DE3813925A1 - Ventil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ventil mit einem Ventilsitz und einem antreibbaren Ventilkörper, aus einer elastisch ver­ formbaren Membran, insbesondere zur Steuerung eines Probenka­ nals einer Meßzelle für die Analyse von flüssigen oder gasför­ migen Probenmaterialien.

Meßzellen mit elektrochemischen oder optischen Sensoren sind häufig in einer Haltevorrichtung integriert, die auch meist noch andere Funktionen, wie z. B. Thermostatisierung, me­ chanische Fixierung der Meßzellen, Festlegung der Lage der Sensoren in bezug auf die Meßzelle, erfüllt. Weiters sind in diesen Haltevorrichtungen Ventile zur Steuerung der den Meß­ zellen zugeordneten Kanäle angeordnet. Diese Ventile weisen eine übliche Bauart mit einem in einem Gehäuse angeordneten Ventilsitz und einen damit in Schließstellung zusammenwirken­ den Ventilkörper auf, der in üblicher Weise antreibbar ist.

Die genannten Ventile sind im wesentlichen dafür vorgesehen, die eingegebenen Proben in einer bestimmten Phase des Analy­ senvorganges in eine vorgegebene Richtung zu lenken. Dabei er­ folgt die Eingabe von Proben in die Meßzelle entweder von ei­ nem offenen Probenbehälter aus durch Einsaugen mittels einer Saugpumpe, wobei der entsprechende Kanal mittels eines Ventils gesteuert ist, oder durch Einpressen der Probe aus einem ge­ schlossenen Probenbehälter, z. B. einer Kolbenspritze.

Im ersteren Falle läßt sich die Beschickung der Meßzelle sehr präzise automatisch steuern, wobei auch die Menge der eingege­ benen Probe gemessen werden kann. Im letzteren Falle erfolgt die Eingabe von Hand aus, wobei die Geschwindigkeit der Pro­ beneingabe und die Eingabemenge subjektiv vom jeweiligen Be­ nutzer abhängt. Dadurch können aber z. B. bei der Analyse von Körperflüssigkeiten, insbesondere bei Blutgasanalysen, Pro­ bleme auftreten. In solchen Fällen ist es daher erforderlich, die Probe z. B. mittels einer Kolbenspritze in einen Vorrats­ raum einzubringen und aus diesem in die eigentliche Meßzelle einzusaugen. In jedem der genannten Fälle ergibt sich ein be­ trächtlicher Konstruktionsaufwand für die notwendigen Ventile.

Ein Ventil der eingangs genannten Art bzw. eine von Hand ein­ stellbare Vorrichtung zur Steuerung der Zufuhr einer intra­ ventös zu verabreichenden Flüssigkeit ist aus der DE-OS 31 12 533 bekannt, bei welcher die zu steuernde Flüssig­ keit über eine rechtwinklig vom zuführenden Flüssigkeitskanal abzweigenden Bohrung in einen Ringraum geführt wird. Dieser Ringraum weist eine zentrisch angeordnete kreisringförmige Er­ hebung auf, in deren Mitte eine mit dem abführenden Flüssig­ keitskanal verbundene Bohrung angeordnet ist. Zur Steuerung des Flüssigkeitsstromes wird der Ringraum von einer elasti­ schen Membran überspannt, welche mittels eines Kolbens gegen die Erhebung gedrückt werden kann. Nachteilig bei dieser An­ ordnung ist der komplizierte Aufbau, sowie die unzureichende Reinigungsmöglichkeit des Dichtungsbereiches. Da der Probenka­ nal einer Meßzelle in kurzen Abständen mit den unterschied­ lichsten Proben-, Reinigungs- und Referenzmedien beschickt wird, sind Konstruktionen entsprechend der DE-OS 31 12 533 mit einem großen Schadvolumen bzw. Totraum, wie der genannte Ring­ raum und der Raum innerhalb der kreisringförmigen Erhebung, sowie mehrfach abgewickelten Leitungen nach dem Durchgang un­ terschiedlicher Medien nur unzureichend zu reinigen.

