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"Membran und deren Anordnung und Betätigung in
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zugeordneten Gehäusen" Zusatz zu Patent Patentanmeldung P 28 21 167.8
Die Erfindung betrifft eine Membran und deren Anordnung und Betätigung in zugeordneten
Gehäusen, die auch als elastischer Körper zum Zu- oder Abschalten oder Regeln oder
zum Pumpen oder Verdichten strömender Stoffe oder zum Heben oder zum Drücken von
Gegenständen bezeichnet werden kann, bzw. soll, weil sie auch Aufgaben bzw. Funktionen
übernehmen kann, die bisher mit Membranen nicht zu erreichen sind.
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bei bisherigen Membranventilen und -schiebern wird (4S r mittlere
Membranbereich zum Absperren oder AL;uichten des trömungsquerschnittes genutzt.
Andere Ventile aus Metall, beispielsweise Einlaß- oder Auslaßventile an Motoren,
verwenden den äußersten Randbereich zur Abdichtung bzw als Dichtungselement Solche
bekannten Ventile weisen entsprechend ihrem Anwendungszweck grundverschiedene Raumformen
auf. So kann man bei Membranen bei ihrer Unterscheidung nach der Funkticn von Regelmembranen,
Trennmembranen und Pumpenmembranen sprechen, die als Topfmembran, Rollmembran, Flachmembran
oder gewellte Membran ausgebildet sind.
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Membranen, die in einem Membrangeradsitzventil oder in einem Membranschrägsitzventil
eingesetzt werden, gehören zu der Gattung von Membranventilen, bei denen in Schließstellung
die Abdichtung von der Membran selbst gegen einen Sitz vorgenommen wird und nicht
durch ein ausgeprägtes Verschlußstück. Zu dieser Gattung zählen beispielsweise Ventile
mit Tellermembranen und einige der mit einer Rollmembran ohne Verschlußstück ausgestatteten.
Beide Membrangattungen sind bei der Betätigung erheblichen unterschiedlichen Formänderungen
ausgesetzt, die deren Gebrauchsdauer stark herabsetzen.
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Bei der Anwendung von Tellermembranen kommt neben der Wechselbiegung
in der Nähe des äußeren Einspannrandes in Anwendungsfall eines Ventils der Nachteil
hinzu, daß das Gehäuse keinen freien geraden Durchganq hnt, zwei die Tellermembran
gegen einen hochgezogenen Steg abdichtet.
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Dieser Steg muß deshalb auch so weit nach oben qezoaen xerc.en, weil
die Membran als grundsätzliche Flachmembran iiur einen kleinen Hub zuläßt. Diese
Ventilgattunq ist zum Drosseln ungeeignet und weist einen relativ großen I)urcfli
lußwiders tand auf.
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In den weiter oben abgegrenzten Membranventilen mit einer Rollmembran
sind die Membranen durch die Abrollbewegung gleictlfalls erheblichen Formänderungen
ausgesetzt, so daß die Werkstoffdicke und damit die Einsatz fähigkeit gegenüber
hohem Druck limitiert ist.
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Beiden Membrangattungen ist weiterhin gemeinsam, daß die Eigenfestigkeit
der Membranwandung bei fehlender Formsteifheit nicht ausreicht, um im abzusperrenden
Durchlaßbereich ohne Druckstück einen dichten Abschluß herbeizuführen, vergleiche
beispielsweise die PS 818 298 oder die US-PS 3 020 020. Das Druckstück ermöglicht
erst das Aufbringen der Dichtkräfte auf dem Dichtsitz. Es hat also neben der Funktion,
die Membran abzustützen, die notwendige Aufgabe,
die Dichtkräfte
zu übertraaen, indem es die Membran gegen die Sitzfläche drückt. Bei diesen Konstruktionen
werden also die Dichtkräfte vom Druck stück aufgebracht und durch die elastische
Membranwandung auf den Dichtsitz übertragen.
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Die Membran hat daher in der Schließstellung lediglich die Mitlerrolle
einer Weichdichtung. Der Membranwerkstoff wird durch das Quetschen stark beansprucht.
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Die Druckstücke sind wegen dieser Doppelfunktion - Abstützen und Dichten
- zum Teil sehr aufwendig in der Herstellung.
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Bei bekannten Absperrklappen mit elastischen Dichtungswerkstoffen
in der Klappenscheibe wird grundsätzlich ein Profilgummiring um den Klappentellerumfang
angeordnet, der mit metallischen Ringen festgeklemmt ist, die das Erzeugern einer
bestimmten Vorspannung des Profilringes, ein Nachstellen und schließlich auch ein
Auswechseln des Dichtelementes erlauben. Wegen der bei Elastomeren auftretenden
,rscheinung der bleibenden Verformung läßt nach einer bestiinmten Betriebsdauer
die Vorspannung nach und die Klappenscheibe wird undicht. Auch tritt beim Hineinfahren
der Klappenscheibe in den Gehäusesitz ein Abrieb auf, weil der Profilgummi vorgespannt
ist und daher etwas vorstehen muß. Die erstellung derartiger Abdichtplatten ist
sehr aufwendig. Zur Aufnahme
oes Profilringes und der Halteringe
muß die Klappenscheibe mechanisch bearbeitet werden. Hinzu kommt das Bohren und
Gewindeschneiden der zahlreichen Gewindelöcher zur Aufnanme der efstigungsschrauben
des Halteringes. Schließlich erfordert die Einstellung der notwendigen Verspannung
des Profilringes und die genaue Justierung der Klanpenscheibe erheLliche Montagezeiten.
