DE4024726A1 - Membranventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Membranventil der im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen Art zum Steuern oder Blockieren des Fluidstromes zwischen dem Fluideinlaß und dem Fluidauslaß.

Membranventile dieser Bauart werden in korrosiven, erosiven und sanitären Anwendungsfällen eingesetzt, wo keinerlei verborgener Hohlraum zum Behausen von Bakterien oder anderen Verunreinigungen vor­ handen sein darf. Ventilteile, welche von derart kritischen Fluiden benetzt werden, müssen feinst­ bearbeitete Metalloberflächen haben, die leicht zugänglich sind. Ein Ventil für derartige Einsätze ist in US-PS 48 13 648 beschrieben, wobei eine Elastomerdichtung um den Umfang eines beweglichen Stopfens oder Kolbens angeordnet ist, um Fluidströmung zwischen koaxial angeordnetem Einlaß und Auslaß zu blockieren. Eine solche Gestaltung ist jedoch für bestimmte biotechnische Anwendungen nicht zu­ lässig, weil sie enge Hohlräume zwischen den Gleit­ flächen des Kolbens und des Ventilgehäuses aufweisen. Solche engen Hohlräume sind höchst schwierig zu sterilisieren und würden häufiges Auseinanderbauen eines solchen Ventiles zum Zwecke der Reinigung erfordern.

Ein bekanntes Ventil mit den Merkmalen des Oberbe­ griffs des Anspruchs 1 hat eine Rollmembran, welche sich bei Betätigung des Spannelementes in einen Aufnahmehohlraum einrollt (s. Fig. 4). Solche Roll­ membranen erfordern Präzisions-Formwerkzeuge zu ihrer Herstellung, die auch unter dem Gesichtspunkt verteuert wird, daß es eine Anzahl unterschiedlicher Elastomerarten gibt, die je nach der Art der An­ wendung einzusetzen und daher zu verarbeiten sind. Schließlich behindert jeglicher Rollmembranabschnitt, der aus dem Gehäuse auskragt, die Drainage und verstärkt die Möglichkeit des Einfangens bzw. Zurück­ bleibens von Verunreinigungen im Ventil. Im bekannten Fall ist die Membran mechanisch am Spannelement gesichert, um Saugeffekten entgegenzuwirken, welche sich dann einstellen, wenn das Fluid bei Unterdruck zu handhaben ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Membran­ ventil der im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrie­ benen Art zu schaffen, dessen Membran einfach her­ stellbar ist und bei dem sich keine Hohlräume zum Fangen von Verunreinigungen im Betrieb bilden.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Bei dem Membranventil nach der Erfindung kann die Membran aus im Handel erhältlichen Flachmaterial ausgeschnitten werden. Durch Spannen der Membran im Betrieb mittels des beispielsweise als konischer Kolben gestalteten Spannelementes werden jegliche unerwünschten Hohlräume im benetzten Bereich des Ventiles in dessen Offenstellung vermieden. So können sich keine Verunreinigungen im Ventil fangen.

Aufgrund der Eigenspannung der Membran, welche diese in ihre ebene ursprüngliche Gestalt zu bringen trachtet, ist eine mechanische Befestigung am Spann­ element zum Widerstehen gegen Saugwirkungen im Betrieb nicht erforderlich. Bei einem Membranventil nach der Erfindung sind die Massen von Gehäuse und Ventilmechanismus klein, und es sind keine Lufttaschen vorhanden, was die Sterilisierung er­ leichtert.

Die Halterung der Membran an ihrem äußeren Rand ist gemäß der bevorzugten Ausgestaltung nach Anspruch 3 so ausgebildet, daß die Einklemmkraft dort am stärksten ist, wo die größte Wahrscheinlichkeit zum Eintreten von Verunreinigungen besteht. Ferner ist gemäß der Ausgestaltung nach Anspruch 5 in dieser Halterung Raum vorgesehen, in welche das Material des äußeren Randes bei thermischer Expansion ausweichen kann.

