beachten, daß ein klei­ ner Zwischenraum zwischen den einzelnen Stützelementen 3 notwendig ist, selbst wenn die Stützelemente 3 in ein und derselben Ebene angeordnet sind.

Die Membranteile 5, 6 können aus jedem flexiblen Material hergestellt sein. Eine interessante Membranart, die zusätzlich zu der Dichtungsfunktion auch zu der Dämpfung der Membranwand beiträgt, ist ein Membranteil in der Form einer gefalteten Platte, etwa einer rostfreien Platte. Das Membranteil ist dann so ausgeführt, daß es einen ebenen Umfangsteil und einen gefalteten zentralen Teil besitzt, wobei die Faltung an die gewünschte Verformung im Betrieb angepaßt ist. Falls das durch das Steuerventil hindurch­ zuführende Prozeßfluid von besonders korrodierender Art ist, kann das mit dem Prozeßfluid in Kontakt befindliche Membranteil mit einem schützenden Überzug versehen werden. Als Beispiel sei Polytetrafluorethylen erwähnt.

Obwohl das vorliegende Steuerventil eine sehr lange kon­ tinuierliche Betriebsdauer ermöglicht, sollte zur Hervorhebung der Einfachheit der Ventilkonstruktion erwähnt werden, daß das Steuerventil beispielsweise zu Inspektionszwecken oder zum Austausch der Membranteile sehr leicht auseinandergenommen werden kann. Zunächst wird der Gehäusedeckel 2 von dem Ventilgehäuseteil 1 abgenommen, beispiels­ weise indem eine ringförmige Klemmeinrichtung gelöst wird, wel­ che die Flansche des Gehäusedeckels 2 und des Ventilgehäuseteiles 1 an­ einanderklemmt und gleichzeitig die Membranteile 5, 6 gegen die ent­ sprechenden Seiten des äußeren Ringes 7 klemmt. Dann ist nur noch der Kolben 13 abzuschrauben, wonach sämtliche im Steuerventil befindlichen Einzelteile voneinander gelöst sind. Die Stützelemente 3 können einfach entfernt werden, da die Relativbewegung zwischen den zwei Ringen 7 und 8 in der axialen Richtung nicht mehr be­ schränkt ist.

Claims (9)

1. Steuerventil mit einer Membranwand, die dichtend in einem Ventilgehäuse eingeklemmt ist, in dem sie zwei Kammern voneinander trennt, die mit unter­ schiedlichen Drücken beaufschlagbar sind, und mit einem Ventilkörper, der an einem zentralen Bereich der Mem­ branwand befestigt und unter Einwirkung auf einen Ven­ tilsitz in axialer Richtung durch die Membranwand beweg­ bar ist, wobei die Membranwand zwei separate Membran­ teile aufweist, von denen jeweils eines auf einer Seite der Membranwand angeordnet und einer entsprechenden Kammer zugewandt ist, und wobei zwischen den Membrantei­ len eine Stützeinrichtung vorgesehen ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Stützeinrichtung aus einer Anzahl von voneinander getrennten steifen Stützelementen (3) besteht, deren eine Enden jeweils verschwenkbar mit dem Ventilgehäuse (1, 2) und deren andere Enden jeweils verschwenkbar mit dem Ventilkörper (11, 20) verbunden sind.

2. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Stützelement (3) die Form eines Kreissektors mit einer abgeschnittenen Spitze aufweist und daß die Stützelemente (3) dann, wenn sie sich in derselben Ebene befinden, zusammen eine kreisförmige oder ringförmige Scheibe (4) bilden.

3. Steuerventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die einen Enden der Stützelemente (3) frei in Nuten eingesetzt sind, die am Umfang der Membranwan­ dung vorgesehen sind und daß die anderen Enden der Stützelemente (3) frei in weitere Nuten eingesetzt sind, die im Zentrum der Membranwandung vorgesehen sind.

4. Steuerventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Enden der Stützelemente (3) in eine kreis­ förmige Nut eingesetzt sind, die in einem äußeren Ring (7) vorgesehen ist, der an jeder seiner Seiten von einem Membranteil (5, 6) umgeben und zusammen mit den Membran­ teilen (5, 6) im Ventilgehäuse (1, 2) eingeklemmt ist, und daß die anderen Enden der Stützelemente (3) in eine weitere kreisförmige Nut eingesetzt ist, die in einem inneren Ring (8) vorgesehen ist, der an jeder seiner Seiten von einem Membranteil (5, 6) umgeben und zusammen mit den Membranteilen (5, 6) am Ventilkörper (11, 20) festgeklemmt ist.

5. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Abstandselemente (9) aus einem elastischen Material zwischen den Stützelementen (3) und jedem Membranteil (5, 6) eingesetzt sind.

6. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Membranteil (5, 6) Vorsprünge (32) an seiner Innenfläche besitzt und daß die Vorsprünge (32) in direktem Kontakt mit den Stütz­ elementen (3) stehen.

7. Steuerventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (32) aus dünnen, vorzugsweise kreis­ förmigen Rippen bestehen.

8. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kanal (22, 16) vorgese­ hen ist, der den Raum zwischen den Membranteilen (5, 6) mit dem Äußeren des Ventilgehäuses (1, 2) verbindet.

9. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranteile (5, 6) und eine zwischen den Membranen angeordnete Trageinrichtung (8) für die Stützelemente (3) gegen einen Ansatz (10) des verschieblichen Ventilkörpers (11, 20) mit Hilfe eines Kolbens (13) geklemmt sind, der an dem Ventilkör­ per (11, 20) befestigt ist, und daß der Kolben (13) zur Führung des Ventilkörpers (11, 20) in einen in dem Ventilgehäuse (11, 20) ausgebildeten Zylinder (15) eingreift.