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Noch wesentlich aufwendiger sind die Absperrklappen, die metallisch
abdichten. Der Dichtring ist seqmentiert und dichtet über einen komplizierten Mechanismus
unter der Einwirkung des Detriebsdruckes ab.
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Alle einfach - und doppelexzentrisch gelagerten Ahsperrklappen weisen
eine Schließtendenz auf, da sie vom Betriebsuruck zur Beibehaltung eines dichten
Abschlusses in den Dichtsitz hineingedrückt werden müssen, oder umgekehrt ausgedrückt,
sie dürfen unter der Einwirkung des Betriebsdruckes nicht vom Dichtsitz abheben.
Das erfordert bei der Einleitung einer öffnungsbewegung sehr hohe Kräfte.
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Die vorliegende Erfindung geht von der Aufgabe aus, einen elastischen
Körper - meist vereinfacht als Membran bezeichnet - zum Zu- oder Abschalten oder
Regeln oder zum Pumpen oder Verdichten strömender Stoffe oder zum Heben oder zum
Drücken
von Gegenständen zu schaffen, der bei einheitlicher Grundform verschiedenartigste
Anwendungen finden und aus verschiedenartigen Werkstoffen bestehen kann, so aus
Natur-oder Synthesekautschuk, Kunststoff oder auch aus eine Metall. Weiterhin soll
der elastische Körper in jeder Betriebsstellung bei geringen Raumformänderungen
ausschließlich Druckspannungen ausgesetzt sein, wobei die Dicke des Werkstoffes
beliebig den jeweiligen Druckverhältnissen angepaßt werden kann und somit die Membran
mit einer so hohen Eigenfestigkeit ausgestattet ist, daß sie ohne Zuhilfenahme fremaer
Bauteile abdichtet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem elastischen Körper zum Zu-
oder Abschalten oder Regeln oder zum Pumpen oder Verdichten strömender Stoffe oder
zum Heben oder zum Drücken von Gegenständen erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß a)
die eine, die Dichtfläche aufweisende Außen seite des Körpers aus einem äußeren
konvex gewölbten Kreisring und vorzugsweise einem davon umschlossenen mittleren
konkav gewölbten kugelschalenförmigen Abschnitt besteht, b) die andere gegenüberliegende
Innenseite aus einem äußeren konkav gewölbten Kreisring und
einem
davon umschiosseren mittleren konvex gewölbten kugelschalenförmigen Abschnitt besteht.
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Keine Membran mit diesen erfindungsgemäßen Merkmalen, die somit die
Form einer in ihrem Scheitelpunkt eingestülpten Halbkugelschale hat, hat den Vorteil,
daß sie aus einem plastomer oder Kunststoff, d.h. einem Werkstoff mit gummielastischen
oder schmiegsamen Eigenschaften, aber auch aus einer biegeelastischen Metallegierung
bestehen kann, weil sie bei ihrer Betätigung nur geringen Formänderunven unterliegt
und nur einen vergleichsweise gerinqen Hub auszuführen braucht, um - im Anwendungsfall
eines Ventils -einen vollen bzw. ausreichenden Durchflußquerschnitt zu ermöglichen
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Der erfindungsgemäße elastische Körper kann eine gleichbleibende oder
im wesentlichen gleichbleibende Wanddicke er haben. Besonders vorteilhaft hatsteine
in Richtung von außen nach innen sich stetig vergrößernde Wanddicke. Die in Richtung
von außen nach innen zunehmende Wanddicke ermöglicht es, daß die Betätigungskräfte,
insbesondere über eine Stangenkraft, wirkungsmäßig von der Mitte nach außen auf
die Membranbögen übertragen und hier in Dichtkräfte umgewandelt
werden.
Ein weiterer Vorteil der unterschiedlichen Tand stärke des elastischen als Membran
ausgebildeten körpers liegt darin, daß die Membran unter der Einwirkung des Druckes
des Betriebsmittels nicht mehr in der Mitte auswulsten kann, weil die Belastungsspannungen
in jedem verschnitt gleich sind und damit in diesen Membranbereich bei pneumatischer,
hydraulischer oder mechanischer Abstützung keine Zugspannungen hineingebracht werden.
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Bei mechanischer Betätigung werden durch die Membran selbst die Schubkräfte
übertragen und in Dichtkräfte in Richtung des Dicntsitzes umgewandelt, ohne daß
es einer zusätzlichen Hilfsabstützung durch ein Druckstück oder durch einen einvulkanisierten
Kern bedarf. Schließlich ermöglicht der elastische Körper den Bau lecksicherer Ventile
wie auch von Iiochdruckventilen mit Membranabschluß.
