DE3604622A1 - Ventil fuer systeme mit hohen reinheitsanforderungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil, insbesondere für Systeme mit hohen Reinheitsanforderungen, mit einem Gehäuse und mit einem in einer Kammer des Gehäuses angeordneten Ventilkegel, Ventilteller oder dergleichen, der mittels einer Spindel oder dergleichen bezüglich eines Ventilsitzes einstellbar ist.

Ventile der genannten Art dienen zur Beeinflussung der Strömung eines Mediums in einem Rohrleitungssystem oder dergleichen und können als Regel- oder Absperrventile ausgebildet sein. Bekanntlich kann die Durchflußkennlinie durch die Geometrie von Ventilkegel und Ventilsitz, genannt sei hier beispielhaft ein parabolischer Ventilkegel, den jeweiligen Anforderungen entsprechend vorgegeben werden. In der Pharma- und Lebensmittelindustrie müssen ggfs. hohe Anorderungen an die Reinheit der gesamten Produktionsanlagen einschließlich der Ventile erfüllt werden. So sei an dieser Stelle insbesondere auf Einsätze an Fermentern zur Herstellung vom Filmemulsionen verwiesen, wo die Sterilität der Produktionsanlage vor jeder neuen Charge eine absolute Bedingung ist. Kleinste Rückstände der vorherigen Charge können die nächste Charge derart nachteilig beeinflussen, daß diese unbrauchbar ist. Auf die damit verbundenen wirtschaftlichen Nachteile braucht nicht besonders verwiesen zu werden. Ferner sei an dieser Stelle ausdrücklich auf Systeme für die Mikrobiologie oder Gentechnologie verwiesen, für welche extrem hohe Anforderungen hinsichtlich Reinheit und Sterilität erfüllt werden müssen, damit reproduzierbare Verhältnisse für den jeweiligen Prozess vorliegen. Die Anlagen werden zwar für jede neue Charge zuvor durchgespült und sorgfältig gereinigt, wobei jedoch mit den bisher bekannt gewordenen Ventilen die extrem hohen Anforderungen nicht erfüllt werden konnten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ventil der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß hohe Anforderungen an die Reinheit, und insbesondere die Sterilität, erfüllt werden. Das Ventil soll einen funktionsgerechten Aufbau aufweisen und aus Werkstoffen gefertigt werden, welche hohen Qualtitätsanforderungen, und zwar insbesondere den FDA- Normen der amerikanischen Food und Drug Administration, entsprechen. Das Ventil soll als Regelorgan oder auch als Absperrventil eingesetzt werden können und in seiner Konstruktion für kleinste Nennweiten ebenso geeignet sein wie für große Einheiten.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß in der Kammer eine nachgiebige Dichtmembran angeordnet ist, welche einen vom Medium durchströmbaren Kammerteil abtrennt, in welchem der Ventilkegel und der Ventilsitz vorgesehen sind, daß die Dichtmembran einerseits mit dem Gehäuse und andererseits mit der Spindel und/oder dem Ventilkegel dicht verbunden ist, und daß die dem durchströmbaren Kammerteil zugewandte Oberfläche der Dichtmembran glatt ausgebildet ist.

Das erfindungsgemäße Ventil erfüllt bei vergleichsweise einfacher Konstruktion auch extrem hohe Anforderungen hinsichtlich Reinheit und insbesondere Sterilität. Aufgrund der Dichtmembran wird nicht mehr die gesamte Kammer, die zum Bewegen und Einstellen des Ventilkegels oder dergleichen im Gehäuse notwendig ist, vom Medium durchströmt, sondern nur ein Teil derselben. Das Volumen und folglich auch die Fläche, an welcher sich Bestandteile des strömenden Mediums festsetzen können, wird wesentlich reduziert. Folglich wird die Möglichkeit von gegebenenfalls im molekularen Bereich liegenden Restmengen einer vorangehenden Charge erheblich verringert. Ferner werden mittels der Dichtmembran die Teile, beispielsweise Dichtungen, abgetrennt, die beim Spülen des Ventils unter Umständen von der Spülflüssigkeit nicht oder nur unzureichend erreicht werden. Insbesondere wird der Bereich der Spindeldurchführung und dort vorgesehene Dichtungen und dergleichen vom strömenden Medium mittels der Dichtmembran abgetrennt. Auch bei der Fertigung ergeben sich insoweit Vorteile, als nur der vom Medium durchströmte Kammerteil einschließlich des dort vorhandenen Ventilkegels eine hohe Oberflächengüte aufweisen muß und die übrigen Teile in gewohnter Weise gefertigt werden können. Die Oberflächenbehandlung der vom Medium berührten Innenteile kann in zweckmäßiger Weise durchgeführt werden. So können diese Flächen mit einem Korn 180/220 im Rahmen dieser Erfindung problemlos poliert werden, wobei für besonders kritische Einsatzzwecke, insbesondere für Zellzuchtfermenter, bis zu einem Korn von 280 gegangen werden kann. Die Gehäuseteile bestehen zweckmäßigerweise aus metallischen Werkstoffen, Quarzglas, Kunststoff, und zwar insbesondere PTFE oder vergleichbaren Werkstoffen. Es sei ausdrücklich festgehalten, daß im Unterschied zu einem Membranventil die Dichtmembran nicht zur Beeinflussung des Strömungsmediums bzw. des Durchtrittsquerschnittes zum Einsatz gelangt, sondern zum absolut dichten Abschluß nach außen; der Strömgungsquerschnitt wird durch den Ventilkegel beeinflußt.

In einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Dichtmembran im Gehäuse zwischen einem Unterteil, welches die Anschlüsse für Leitungen des Mediums aufweist, und einem Oberteil eingespannt, welches die Führungs- und/oder Dichtelemente der Spindel enthält. Eine einfache Fertigung ist gewährleistet, da die Dichtmembran mit ihrem Außenrand mittels eines Wulstes oder ähnlichem in zweckmäßiger Weise zwischen Oberteil und Unterteil beim Verbinden derselben eingespannt wird. In entsprechender Weise wird die Dichtmembran mit ihrem Innenrand auf den Ventilkegel bzw. der Spindel mit einem Teller oder ähnlichem festgespannt. Das vom strömenden Medium durchströmte Unterteil weist erfindungsgemäß eine offene Innenkontur auf, und die Oberflächenbehandlung der vom Medium berührten Teile ist in zweckmäßger Weise durchführbar. Erfindungsgemäß werden die der durchströmbaren Kammer zugewandten Übergänge vom Gehäuseunterteil bzw. dem Ventilkegel relativ scharfkantig ausgebildet. Damit wird vermieden, daß im Einspannbereich Spalte zwischen der Dichtmembran und dem Gehäuse bzw. dem Ventilkegel vorhanden sind, in welche Bestandteile des strömenden Mediums sich festsetzen könnten. Die der durchströmenden Kammer abgewandten Kanten vom Gehäuse bzw. im Einspannbereich sind in gewohnter Weise abgerundet ausgebildet. Erfindungsgemäß sind im Einspannbereich, und zwar sowohl gehäuseseitig als auch spindelseitig, die dort vorhandenen Bauteile scharfkantig ausgebildet, während auf der anderen Seite eine abgerundete Kontur für die Einspannteile der Dichtmembran vorgegeben ist.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen axialen Schnitt durch ein Ventil, das zusätzlich zum Ventilkegel eine Dichtmembran enthält,

