DE4212477C2 - Membranventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Membranventil mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Bei den bekannten Membranventilen aus Kunststoff (siehe z. B. CH-PS 532738) werden die Kunststoff-Gehäuseteile mit einer da­ zwischen liegenden Elastomer-Membrane mittels metallener Schrauben zusammengeschraubt.

In Rohrleitungssystemen in High-Purity-Ausführung z. B. für die chemische Industrie mit einer Mediumstemperatur von z. B. 20°C ist es teilweise üblich, das Rohrleitungssystem periodisch mit Heißdampf mit einer Temperatur < 120°C zu sterilisieren. Alle mit dem Medium in Berührung stehenden Teile werden dabei auf diese hohe Temperatur erhitzt. Durch die im Faktor < 10 unter­ schiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Metall und Kunst­ stoffteilen muß die gesamte Wärmeausdehnung von dem weichsten Teil - der Elastomer-Membran - aufgenommen werden. Die Membran wird durch die Erwärmung zusätzlich zusammengedrückt.

Nach dem Ende der Sterilisation läuft die Anlage wieder mit Nor­ maltemperatur. Die Membran hat jedoch materialbedingt eine blei­ bende Deformation zurückbehalten, d. h. die an ihren Befesti­ gungspunkten zusammengedrückte Membran dehnte sich nach dem Ab­ kühlen nicht mehr auf ihre ursprüngliche Dicke aus.

Dies führt dazu, daß das vorher bis 10 bar dichte Ventil schon bei sehr viel niedrigerem Mediumsdruck nach außen undicht werden kann, was ein Nachziehen der Befestigungsschrauben erfor­ dert. Durch die immer stärkere Deformation der Membran wird das Elastomergefüge geschädigt und dadurch die Lebensdauer ent­ sprechend verkürzt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Mem­ branventiles der eingangs genannten Art, bei welchem die Dicht­ heit bei großen Temperaturänderungen des Mediums wie z. B. bei den erwärmten Sterilisations-Zyklen gewährleistet ist und deren Membran eine längere Lebensdauer aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Durch die erfindungsgemäßen Merkmale werden die Längenänderun­ gen bei Temperaturerhöhungen der Kunststoffteile nicht mehr auf die Elastomer-Membran weitergegeben, sondern von der Druckfeder aufgenommen. Durch die vorzugsweise Verwendung einer Schrauben-Druck­ feder mit rechteckigem Windungsquerschnitt können für die vorgegebenen Platzverhältnisse im Durchmesser bei einer vertret­ baren Federlänge einerseits die erforderlichen Vorspannkräfte entsprechend dem Mediumsdruck erreicht werden und anderseits eine zu starke Krafterhöhung bei Temperaturerhöhung vermieden werden, so daß keine bleibenden Schäden an der Membran entstehen können.

Die Erfindung ist in der beiliegenden Zeichnung beispielsweise dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Ansicht mit Teilschnitten eines Membranventils.

Das Membranventil weist ein Gehäuseunterteil 1 mit einem Medium-Durch­ flußkanal 4 und ein Gehäuseoberteil 2 auf. Beide Gehäuse­ teile bestehen aus einem Kunststoff, wobei das Gehäuseunterteil je nach Art des Durchflußmediums z. B. aus Polypropylen, Poly­ vinylidenfluorid oder einem ähnlichen Kunststoff besteht.

Das Gehäuseoberteil 2 enthält eine als pneumatischen Stellan­ trieb ausgebildete Betätigungseinrichtung 14 und besteht vor­ zugsweise aus Polypropylen oder einem ähnlichen Kunststoff. Die Betätigungseinrichtung 14 kann auch eine mit Hand betätigbare Verstellspindel oder ein elektromotorischer Stellantrieb sein.