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Der erfindungsgemäße elastische Körper kann, als Membran ausgebildet
und als Ventil verwendet, wahlweise durch pneumatischen oder hydraulischen Druck,
oder auch mechanisch, betätigt werden. Bei der mechanischen Verstellung, auch mittelbar
über einen Pneumatik- oder Hydraulikzylinder, greift die Verstelleinrichtung an
den mittleren konvex gewölbten kugelschalenförmigen Abschnitt der Innenseite des
Körpers an.
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Bei sehr hohen Differenzdrücken wird irgendwann ein Druckbereich erreicht,
bei dem das mittlere Membrangewölbe einer sehr starken elastischen Verformung ausgesetzt
wäre. Für diese Fälle wird erfindungsgemäB vorgeschlacen, daß die Membran in ihrem
kugelschalenförmiq ausgebildeten mittleren Bereich eine federnde Armierung, z.B.
in Form einer Platte, erhält, die die Bewegung der Membran qestattet, aber ein Einstürzen
des Gewölbes verhindert, und zwar dadurch, daß die an der Ankerplatte angreifender
Kräfte über einen Schaft zum Schubkolben übertragen werden, mit denn eine kraftschlüssige
Verbindung besteht. Auch Können die Armierungen verschiedene Raumformen haben, so
z.B. sternförmig, flach oder gewölbt. Um bei einem größeren Betriebsdruck eine sichere
Verstellung zu erreichen und um Zugspannungen des mittleren konvexen Abschnittes
auszuschalten, wird in weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung vorgeschlagen, daß
die Verstellvorrichtung dort, wo sie gegenüber dem mittleren konvex gewölbten kugelschalenförmigen
Membranabschnitt liegt, ein der mittleren inneren Kontur der membran angepaßtes
Druckstück, insbesondere aus einem hochfesten Kunststoff, aufweist. An diesen legt
sich die Membran unter Druckeinwirkung an. Der konkav gewölbte kalottenartige Körper
dient somit zur Ubertragung der Betätigungskräfte und gleichzeitig als Abstützung
der konvex gewölbten Membranmitte. Er verhindert, daß die Membran in
diesem
Bereich irgendwelchen Zugspannungen ausgesetzt ist. Die Membran ist also auf ihrer
gesamten Fläche, nämlich im äußeren Ringbereich auf Grund ihrer Gewölbeform unci
in der Mitte durch die formschlüssige Abstützung, ausschließlich Druckspannungen
ausgesetzt.
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sofern der oberhalb der Membran lieqende Raum mit einer inkonipressiblen
llydraulikflüssigkeit gefüllt ist und dicse die Kräfte auf die Membran überträgt,
ist die Membran stets auf ihrer gesamten Fläche abgestützt und damit gleichfalls
nur Druckspannungen ausgesetzt.
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Sofern zur Betätigung des Ventils ein kompressibles edi verwendet
wird, ist die Membran unter der Druckeinwirkung des Steuermediums gleichfalls abgestützt.
Bei nachlassendem Steuerdruck, wenn der Steuerdruck kleiner als der Betriebsdruck
wird, wandert die Membran nach oben, und zwar in der Mitte an stärksten und zum
Rand hin abnehmend, und kann sich schließlich in dem konkav gewölbten kugelschalenförmig
ausgebildeten oberen Gehäuseteil abstützen, so daß der Druck es Betriebsmittels
wiederum nur zu einer Druckspannunq im Membranwerkstoff führt.
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Der als Membran ausgebildete elastische Körper kann als absperrendes
Bauteil in einem Geradsitzventil verwendet
werden, wobei das Ventiiqehäuse
einen eraden freien Durchgang erhalten kann. Bei dieser Lösunq liegt die Dichtfläche
im Bereich zwischen der Scheitellinie des äußeren konvex gewölbten Kreisringes und
der Unterkante des t.inspannflansches. Die Membran dichtet an zwei cregenüberliegenden
elliptischen Flächen ab.
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Bei qleicher Raumfonn der Membran kann diese auch in einem Schrägsitzventil
Anwendung finden. Dichtfläche ist dann der bereich der Scheitellinie des äußeren
konvex gepolten Kreisringes.
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Die herkömmliche Ausgestaltung der vorgeschlagenen Membran mit einem
nach außen gerichteten flanschartigen tsinspannrand würde zunächst einmal die Baumaße
unnötig vergrößern.
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Zum anderen würde bei einem Membranbruch, der sich häufig bis in die
Randzone der Membran hin erstreckt, das Betriebsmittel nach außen gelangen können.
Schließlich neigen gummielastische und schmiegsame Stoffe zum Kriechen, wodurch
bei einem nach außen führenden Einspannrand durch die nachlassende Vorspannung eine
Leckage eintritt.
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m diese Nachteile zu vermeiden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
daß ein flanschartiger, in Radialrichtung nach innen vorstehender und von Gehäuseteilen
ringsherum bis
auf den Ubergangsbereich zum konkaven Kreisrinq
gekammerter Einspannrand vorhanden ist.