Ziel der Erfindung ist es, ein Ventil der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, das sich durch einen sehr einfachen Aufbau auszeichnet, im wesentlichen frei von Toträumen ist und sich auf einfache Weise reinigen läßt.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die elastisch verformbare Membran eine Öffnung in der Wandung des zu steu­ ernden Probenkanals abdichtet und in Schließstellung mittels eines antreibbaren Kolbens durch die Öffnung in den Probenka­ nal einschiebbar ist, wobei dessen Wandung den Ventilsitz bil­ det. Auf diese Weise erübrigt sich die Herstellung eines sepa­ raten Ventilsitzes, wodurch sich der Aufbau eines solchen Ven­ tiles wesentlich vereinfacht. Die Ausbildung des Ventilkörpers als eine elastisch verformbare Membran gewährleistet ein sehr hohes Maß an Dichtigkeit und eignet sich hervorragend zur Steue­ rung von - auch als Kapillare ausgebildeten - Probenkanälen. Das Ventil läßt sich zudem leicht in einem einstückigen Block, welcher auch die Meßzellen enthält, integrieren. Der Abdicht­ bereich weist hier zudem keine Wickel und Toträume auf und ist somit durch eine Reinigungslösung problemlos zu reinigen. Beim Schließen des Ventils wird die Membran in vorteilhafter Weise durch die Öffnung in der Wandung des Kanals direkt in den Pro­ benkanal gedrückt, wobei der Andrückvorgang in Richtung zum Probenkanal von außen nach innen erfolgt, so daß Schadräume praktisch vollständig vermieden werden.

Um eine weitgehende Schonung der Membran zu ermöglichen, kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen sein, daß die von der Membrane durchsetzbare Öffnung in der Wandung des Probenkanals trichterförmig ausgebildet ist und sich gegen den Probenkanal zu verjüngt. Dadurch werden scharfe Richtungsände­ rungen im Verlauf der Membran, auch wenn sich diese in der Sperrstellung befindet, weitgehend vermieden, wodurch eine entsprechende Schonung der Membrane gewährleistet wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Membrane zylindersymmetrisch aufgebaut ist und einen ela­ stisch verformbaren, gegen den Probenkanal gerichteten Ansatz aufweist, welcher vorzugsweise in seiner äußeren Form der Aus­ bildung der Öffnung entspricht. Durch diese Maßnahmen ergibt sich der Vorteil, daß sich der Ansatz nur relativ wenig ver­ formen muß um den zu steuernden Kanal dicht verschließen zu können, wodurch sich die Lebensdauer einer solchen Membran er­ höht. Im unbelasteten Zustand gibt der Ansatz, bedingt durch die elastische Vorspannung der Membran, den Probenkanal frei.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist wei­ ters vorgesehen, daß die Membran im Bereich eines umlaufenden Dichtringes an einem ggf. auswechselbaren Membranhalter befe­ stigt ist, welcher die Membran in dem die Öffnung umgebenden Bereich dichtend an die Wandung des Probenkanals anpreßt. Die Membran kann dabei sowohl lösbar als auch unlösbar, beispiels­ weise durch Kleben oder Verschweißen, mit dem Membranhalter verbunden sein. Der Dichtring ist im wesentlichen kreisring­ förmig ausgebildet und umschließt den Ventilsitz.

Vorteilhafterweise kann erfindungsgemäß die Dichtfläche der Membran einen ringförmigen Bund aufweisen, welcher in eine Ringnut des Membranhalters einrastet. Die Membran ist so auf einfache Weise vom Membranhalter lösbar, so daß bei einer Fehl­ funktion nur die Membran ausgewechselt werden muß.

Um die Elastizität der Membran zu erhöhen, kann weiters vorge­ sehen sein, daß der umlaufende Dichtring vom verformbaren An­ satz der Membran durch eine umlaufende, ringnutförmige Über­ gangszone getrennt ist.

Ein weiterer Vorteil nach der Erfindung liegt darin, daß der Membranhalter, beispielsweise mittels eines O-Ringes, reib­ schlüssig mit einem Gehäuse verbunden und axial von einer den Ventilsitz konzentrisch umgebenden Aufnahme geführt ist. Der Membranhalter wird dadurch vom Gehäuse, welches den Ven­ tilantrieb enthält, über einen Ansatz gegen den Dichtring ge­ preßt und kann nach dem Ausbau des Ventils leicht von diesem abgezogen werden.

Um eine besonders weitgehende Schonung der Membran zu ermögli­ chen, kann weiters vorgesehen sein, daß die Membran von einem Kolben beaufschlagbar ist, der über eine Feder von einem mit einem Antrieb in Verbindung stehenden Antriebskolben beauf­ schlagbar ist, dessen Bewegung in Schließrichtung durch einen Anschlag begrenzt ist, sowie daß der Kolben von einer Öff­ nungsfeder im Sinne einer Freigabe des Kanalquerschnittes be­ aufschlagt ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die Kraft mit der die Membran in den zu steuernden Kanal einge­ rückt werden kann allein von der Dimensionierung der beiden Federn abhängt, nicht aber von der vom Antrieb ausgeübten Kraft. Dies ist insbesondere bei pneumatisch oder hydraulisch angetriebenen Ventilen wesentlich, insbesondere wenn die ent­ sprechenden Kraftquellen nicht genau geregelt sind.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungs­ gemäßen Ventiles,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungs­ gemäßen Ventiles und

Fig. 3 einen Schnitt durch eine Membran, die als Ven­ tilkörper dient, in vergrößertem Maßstab.