Eine weitere Ausgestaltung gemäß Anspruch 6 erfüllt die an solche Ventile häufig gestellte Forderung der Betätigung mittels Luftdruck. Die Ausgestaltung nach Anspruch 6 schafft einen Verstärkungsmechanismus, welcher die von einem verhältnismäßig kleinen Luft­ zylinder aufgebrachten Kräfte derart verstärkt, daß nicht nur der Spannwiderstand der Membran sondern auch die entgegenwirkenden hydrostatischen Fluid­ kräfte leicht überwunden werden.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen und im Vergleich zum Stand der Technik mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Membranventil nach der Erfindung in geschlossener Stellung mit einem pneumatischen Zylinder als Betätiger und einen mechanischen Kraftver­ stärkergestänge;

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 in Fig. 1 in Offenstellung des Ventils;

Fig. 3 einen Schnitt ähnlich Fig. 1 durch ein Membranventil nach der Erfindung mit einem Feder-Kolbenbetätiger ohne Kraft­ verstärkung und

Fig. 4 einen Schnitt wie Fig. 2 durch ein Membran­ ventil nach dem Stand der Technik.

Das in Fig. 1 gezeigte Membranventil hat ein Gehäuse 5 mit einer zentralen konischen Kammer 6 und ko­ axialem Einlaß und Auslaß 7 in einer bauweise, wie sie bei sanitären Endfittings für Nahrungsmittel­ anwendungen eingesetzt werden. Die konische Kammer 6 endet in einer oberen, ebenen Flanschfläche 8, welche mit einer entsprechenden Flanschgegenfläche an einem Abstandsstück 10 den äußeren Rand einer Elastomer-Membran 9 mittels Schrauben 11 eingespannt hält. Das Abstandsstück 10 hat eine zentrale Führungs­ bohrung 111, in welchem ein hohles, konisches Spann­ element 12 gleitbar geführt ist. Die konische Außen­ fläche des Spannelementes ist komplementär zur Wandfläche der konischen Kammer 6 des Gehäuses 5 und kann beim Herabbewegen die Membran 9 derart spannen, daß diese gemäß Fig. 1 als Dichtung zwischen den beiden konischen Flächen wirkt, wodurch der Fluidstrom zwischen Einlaß und Auslaß 7 blockiert wird.

In der Darstellung nach Fig. 2 ist das konische Element 12 zurückgezogen dargestellt, so daß die Membran 9 im Bestreben, ihre ursprüngliche ebene Gestalt wieder anzunehmen, einen kleineren Konus­ winkel einnimmt, so daß im Querschnitt ein V-förmiger Strömungsquerschnitt 13 zwischen der unteren Außen­ fläche der Membran und der Wand der konischen Kammer 6 gebildet wird, der einen Fluiddurchlaß vom Einlaß zum Auslaß 7 ergibt.

Bei der Ausführung nach Fig. 3 wird ein Schließen des Ventils durch die Kraft von Federn 14 bewerk­ stelligt, welche auf einen Kolben 15 wirken. Diese nach unten wirkende Kraft wird über einen Schaft 16 auf die innere Mitte des konischen Spannelementes 12 aufgebracht. Um das Ventil zu öffnen, wird über den Port 17 Luft eingelassen, welche den Kolben 14 und den Schaft 16 nach oben zwingt und die Membran 9 sich teilweise in Richtung auf ihre ursprüngliche ebene Gestalt sich entspannen läßt, wobei auch die in der Kammer 6 existierenden Fluidkräfte dazu mithelfen, sowohl die Membran 9 als auch das konische Spannelement 12 nach oben zu drücken und damit den Fluiddurchlaß durch das Ventil zu ermöglichen.

Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und der Platz­ ersparnis ist weitestgehende Kompaktheit pneumatischer Ventilbetätiger höchst erwünscht. Hierzu dient bei der bevorzugten Ausführung nach Fig. 1 eine mechanische Kraftverstärkungsvorrichtung zum Multi­ plizieren der Luftzylinder- und/oder Federkraft, um dadurch die Größe der pneumatischen Betätigungs­ vorrichtung soweit wie möglich zu vermindern. Hierzu sind eine geeignete Anzahl (vorzugsweise vier) Metallstangen 18 auf der oberen Lagerfläche 19 des konischen Spannelementes 12 abgestützt. Die äußeren Enden der Stangen 18 kontaktieren den Ge­ lenkpunkt 20 an der unteren Randfläche einer unteren Abschlußplatte 21, während die inneren Enden der Stangen in Kontakt mit einer abgesetzten Schulter 22 des Kolbenschaftes 23 sind. Bei Abwärtsbewegung des Schaftes 23 zwingt die Schulter 22 die Stangen 18 zum Abwärtsschwenken um die Gelenkpunkte 20, wodurch eine nach unten weisende Kraft auf das konische Spannelement 12 ausgeübt wird. Die Bewegung des konischen Spannelementes 12 wird gegenüber der Bewegung des Schaftes 23 um ein Verhältnis reduziert, das gleich dem Abstand 20-22/Abstand 20-19 ist. Ein typisches Verstärkungsverhältnis beträgt 2,5. Da der Weg um dieses Verhältnis vermindert ist, wird die vom Kolben 23 aufgebrachte Kraft um das gleiche Verhältnis erhöht. Somit kann der Zylinder­ durchmesser wesentlich verkleinert werden, ohne daß die Schließkräfte des Ventils vermindert werden.

Bei sanitären Anwendungen sollten jegliche Nischen vermieden werden, welche Bakterien oder andere Verunreinigungen behausen können. Beispielsweise ist bei dem in Fig. 4 gezeigten Ventil der äußere Rand der dort verwendeten Rollmembran 29 zwischen zwei ebenen Flächen 24 eingespannt, welche zur Penetration von Bakterien führen könnten. Bei dem Ventil nach der Erfindung ist im Gegensatz dazu die untere Flanschfläche des Spannelementes 10, die in Kontakt mit dem äußeren Rand der Membran 9 steht, geringfügig angeschrägt, wodurch die maximale Zusammendrückung der Membran längs des Randes 8a der konischen Kammer 6 dort stattfindet, wo die Penetration von Bakterien am wahrscheinlichsten auftreten würde. Ferner ist eine konische Fase 26 vorgesehen, welche einen Hohlraum benachbart dem­ jenigen Teil der Membran schafft, der eine Schwellung der Membran aufgrund thermischer Ausdehnung aufnehmen kann. Dies ermöglicht problemlos ein Sterilisieren durch Anwendung von Hitze (normalerweise mittels Verdampfen) weil die damit einhergehenden Volumen­ vergrößerungen aufgenommen werden können. Schließlich ist eine Drainage selbst in horizontaler Lage des Ventils gewährleistet, weil der Boden der Kammer 6 mit der Kanalbohrung 35 zwischen Einlaß und Auslaß 7, 7 fluchtet.

Abweichend von den in Fig. 1 bis 3 gezeigten bevor­ zugten Ausführungen kann der pneumatische Zylinder auch durch einen Handbetätiger oder einen elektrischen Betätiger ersetzt sein. Ferner kann eine Well- oder Tellerfederanordnung zum Öffnen des konischen Spannelementes 12 dienen. Einlaß und Auslaß können mit Außengewinde oder mit Flanschen versehen sein, und die teil- oder vollgeformte Membran 9 kann auch eine flache Gestalt in unverformtem Zustand haben.