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Die wesentlich kleineren Baumaße im Anschlußbereich, kein nach außen
qehender und sichtbarer Membranflansch, keine Leckage durch Kriechen des Membranwerkstoffes,
die Pufferung der Betätigungskräfte durch den konvexen Membranringbereich und der
strömungsgünstige Verlauf erschließen dieser Membranarmatur neue Verwendungsmöglichkeiten,
z.B. im sanitären bereich als gewöhnlihcer Wasserhahn, der tropfsicher und geräuschlos
ist und bleibt.
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Nach den bekannten Gegebenheiten bei Ventilen wird voller Durchgang
bereits bei einem Hub von D/4 erreicht. Das heißt alsc: ei dem erfindungsgemäßen
Ventil liegt ein voller Durchgang schon nach einem äußerst geringfiigigen Hub vor;
die Membranbögen ragen noch relativ tief in den Ctrömungs kanal hinein. Die erfindungsgemäße
Membran gestattet darüber hinaus aber einen wesentlich größeren Hub, der zur weiteren
Freigabe des Strömungskanals ausgenutzt werden kann, so daß der konvex gewölbte
Membranring schließlich nur noch geringfügig in den Strömungskanal hineinragt. Damit
weist dieses Ventil einen geraden und fast freien Durchgang auf.
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Die Schließkräfte können, wie vorerwähnt, beispielsweise durch eine
Stangenkraft aufgebracht werden, die über ein
konkav gewölbtes
kugelschalenförmiges Druckstück auf den konvex gewölbten Bereich der Membran einwirkt,
wobei die vertikale Hubbewegung in der Mitte der Merbran ap größten ist und nach
außen hin ständig abnimmt. Die Membran weist also Aufgrund ihrer Form eine immanente
Untersetzung auf.
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I)a die Dichtkräfte im äußeren Membranbereich und nicht in der Mitte
aufgebracht werden müssen, führt die Untersetzung bei gegebenen Dichtkräften zu
kleineren benötigten Stanaenkräften im Vergleich zu Ventilen herkömmlicher Bauart.
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Die Dichtkräfte werden zunächst nur von der von oben angreifenden
Stangenkraft erzeugt und wirken sich wirkungsmäßia über den durch die Gewölbeform
erzeuqten Bogenschub in Richtung des Dichtsitzes aus, und zwar in Verbindung mit
dem konkav gewölbten Druckstück. Sobald die Membran bögen nach eingeleiteter Schließbewegung
den Gehäusedichtsitz erreicht haben und auf der strömungszu- und auf der strömungsahqewandten
Seite abzudichten beginnen, baut sich gleichzeitig unter der Membran in dem konkav
gewölbten kugelschalenförmigen Raum ein Gegendruck auf, weil dieser vom Betriebsmittel
ausgefüllte Raum nämlich kreisförmiq sowohl zur strömungszu- wie zur strömungsabgewandten
Seite hin abgeschlossen ist. Der entstehende Gegendruck stützt die Membran nunmehr
auch von unten her ab. Ein Durchdrücken der Membran oder eine übermäßige Beanspruchung
durch die
von orten wirkende Stangenkraft wird somit wirksam verhindert.
Gleichzeitig werden die hisher nur er den LJ.oqen schub in Richtung des Dichtsitzes
wirkenden Dichtkräfte auch von der Unterseite der Membran in Richtung des Dichtsitzes
richtungsmäßig optimal gelenkt. Diese Wirkung kann auch so beschrieben werden: Die
Schubkräfte in der Nähe der Schließstellung werden beidseitig - von der Membranober-und
aer Membranunterseite - eingeleitet und wirken fast senkrecht zum Dichtsitz.
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beim öffnungsvorgang wird zuerst das Membranzentrum ange-@oben und
dann die Membranbögen vom Dichtsitz. Diese Abhebebewegung vom Sitz verhindert einen
Abrieb.
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Das vorgeschlagene Geradsitzventil weist den weiteren erheblichen
vorteil auf, daß es zur feinsten Durchflußmengendosierunq verwendet werden kann.
Die Ursache liegt darin, daß zwischen dem Angriffspunkt der Schließkräfte und dem
Punkt, an dem die Dichtkräfte wirksam werden, fast der ganze konvex gewölbte Membranringbereich
liegt. Dieser Bereich wirkt yewissermaßen als Gummifeder und bringt bei linearem
hub, beispielsweise durch eine Betätigungsstange, die Dichtkräfte beim Schließvorgang
allmählich auf. Die grafische Darstellung in einem Hub-Dichtkräfte-Diagramm ergibt
eine flache lineare Kennlinie.
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Das vorgeschlaqene Geradsitzventii weist gegenüber tzerkömmlichen
Membranventilkonstruktionen folgende zusätzliche Vorteile auf: 1. in jeder Betriebsstellung
sind Flattererscheinungen der Membran ausgeschlossen.
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2. Das Ventil ist durch die Innenkammerung lecksicher gemacht.
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3. Das Ventil weist im vom Betriebsmittel beaufschlagten Raum keine
Hinterschneidungen auf.