In beiden Ausführungsformen ist im rechten Winkel zum Proben­ kanal 1 das Ventil 2 angeordnet, wobei die Wandung 1′ des Pro­ benkanals 1hier zweiteilig ausgebildet ist und in dem vom Ventil 2 abgekehrten Bereich aus einer transparenten Abdeckung besteht. Der Probenkanal 1 ist zur Gänze im Oberteil der Wan­ dung 1′ angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, die Wandung 1′ einstückig auszuführen und den Probenkanal durch Bohren herzu­ stellen. Im Bereich des Ventiles 2 weist die Wandung 1′ des Probenkanals 1 eine Öffnung 3 auf, die von einer als Ventil­ körper dienenden, elastisch verformbaren Membran 4 durchsetz­ bar ist, wodurch die Wandung 1′ im Bereich der Öffnung 3 einen Ventilsitz 3′ bildet. Die Membran wird dabei in einem Membran­ halter 5 lösbar oder unlösbar, z. B. durch Kleben oder Schweißen, gehalten.

Der Membranhalter 5 selbst wird von einer mit dem Oberteil der Wandung 1′ des Kanals 1 einstückig ausgeführten Aufnahme 6 ge­ führt und ist mit dem Gehäuse 7, welches den Ventilantrieb enthält, verbunden, wobei die Verbindung durch eine einfache Reibverbindung mittels eines O-Ringes 8 gebildet ist. Der Mem­ branhalter 5 könnten natürlich auch durch eine Schraubgewinde, durch einen Schiebesitz oder auch durch eine Klemmvorrichtung am Gehäuse 7 befestigt sein. Die dargestellte Ausführungsform wird bevorzugt, weil damit die Membran - nach einer Standzeit von ca. einer Million Lastspielen - leicht ausgewechselt wer­ den kann. Das gesamte Ventil 2 wird dann aus der Meßkammer entnommen, der Membranhalter 5 abgezogen und die Membran 4 ausgewechselt.

Im Gehäuse 7 ist ein Kolben 9 verschiebbar geführt, der mit einem stirnseitigen Ansatz eine Bohrung 28 des Mem­ branhalters 5 durchsetzt und an der Membran 4 anliegt. Der Kolben 9 ist mit einer Dichtung 10 versehen und von einem über die Schlauchkupplung 11 zuführbaren Druckmedium beaufschlag­ bar.

Weiters ist noch eine den Kolben im Sinne einer Freigabe des Kanalquerschnittes beaufschlagende Öffnungsfeder 12 im Ge­ häuse 7 vorgesehen, welche sich an einer Schulter 30 des Kol­ bens 9 abstützt.

An der Außenseite des Gehäuses 7 sind noch ein zur Positions­ fixierung dienender Bund 13 und eine Aufnahme 14 für einen Fe­ derkeil 15 vorgesehen.

Die Membran 4 weist einen gegen den zu steuernden Probenka­ nal 1 zu vorspringenden, elastisch verformbaren Ansatz 16 auf, dessen Querschnitt im wesentlichen jenem des Ventilsitzes 3′ entspricht. Der Ansatz 16 ist von einer ringnutförmigen Über­ gangszone 17 umgeben, die ihrerseits an einen Dichtring 18 an­ schließt, der an der Außenseite der Wandung 1' des Probenka­ nals 1 dicht anliegt. Damit wird ein Austritt von Probenmate­ rial sicher verhindert.

Die Membran 4 ist im Bereich des Dichtringes 18 mit einem auf­ ragenden Bund 19 versehen, der in eine stirnseitige Ringnut 20 des Membranhalters 5 eingreift und in dieser gehalten ist.

Wird nun der Kolben 9 von dem Druckmedium beaufschlagt, so drückt dieser entgegen der Kraft der Öffnungsfeder 12 die Mem­ bran 4, bzw. deren Ansatz 16 durch die Öffnung 3 hindurch in den Kanal 1 ein. Dabei verformt sich der Ansatz 16 im Dicht­ sitz 3′ elastisch und schließt den Probenkanal 1 dicht ab. Es ist zwecks Schonung der Membran 4 vorteilhaft, die Wände der Öffnung 3 und jene des Probenkanals 1, die in diesem Bereich gleichzeitig den Ventilsitz 3′ bilden, mit einer hohen Ober­ flächengüte herzustellen.

Wird der Kolben 9 nicht mehr vom Druckmedium beaufschlagt, so drückt die Öffnungsfeder 12 den Kolben 9 wieder nach oben und die Membran 4 kehrt wieder in ihre aus den Fig. 1 und 2 er­ sichtliche Ruhestellung zurück, aus der sie nur durch eine entsprechende Kraft ausgelenkt werden kann und in der der Querschnitt des Probenkanals 1 freigegeben ist.