In Fig. 4 ist ein bekanntes Membranventil mit einem Gehäuse 27, einem hutförmigen Aufsatz 28 und einer vorgeformten Rollmembran 29 dargestellt, wobei die Rollmembran 29 einen zentralen T-förmigen Kupp­ lungsabschnitt 30 aufweist, der in eine entsprechend gestaltete T-Aussparung in einem Kolben 31 eingreift, der über einen Schaft 23 betätigt wird. Die Kupplung 30 ist zum Öffnen des Membranventils insbesondere bei dessen Anwendung im Unterdruckbereich erforder­ lich, was bei der Erfindung aufgrund der Eigenspannung der ursprünglich ebenen Membran 9 nicht notwendig ist. Durch die Rollmembran wird in geöffnetem Zustand des Ventils ein Hohlraum 33 geschaffen, der einen Teil des durch den Einlaß 34 einströmenden Fluids nicht durchströmen läßt sondern zurückhält. Die Herstellung einer Rollmembran, insbesondere mit dem zusätzlichen Kupplungsabschnitt, erfordert sehr teure Werkzeuge und vielfache Produktionsgänge mit solchen Werkzeugen zum Herstellen der Rollmembran aus unterschiedlichen Werkstoffen für unterschied­ liche Anwendungen. Derartige Kosten sind bei der ebenen Membran nach der Erfindung nicht aufzubringen, weil eine solche Membran einfach durch Ausschneiden aus Flachmaterial hergestellt werden kann.

Wenn eine Rollmembran gemäß Fig. 4 hohem Fluiddruck ausgesetzt wird, versagt sie leichter als eine Membran nach der Erfindung, welche sogar in Offen­ stellung gemäß Fig. 2 eine erheblich bessere Druckab­ stützung aufweist.

Claims (6)

1. Membranventil mit einem Gehäuse (5), welches einen Fluideinlaß (7) und einen Fluidauslaß (7) und dazwischen eine konische Kammer (6) und eine darin eintauchbare Membran (9) aus einem Elastomer aufweist, welche von einem Spannelement (12) gegen die Wand der Kammer (6) zum Sperren des Fluidstromes andrückbar ist und mit ihrem äußeren Rand gehäusefest eingespannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (9) streckbar und nicht rollbar ausgebildet ist und ihr äußerer Rand (25) zwischen einem gehäuseseitigen Flansch (8) und einem Flansch an einem Abstandstück (10) eingespannt ist, welches mit einer zentralen Führungsbohrung (111) für das konische Spannelement (12) versehen ist, und daß unmittelbar an den äußeren Rand der Membran ein Membranteil anschließt, der von dem Spannelement (12) bei dessen Betätigung konisch verformt und zur abdichtenden Anlage gegen die Wand der Kammer (6) durch Strecken verlagert wird.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Membran (9) in nicht­ deformierten Zustand im wesentlichen eben ist.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens einer der Flansche konisch angeschrägt ist, um nahe der zentralen Führungsbohrung (111) für das Spannelement (10) eine erhöhte Zusammendrückung des äußeren Randes (25) der Membran (9) zu erzeugen.

4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das konische Spannelement (12) mittels einer Betätigungsvor­ richtung (14, 15) über einen Schaft (16, 23) be­ tätigt wird.

5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch am Abstandsstück (10) eine Fase (26) aufweist, welche mit der Flanschfläche (8) am Gehäuse (5) einen Raum für volumetrische Ausdehnung des äußeren Randes des Flansches (9) aufgrund thermischer Expansion bildet.

6. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Betätigungsvorrichtung eine untere Abschlußplatte (21) mit einem den Durchmesser der zentralen Führungsbohrung (111) überschreitenden Außendurchmesser aufweist, daß das konische Spannelement (12) hohl ist und eine obere Endwand aufweist, welche als Lagerfläche (19) dient, und daß der Schaft (23) eine abgesetzte Schulter (22) in seinem unteren Bereich aufweist, wobei mehrere metallene Stangen (18) gleichförmig mit einer ebenen Fläche an einem Ende am Rand der Abschlußplatte (21) und mit ihrem anderen Ende an der abgesetzten Schulter (22) des Schaftes (23) anliegen und so angeordnet sind, daß sie an Stellen zwischen ihren Enden eine Verlagerungskraft auf die Lagerfläche (19) des konischen Spannelementes (12) ausüben, so daß diese um einen erheblich geringeren Betrag als der Schaft (23) parallel zu diesem verlagert wird.