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Als weiteres Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Membran wira
ein Schräqsitzventil vorgeschlagen. Im Unterschied zum vorstellend beschriebenen
Membrangerausitzventil kann jetzt eine größere Fläche der Membran zum Abdichten
genutzt werden, so daß der Strömungskanal des Ventilgehäuses sich kaum zu verjüngen
braucht; der volle Querschnitt bleibt also fast erhalten. Die Dichtfläche umfaßt
etwa die Hälfte des konvex gewölbten äußeren Membranringbereiches und den gesamten
konkav gewölbten kugelschalenförmigen mittleren Bereich.
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Aucri dieses Ventil ist als Hochdruckventil geeignet. Selbst in den
Anwendungsf-ällen, in denen in Schließstellung ein
großer Differenzdruck
zwischen der strömungszu- und der strdn.unj.sabgewandten Seite besteht, kann das
Ventil eingesetzt werden, da der mittlere kugelschalenförmiq gewölbte Membranbereich
aufgrund seiner Form und seiner großen Materialdicke - gegebenenfalls stabilisiert
durch die Einvulkanisation der bereits erwähnten Ankerplatte - zur Aufnah:ae dieses
Differenzdruckes geeignet ist.
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Die vorgeschlagene Membran kann weiterhin als absperrendes Bauteil
in einem Rückschlagventil verwendet werden. Die Membran wird vorteilhaft in der
Schließstellung vulkanisiert.
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Ein oder mehrere, vorzugsweise zwei gegenüberliegende Durchbrücke
ermöglichen den zur Funktion notwendigen Druckausgleich zwischen Membranunter- und
-oberseite. Die Durchbrüctie sine so groß bemessen, daß sie auch ein Freispülen
von Ablagerungen auf der Membranoberseite bzw. Außenseite ermöglichen.
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aber eriindunqsgemäße elastische Körper kann auch als Bauteil einer
Pumpe angewendet werden. Die Form der Membrantögen gestattet es, die Membran auf
die einfachste Weise, nämlich mittels eines Exzenters, zu betätigen; darüberhinaus
natürlich durch Preßluft oder einer Flüssigkeit.
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Die Membranbögen sind so flexibel, daß keine zusätzliche Beanspruchung
des Membranwerkstoffes auftritt, wenn zu der
linearen Hubbewegung
eine zusätzliche seitliche Auslenkung hinzukommt die Membran also gewissermaßen
eine Taumelbewegung ausführt Wegen der Robustheit der Membran können mit der vorgeschlagenen
Pumpe höhere Drücke erzeugt werden als bei bekannten Hembr2npumpen.
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Auch auf einem anderen Armaturensektor löst die vorgeschlagene Membran
überraschend einfach Dichtungsprobleme. So kann sie besonders vorteilhaft in dem
Anwendungsfall einer einfach- oder doppelexzentrisch gelagerten Absperrklappe verwendet
werden, und zwar vorzugsweise bei kleinen und mittleren Nennweiten.
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Um den erfindungsgemäßen elastischen Körper als Bauteil einer Absperrklappe
verwenden zu können, wird in weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung vorgeschlagen,
daß die um ein geringes Maß nach außen vorstehende flanschartige Fläche des Einspannrandes
die Dichtfläche ist, und in weiterer Gestaltung, daß die um eine Achse schwenkbare
Klappe an ihrem Außenumfang eine umlaufende Nut aufweist, in die der nach innen
flanschartig vorstehende Einspannrand des elastischen Körpers eingreift und der
in Richtung nach außen vorstehende Einspannrand eine in Richtung zur Schwenkachse
divergierende Wandung hat.
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In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, daß
die Klappenscheibe an der der Drehachse abgekehrten Seite mit einer konkaven Ausnehmung
versehen ist, in der der mittlere konvex gewölbte Abschnitt des elastischen Körpers
eingreift und durch ein Befestigungselement mit der Klappenscheibe verbunden ist.
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Um die erfindungsgemäße Membran bei geringem Materialaufwand auch
bei im Durchmesser großen Absperrklappen anzuwenden, wird in weiterer erfindungsgemäßer
Ausgestaltung vorgeschlagen, daß die konkave Ausnehmung in der Klappenscheibe auf
einer Kreislinie angeordnet und der elastische Körper als Ring ausgebildet ist.
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Die erfindungsgemäße Membranabsperrklappe weist erhebliche Vorteile
auf: 1. Das Dichtelement erfordert beim Einbau nur einen geringen Bruchteil der
bisherigen Montagezeiten.
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2. Die Klappenscheibe braucht nicht mehr an ihrem Umfang bearbeitet
zu werden.
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3. Es entfallen die Montagezeiten für das Vorspannen und das Justieren.
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4. Die vorgeschlagene Absperrklappe ist selbstdichtend, d.h. unter
der Einwirkung des Betriebsmittels dichtet sie erst ab.
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5. Die vorgeschlagene Absperrklappe ist selbstnachstellend, da die
bleibende Verformung oder ein Abrieb automatisch ausgeglichen werden und damit immer
die zur vollkommenen Abdichtung notwendigen Dichtkräfte bestehen bleiben.
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6. Bei der vorgeschlagenen Absperrklappe tritt beim Hineinfahren
in den Gehäusesitz kein Abrieb auf, d der Rand der Membran keinen Überstand aufweist.
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7. Die Klappenscheibe hat Öffnungstendenz.