Die Ausführungsform gemäß der Fig. 2 unterscheidet sich von jener gemäß der Fig. 1 lediglich dadurch, daß der die Mem­ bran 4 beaufschlagende Kolben 9′ nicht direkt mit dem Antrieb, der im Falle der Ausführung gemäß der Fig. 1 durch eine Beauf­ schlagung des Kolbens 9 mit einem Druckmedium gegeben ist, zu­ sammenwirkt, sondern über eine Feder 21, die in einer stirn­ seitigen Ausnehmung 22 eines Antriebskolbens 23, welcher mit einem Druckmedium beaufschlagbar ist, angetrieben wird.

Der Kolben 9′ ist bei dieser Ausführungsform in einer Hülse 24 geführt, an der die Öffnungsfeder 12 angreift und die mit ei­ ner Schulter 25 den Kopf 26 des Kolbens 9′ abstützt und diesen in Öffnungsrichtung mitnimmt. DieseHülse 24 bildet mit ihrem stirnseitigen Ansatz 27 gleichzeitig einen Anschlag zur Be­ grenzung des Weges des Antriebskolbens 23 in Schließrichtung des Ventiles, der mit seiner Stirnseite an der Hülse 24 an­ liegt. Da bei Anliegen des Ansatzes 27 am Boden 29 des Gehäu­ ses 7 der Endpunkt der Bewegung des Antriebskolbens 23 er­ reicht ist, kann der Kolben 9′ nur mit einer der Kompression der Feder 21 entsprechenden Kraft auf die Membran 4 einwirken, wodurch diese geschont wird.

Aus Fig. 3 sind deutlich die sich konzentrisch umgebenden Be­ reiche der Membran 4 zu sehen. Von innen sind das der kegel­ stumpfförmige Ansatz 16, die ringnutförmige Übergangszone 17 und der Dichtring 18 mit dem ringförmigen Bund 19, welcher von der Nut 20 des Membranhalters 5 gehalten wird.

Claims (8)

1. Ventil mit einem Ventilsitz und einem antreibbaren Ventil­ körper, aus einer elastisch verformbaren Membran, insbe­ sondere zur Steuerung eines Probenkanals einer Meßzelle für die Analyse von flüssigen oder gasförmigen Probenmate­ rialien, dadurch gekennzeichnet, daß die elastisch ver­ formbare Membran (4) eine Öffnung (3) in der Wandung (1′) des zu steuernden Probenkanals (1) abdichtet und in Schließstellung mittels eines antreibbaren Kolbens (9, 9′) durch die Öffnung (3) in den Probenkanal (1) einschiebbar ist, wobei dessen Wandung (1′) den Ventilsitz (3′) bildet.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Membran (4) durchsetzbare Öffnung (3) in der Wan­ dung (1′) des Probenkanals (1) trichterförmig ausgebildet ist und sich gegen den Probenkanal (1) zu verjüngt.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (4) zylindersymmetrisch aufgebaut ist und einen elastisch verformbaren, gegen den Probenkanal (1) gerichteten Ansatz (16) aufweist, welcher vorzugsweise in seiner äußeren Form der Ausbildung der Öffnung (3) ent­ spricht.

4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Membran (4) im Bereich eines umlaufenden Dichtringes (18) an einem ggf. auswechselbaren Membranhal­ ter (5) befestigt ist, welcher die Membran (4) in dem die Öffnung (3) umgebenden Bereich dichtend an die Wan­ dung (1′) des Probenkanals (1) anpreßt.

5. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtfläche (18) der Membran (4) einen ringförmigen Bund (19) aufweist, welcher in eine Ringnut (20) des Mem­ branhalters (5) einrastet.

6. Ventil nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der umlaufende Dichtring (18) vom verformbaren Ansatz (16) der Membran (4) durch eine umlaufende, ringnutförmige Übergangszone (17) getrennt ist.

7. Ventil nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Membranhalter (5) beispielsweise mittels eines O-Ringes (8) reibschlüssig mit einem Gehäuse (7) verbunden und axial von einer den Ventilsitz (3′) konzen­ trisch umgebenden Aufnahme (6) geführt ist.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Membran (4) von einem Kolben (9′) beauf­ schlagbar ist, der über eine Feder (21) von einem mit ei­ nem Antrieb in Verbindung stehenden Antriebskolben (23) beaufschlagbar ist, dessen Bewegung in Schließrichtung durch einen Anschlag (1) begrenzt ist, sowie daß der Kol­ ben (9′) von einer Öffnungsfeder (12) im Sinne einer Frei­ gabe des Kanalquerschnittes beaufschlagt ist.