Fig. 2 einen abgeänderten Rohrleitungsanschluß, rechts der Trennungslinie II, gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen axialen Schnitt durch das Ventil mit einem Unterteil 2 und einem Oberteil 4 eines Gehäuses. Das Unterteil 2 enthält zwei als Flansche ausgebildete Anschlüsse 6, 8 für Rohrleitungen eines strömenden Mediums. Das Ventil ist als Eckventil ausgebildet und weist in der Einbaulage eine vertikal ausgerichtete Spindel 10 bzw. Längsachse 12 auf. Der Anschluß 6 ist mit seiner Achse 14 bezüglich der vertikalen Längsachse 12 erfindungsgemäß derart geneigt angeordnet, daß er gemäß Zeichnung außen höher liegt als innen; hierdurch wird das Abfließen von eventuellen Restmengen sowohl des Rohrleitungssystems als auch vom Anschluß 6 zuverlässig gewährleistet. Das Unterteil 2 weist ferner einen Spülanschluß 16 auf, um im Bedarfsfalle ein Spülmittel zuzuführen. Das Unterteil enthält ferner einen Ventilsitz 18, bezüglich welchem ein Ventilkegel 20 mittels der Spindel 10 einstellbar ist. Gezeigt ist hier ein Ventilkegel mit im wesentlichen konischer Kontur, wobei jedoch selbstverständlich auch andere Formen zwecks Vorgabe der gewünschten Einstellcharakteristik vorgesehen werden können. Die Wandung 17 des Unterteiles 4 ist ebenso wie der Boden 19 und die Anschlüsse insbesondere durch Polieren oberflächenbehandelt, um eine hohe Oberflächengüte zu gewährleisten. Da der Boden 19 zur Längsachse nach unten konisch geneigt angeordnet ist, läßt sich auch insoweit die Reinigung und Sterilisation zuverlässig durchführen. Der Ventilkegel 20 ist starr mit der Spindel 10 verbunden, wobei durch geeignet Passungen zwischen Oberteil und Unterteil eine exakte koaxiale Ausrichtung von Ventilkegel und Ventilsitz gewährleistet wird. Das Oberteil 4 ist bezüglich des Unterteiles 2 in der Zeichnung um 45° verdreht gezeichnet. Aufgrund der starren Verbindung des Ventilkegels 20 mit der Spindel 10 wird eine weitgehend hysteresefreie Regelcharakteristik gewährleistet. Die Spindel 10 ist in gewohnter Weise mittels eines Ringes 22 und einer Buchse 24 oder dergleichen im Oberteil 4 geführt, wobei gleichzeitig auch eine Abdichtung erfolgt. Entsprechende Mittel sind auch in dem hier nicht weiter dargestellten oberen Ende vom Oberteil 4 zwecks Führung und Abdichtung vorgesehen. Das Oberteil 4 enthält ferner einen Kontrollanschluß 25, um die Dichtheit des Ventils nach außen hin überprüfen zu können. An diesem Kontrollanschluß 25 kann mit geeigneten Sensoren beispielsweise der Druck gemessen werden, oder es kann auch ein Sperrgas zugeführt werden.

Im Unterteil 2 und dem Oberteil 4 des Gehäuses ist eine Kammer vorhanden, die einen ersten vom Medium durchströmbaren Kammerteil 26 und einen zweiten hiervon abgetrennten Kammerteil 28 aufweist. Zur dichten Abtrennung der beiden Kammerteile 26, 28 dient erfindungsgemäß eine Dichtmembran 30. Mittels der Dichtmembran erfolgt eine absolut dichte Abtrennung des vom Medium durchströmbaren Kammerteiles 26 nach außen. Diese Dichtmembran 30 besteht aus einem nachgiebigen Werkstoff, der aus Metall oder einem Elastomer besteht. Wesentlich ist die glatte Ausbildung zumindest der dem ersten Kammerteil 26 zugewandten Oberfläche 32 der Dichtmembran 30. Die Dichtmembran 32 ist mit einem Teller 34 auf der Rückseite des Ventilkegels 20 mittels einer Mutter 36 festgespannt. Von besonderer Bedeutung ist die scharfkantige Ausbildung im Einspannbereich, und zwar sowohl innen am Ventilkegel 20 als auch außen am Unterteil 2. Es sind scharfe, im wesentlichen rechtwinklige Einspannkanten 38, 40 sowohl innen als auch außen vorgesehen. Das Festsetzen von Restmengen des Mediums im Einspannbereich der Dichtmembran 30 wird vermieden. Demgegenüber weisen die Kanten 42, 44 im zweiten Kammerteil 28 eine abgerundete Kontur auf. Aufgrund der abgerundeten Ausbildung der Kanten 42, 44 ragen der Teller 34 bzw. das Oberteil 4 im Einspannbereich weiter in den zweiten Kammerteil 28, als das Unterteil 2 bzw. der Ventilkegel 20 in den ersten Kammerteil 26. Die Dichtmembran 30 weist erfindungsgemäß am Innenrand und am Außenrand je einen Ringwulst auf, der in entsprechende Ringnuten vom Gehäuse bzw. vom Teller 34 oder ggfs. auch vom Ventilkegel 20 eingreift. Es ist hiermit eine lösbare Einspannung der Dichtmembran 30 vorhanden. Zusätzlich oder auch alternativ kann im Rahmen dieser Erfindung die Dichtmembran 30 auch fest sowohl mit dem Gehäuse als auch mit der Spindel bzw. mit dem Ventilkegel verbunden werden. Dies kann insbesondere mit geeigneten Klebemitteln oder durch Vulkanisieren erfolgen, um im Rahmenm dieser Erfindung auch kleinste Spalte, in welche sich das Medium festsetzen könnte, vermieden werden.

Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführung vom Anschluß 6 zusammen mit einer angeschlossenen Rohrleitung 46. Die Stirnflächen vom Anschluß 6 und der Rohrleitung 46 liegen unmittelbar aneinander, wobei mittels eines umgebenden Zentrierringes 48 eine exakte Ausrichtung bezüglich der Achse 14 erfolgt. Ein Achsversatz wird vermieden, und es ist ein glatter Übergang mit dem Zentrierring 48 von der Rohrleitung 46 auf den Anschluß 6 gewährleistet. Die Rohrleitung 48 enthält außen einen Bund 50, der von einer Überwurfmutter 52 hintergriffen wird. Auf dem Anschluß 6 ist ein Gewindestück 54 mittels eines Sicherungsringes 56 abgefangen. Die Überwurfmutter 52 ist mit dem Gewindestück 54 verschraubt, wodurch die axialen Stirnflächen vom Anschluß 6 und der Rohrleitung 46 dicht aneinandergepresst werden.

• Bezugszeichenliste  2 Unterteil
   4 Oberteil
   6, 8 Abschluß
  10 Spindel
  12 Längsachse
  14 Achse von 6
  16 Spülanschluß
  17 Wandlung
  18 Ventilsitz
  19 Boden
  20 Ventilkegel
  22 Ring
  24 Buchse
  25 Kontrollanschluß
  26 erster Kammerteil
  28 zweiter Kammerteil
  30 Dichtmembran
  32 Oberfläche
  34 Teller
  36 Mutter
  38, 40 Einspannkante
  42, 44 abgerundete Kante
  46 Rohrleitung
  48 Zentrierring
  50 Bund
  52 Überwurfmutter
  54 Gewindestück
  56 Sicherungsring

Claims (10)

1. Ventil, insbesondere für Systeme mit hohen Reinheitsanforderungen, mit einem Gehäuse und mit einem in einer Kammer des Gehäuses angeordneten Ventilkegel, Ventilteller oder dergleichen, der mittels einer Spindel oder dergleichen bezüglich eines Ventilsitzes einstellbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß in der Kammer eine nachgiebige Dichtmembran (30) angeordnet ist, welche einen ersten vom Medium durchströmbaren Kammerteil (26) nach außen abschließt, in welchem der Ventilsitz (18) und der Ventilkegel (20) angeordnet sind,
daß die Dichtmembran (30) einerseits mit dem Gehäuse und andererseits mit der Spindel (10) und/oder dem Ventilkegel (20) dicht verbunden ist,
und daß die dem ersten Kammerteil (26) zugewandte Oberfläche (32) der Dichtmembran (30) glatt ausgebildet ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kammerteil (26) eine offene Kontur aufweist und/oder von einer hinterschneidungsfreien Wand (17) des Unterteiles (2) begrenzt wird.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (19) des Kammerteils (26) zur Längsachse (12) nach unten geneigt angeordnet ist.

4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Einspannbereich die dem zweiten Kammerteil (28) zugewandten Kanten (42, 44) abgerundet sind und/oder in den zweiten Kammerteil (28) weiter hineinragen als die Einspannkanten (38, 40) des ersten Kammerteiles (26).

5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der seitliche Anschluß (6) mit seiner Achse (14) bezüglich der im wesentlichen vertikalen Längsachse (12) derart geneigt angeordnet ist, daß der äußere Teil höher als der innere Teil des Anschlusses (6) liegt.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Oberteil (4) ein Kontrollanschluß (25) vorgesehen ist, der in den zweiten Kammerteil (28) mündet.

7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Anschluß (8) koaxial zur Längsachse (12) angeordnet ist und/oder daß das Unterteil (2) einen seitlichen Spülmittelanschluß (16) aufweist.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtmembran (30) im Verbindungsbereich zwischen dem Unterteil (2) und dem Oberteil (4) eingespannt ist.

9. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtmembran (30) zwischen einem auf der Spindel (10) angeordneten Teller (34) und dem Ventilkegel (20) eingespannt ist.

10. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Einspannbereich der Dichtmembran (30) die dem ersten Kammerteil (26) zugewandten Einspannkanten (38, 40) scharf und/oder im wesentlichen rechtwinklig ausgebildet sind.