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Die erfindung ist 111 der Zeichnung anhand einiger Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 A einen im Querschnitt dargestellten elastischen
Körper in oberer Stellung,
Fig. 1 B den Körper nach Fig. 1 in der
Mittelstellung, Fig. 1 C den Körper nach Fig. 1 in der unteren Stellung Fig. 2 den
elastischen Körper als Membran in einem Absperrventil in Geradsitzausführung und
mittlerer Stellung der Membran in vertikalem Schnitt, Fig. 2 A das Ventil nach Fig.
2 mit der Membran in der Offenstellung, Fig. 3 den elastischen Körper als Membran
nach den Fig. 1, 1a und ib in einem Ventilgehäuse in Schrägsitzausführung in vertikalem
Schnitt, Fig. 3 A ein Überströmventil in vertikalem Schnitt;, Fig. 3 B einen Wasserhahn
in vertikalem Schnitt, Fig. 4 die Membran in einem Absperrventil mit Schrägsitzausführung
mit Betätigung durch pneumatischem oder hydraulischem Druck in vertikalem Schnitt,
Fin. 5 die Membran nach den Figuren 1, 1a und 1}a als Rückschlagventil in einem
i.
6 einen vertikalen Schnitt durch ein weiteres Ventilgehäuse mit Membran nach den
Fig. 1, Fiq. 7 einen vertikalen Schnitt durch eine Pumpe mit Membran nach den Fig.
1, Fig. 8 ein elastischer Körper der grundsätzlichen Ausbildung nach Fig. 1 A, angewendet
bei einer Klappe in der Offenstellung und vertikalem Schnitt, Fig. 8 A die Klappe
nach Fig. 8 in Schließstellung in vertikalem Schnitt und einer Fig. 8 gegenüber
um 900 versetzten Ebene, Fig. 9 eine den Fig. 8 gegenüber abgewandelte Klappe größerer
Nennweite mit ebenfalls abgewandeltem elastischen Dichtkörper in Schließstellung.
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Fig. 1 A zeigt einen elastischen Körper, der bei seiner Anwendung
in einem Ventil auch als Membran bezeichnet werden kann. Die Membran besteht aus
einem Elastomer oder Kunststoff oder auch einem Metall. Die eine, bei einem Ventil
die Dichtfläche aufweisende Außenseite 11 des Körpers 10 besteht aus einem äußeren
konvex gewölbten Kreisring 12
und vorzugsweise einem davon umschlossenen
mittleren konkav gewölbten kugelschalenförmigen Abschnitt 13, während die andere,
gegenüberliegende Innenseite 14 aus einem äußeren konkav gewölbten Kreisring 15
und einem davon umschlossenen mittleren konvex gewölbten kugelschalenförmigen Abschnitt
16 besteht. Weiterhin ist im Querschnitt gesehen, wie das in den Figuren 1 A und
1 C dargestellt ist, der konvex gewölbte Kreisring 12 in seiner Oberfläche größer
als der konkav gewölbte kugelschalenförmige Abschnitt 13, während auf der Innenseite
14 die Oberfläche des konvex gewölbten kugelschalenförmigen Abschnittes 16 größer
ist als der konkav gewölbte Ring 15. Weiterhin zeigen die Fig. 1 A bis 1 C, daß,
ebenfalls im Querschnitt gesehen, der konvex gewölbte Kreisring 12 der Außenseite
einen Umfangswinkel R 1 von mehr als 900 hat, während der konkav gewölbte kugelschalenförmige
Abschnitt einen Umfangswinkel R 2 von weniger als 900 hat. Die Figuren 1 A bis 1
C zeigen weiterhin, daß entsprechend Fig. 1 B mit der Darstellung der Membran in
der Mittelstellung die Höhe H 1 etwa dem halben Durchmesser D 1 entspricht. Bei
einer Höhe H 1 von 4 cm entspricht der halbe Durchmesser 5 cm.
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Bei den beiden Endstellungen in den Figuren 1 A und 1 B ist die Höhe
H 1 größer. Dort beträgt sie 4,5 cm. Diese vorgenannten Maßangaben beziehen sich
auf eine bestimmte Größe der Membran und sind somit im Verhältnis zu verstehen.
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Die Membrane werden, wie verständlich, in verschiedenen Durcilmessergrößen
hergestellt. Der elastische Körper kann eine gleichbleibende Dicke haben. Besonders
vorteilhaft hat er eine in Richtung von außen nach innen sich stetig vergrößernde
Wanddicke, wobei der Einspannrand bei dieser Betrachtung außer acht bleibt. Die
Figuren 1 zeigen, daß im mittleren Bereich eine Armierung 17 in Verbindung mit einem
Schaft 18 angeordnet ist, an dem eine in Fig. 2 dargestellte Verstelleinrichtung
eingreift.
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Fig. 2 zeigt die Membran 10 bei einem im Schnitt dargestellten Absperrventil
in Geradsitzausführung. Es besteht aus dem Durchflußgehäuse 19 mit dem Durchflußkanal
20 und einem Deckel 21, wobei die Membran zwischen Gehäuse 19 und Deckel 21 eingeklemmt
ist auf eine Weise, die später noch beschrieben wird. Der Schaft 18 ist in eine
Spindel 22 eingeschraubt, die ein Außengewinde hat und in der Gewindebohrung 23
des Deckels gelagert ist. Die Spindel 22 hat ein Verstellrad 24. Zur Betätigung
des elastischen Körpers 10 mit einer Verstellvorrichtung liegt am mittleren Bereich
der Membran ein Druckstück 25 an, dessen zur Membran gerichteten Seite eine konkave,
kugelschalenförmige Form hat und die Membran 10 bis in den Beginn des an dieser
Seite konkaven Ringbereiches 15 abstützt, wobei der Radius der konkaven Ausnehmung
des Druckstückes 25 etwas größer als
der Radius der äußeren konvexen
Wölbung des Mittelteils der Membran. Dies geschieht, um @@ibungen zu vermeiden,
weil, wie Fig. 1 C zeigt, mit dem Herunterdrücken der Membran die konvexe Wölbung
des mittleren Abschnitten 16 etwas flacher wird. Durch das Druckstück 25 wird erreicht,
daß die Membran nur Druckspannungen ausgesetzt ist. So kann auch der mittlere Bereich
der Membran nicht flach werden, wil die konkave Ausnehmung des Druckstückes dies
verhindert. Fig. 2 zeigt die Membran in der Drosselstellung bzw. der Raumform, wie
sie vulkanisiert wird. In der Schließstellung dichtet sie in den Randbereichen der
beiden Durchlässe 26 und 27 ab, die elliptisch sind. Die Abdichtung erfolgt somit
im wesentlichen an den zwei gegenüberliegenden äußeren Seitenwandungen.
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Fig. 2 A zeigt das Ventil nach Fig. 2 in der Offenstellung.
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Fig. 3 zeigt nun das Ventil nach den Fig. 1 gleicher Raumform und
gleicher Bemessung wie nach Fig. 2 bei einem Ventilgehäuse 19 mit Schrägsitzausführung.
Bei dieser Ausführung dichtet die Membran im Bereich der Scheitellinie des äußeren
konvex gewölbten Kreisringes 12 als Dichtfläche ab. Diese Kreislinie im Scheitelpunkt
oder im Bereich des Scheitelpunktes kann mit einem umlaufenden Vorsprung 28 versehen
sein.
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Bei einem Ventil nach Fig. 3 A mit Schrägsitzausführung in Verbindung
mit einem Überströmventil, d.h. einem Ventil, bei dem bei einem Uberdruck gegen
den Druck von Federn 29 das Ventil geöffnet wird und das Medium beispielsweise in
angegebener Pfeilrichtung 30 a strömt, würde, abhängig von der Federkraft, ein Öffnen
bei beispielsweise vier Bar erfolgen und ein Schließen bei zwei Bar erfolgen.
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Sofern jedoch in dem gleichen Ventil Druck aus der Richtung 30 b kommt
und somit nicht die Unterseite, sondern die äußere Seitenwandung im Querschnittsbereich
des Kanals zum Aufschlag kommt, dann erfolgt ein öffnen bei gleicher Federkraft
bei zehn Bar und ein SchlieBen bei acht Bar.
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Die gleiche Membran hat daher, eingebaut bei einem Ventil mit Schrägsitzausführung,
abhängig von der StrömungsricKltung des Mediums als durch Betriebsmittel öffnendes
Uberströmventil verschiedene Werte. Das liegt daran, weil bei der Strömungsrichtung
30a die konkav gewölbte Unterseite belastet wird, die größer ist als der Bereich
an der Seitenwandung, , der den Durchströmkanal absperrt.
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i'4. 3 B zeigt eine Membran 10 in einem Wasserhahn oder @ergl., dessen
Gehäuse 19 mit einem Schrägsitz versehen ist, so daß die Membran 10 als Schrägsitzventil
wirkt. Der mit einem Gewinde versehene Zapfen 18 greift in eine Spindel 22 ein,
die ebenfalls mit einem Außengewinde versehen
und in einem deckelartigen
Körper 21a eingeschrault ist, der mit dem Gehäuse 19 verschraubt ist. Uber eine
Klappe 24a, vergleichbar mit einem Handrad 24 nach Fig. 2, wird in Verbindung mit
dem Druckstück 5 die Membran 10 betätigt.
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Fig. 4 zeigt ein Absperrventil, das ebenfalls handbetätigt ist und
einen Verdrängungskolben 31 aufweist, der in Verbindung mit einer inkompressiblen
Flüssigkeit die Membran 10 betätigt. Der Deckel bzw. das Gehäuse 21 hat eine konkav
gewölbte Unterseite ' damit bei einem Unterdruck in dem Raum 33 und entsprechend
oberen Stellung der Membran 10 diese oben abgestützt ist und die obere Wölbung erhalten
bleibt.
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Fig. 5 zeigt die Membran 10 als Rückschlagventil in einem Gehäuse
19 mit Schrägsitz entsprechend Fig. 3. In der Seitenwandung 34 sind an den gegenüberliegenden
Seiten Durchbrechungen 35 und 36 vorhanden. Die Rückschlagklappe nach Fig. 5 dichtet
auch auf einer Kreisringlinie ab, wie das zu Fig. 3 beschrieben worden ist. Sie
hat eine innere Armierung 37, die auch der Wölbung des mittleren Teiles angepaßt
sein kann, insbesondere dann, in Oberansicht gesehen, sternförmig sein soll. Auch
in Fig. 5 ist ein
Gehäusedeckel 21 vorhanden, der mit dem Ventilgehäuse
19 verschraubt ist.
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Fig. 6 zeigt ein Ventil mit dem Gehäuse 19 und dem angeschraubten
Deckel 21, dessen zur Membran 10 gerichtete Seite konkav ausgebildet und der mittigen
Wölbung der Membran 10 angepaßt ist. Die Membran wird von oben zu ihrer Steuerung
über die Zuleitung 38 mit Druckluft oder Druckwasser beaufschlagt. Dargestellt ist
die obere Endstellung, bei der die obere Kuppel der Membran an dem Deckel 21 anliegt.
Bei sehr starkem Druck des Mediums im Kanal 20 kann sich die Membran 10 der konkaven
Wölbung des Deckels 21 anpassen.
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Fig. 7 zeigt die Membran 10 als Teil einer Pumpe. An dem mit Gewinde
versehenen Zapfen 18 ist die Gabel 39 angeschraubt, die mit einem Bolzen 40 versehen
ist, an dem die Stange 41 angreift, die mit einem exzentrischen Zapfen 42 eines
Antriebes verbunden ist. Der Einlauf der Pumpe 43, ist mit Pfeilrichtung der Ausgang
mit Pfeilrichtung 44 angegeben. Zwischen beiden sind Rückschlagventile angeordnet.
Die Membran ist Zu hohen Drücken, s.B. 10 Bar, befähigt.
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Der Einspannrand der Membran hat , wie alle Figuren zeigen, einen
flanschartig, nach Fig. 1 einen nach innen vorstehenden Wulst 45, aber auch einen
um einen geringfügiges Maß nach außen vorstehenden Wulst 46, damit eine Innenkammerunq
stattfindet. Der nach innen vorstehende Wulst oder Flansch 45 wird umgriffen an
drei Seiten durch entsprechende Formgebung des Deckelgehäuses 21, wie z.B. in den
Fiq. 2, 3, 5 und 7 dargestellt ist, oder auch einen zusätzlichen Ring 47, der in
den Fig. 3 A und 3 B dargestellt und zwischen Gehäuse 19 und 21 eingeklemmt ist.
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Die Membran nach den Figuren 1 ist auch anwendbar als Abaichtelement
einer Absperrklappe. Absperrklappen mit elastischem Dichtungselement der Klappenscheibe
finden vielfach Anwendung, so in Großarmaturen, in der chemischen und artverandten
Industrie sowie im Schif£sbau. Durch die exzentrische Lagerung der Klappenscheibe
48 zur Drehachse 49 in dem Gehäuse 50 haben Absperrklappen eine auf dem ganzen Umfang
nicht unterbrochene Dichtfläche und sperren in beiden Strömungsrichtungen absolut
dicht ab. Der elastische Körper 1O nach Fig. 1 ist auch als Dichtungselement einer
Absperrklappe geeignet. Dazu hat nach Fig. 8 die Klappenscheibe 48 an ihrem Außenumfang
eine umlaufende Nut 51, in die der nach innen flanschartig vorstehende Einspannrand
45 des elastischen Körpers 10 eingreift, wobei der in Richtung
nach
außen vorstehende l"inspannrand 46 die Dichtfläche ist und besonders vorteilhaft,
wie sich aus der Schließstellung in Fig. 8 A ergibt, eine in Richtung zur Schwenkachse
49 divergierende Wandung 46a hat. Die Mitte des elastischen Körpers ist ebenfalls
mit einer Halterung 17, 18 versehen, wobei der Schaft 18 durch eine Bohrung der
Klappenscheibe 48 durchgreift. Die Befestigung erfolqt über eine Mutter 51. Die
Klappenscheibe hat an der zur Dichtung 10 gerichteten Seite eine konkave Ausnehmung
52, die wie das Druckstück 25 an dem konvexen Mittelteil 16 anliegt. Bei Absperrklappen
mit größerem Durchmesser ist der elastische Körper nach Fig. 1 als Ring ausgebildet,
weil als Dichtungselement einer Klappenscheibe der mittlere Bereich lediglich eine
Befestigungsfunktion an der Klappenscheibe 48 auszuführen hat. In dem Innenbereich
des Ringes 10a sind Befestigungsbolzen 17, 18 verankert, die in prinzipiell gleicher
Weise, wie zu Fig. 8 beschrieben, über Muttern 51 die Dichtung 10a mit der Klappenscheibe
verbinden. Auch Fig. 9 zeigt, daß die Dichtfläche des außenliegenden Bereiches des
Einspannrandes 46a divergiert.
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Fig. 9 zeigt somit den Dichtkörper nach Fig. 1 lediglich mit der Maßqabe,
daß in der Mitte eine kreisrunde Öffnung ist.