Zwischen den beiden Gehäuseteilen 1, 2 ist für eine High-Purity-Aus­ führung oder für aggressive Medien eine Membran-Kombination bestehend aus der mediumsberührten Membran 13 aus Polytetrafluor­ ethylen und der dahinter angeordneten Membran 3 aus einem Elastomer mittels Schraubverbindungen 5 fest eingespannt.

Es kann auch nur eine Elastomermembrane verwendet werden, wenn die Beständigkeit gegenüber dem Medium gewähr­ leistet ist.

Die Schraubverbindung 5 weist vorzugsweise vier metallene Gewindebolzen 6 auf, welche mit einem Ende in einem im Gehäuse­ oberteil 2 angeordneten metallenen Einschraubteil 7 fest eingeschraubt sind und sich durch eine Bohrung 8 des Gehäuse­ unterteils 1 erstrecken.

Am anderen Ende der Gewindebolzen 6 ist eine Mutter 9 aufge­ schraubt, wobei zwischen dem Gehäuseunterteil 1 und der Mutter 9 eine Schrauben-Druckfeder 10 mit jeweils einer dazwischen liegenden Unterlagscheibe 11 angeordnet ist.

Die Schraubverbindung 5 kann auch aus einer Schraube mit einem Schraubenkopf bestehen, welche in das Gehäuseoberteil 2 einge­ schraubt ist, wobei die Schrauben-Druckfeder 10 jeweils zwischen dem Schraubenkopf und dem Gehäuseunterteil 1 angeordnet ist.

Es besteht auch die Möglichkeit, den Gewindebolzen 6 bzw. die Schraube im Gehäuseunterteil 1 einzuschrauben, wobei dann die Druckfeder 10 jeweils zwischen der Mutter 9 bzw. dem Schraub­ kopf und den Gehäuseoberteil 2 angeordnet ist.

Die Schrauben-Druckfeder 10 weist einen rechteckigen Windungsquer­ schnitt 12 auf und besteht z. B. aus einem Chrom-Silizium-Stahl.

Die Druckfedern 10 werden bei Montage des Membranventils durch Verdrehen der Mutter 9 oder der Schraube mittels eines Dreh­ momentschlüssels auf eine vorgegebene Federkraft vorgespannt, wobei die Kraft aller vier Federn größer als das 1,5fache der durch den Mediums-Betriebsdruck - z. B. 10 bar - entstehenden Kraft zusätzlich der durch die Betätigungseinrichtung entste­ henden Kraft auf das Gehäuseunterteil 1 entspricht.

Die Schrauben-Druckfeder 10 weist dabei eine derartige Feder­ konstante C = (N/mm) auf, daß sich bei Ausdehnung der Gehäuseteile 1, 2 durch Erwärmung des Mediums um eine Tempera­ turdifferenz von 100°C (von Raumtemperatur 20°C auf 120°C) die eingestellte Federkraft um max. 20% erhöht.

Für ein Membranventil mit einer Nennweite DN = 40 mm und einem Betriebsdruck von 10 bar bei einer Betriebstemperatur von 20°C und einer Heißdampftemperatur zum Sterilisieren des Ventiles von 120°C ergeben sich folgende Feder-Kennwerte für eine Spiral-Druckfeder:

Federdurchmesser
D/d = 32/16 mm
Federlänge ungespannt	Lo = 38 mm
Federkonstante	C = 520 N/mm
Feder-Vorspannkraft	F1 = 4680 N
Federweg-Vorspannung	L1 = 9 mm
Federweg durch Erwärmung	ΔL = L2-L1 = 1,5 mm
Federkraft bei L2	F2 = 5460 N
Federkraft-Differenz	ΔF = 780 N = 17% von F1

Durch Berechnung und Versuche hat sich ergeben, daß vorzugswei­ se durch Schrauben-Druckfedern mit rechteckigem Windungsquerschnitt für die vorgegebenen Platzverhältnisse im Durchmesser bei einer noch vertretbaren Federlänge (Bauhöhe) die erforderlichen Feder­ kräfte erreichbar sind, ohne daß bei Temperaturerhöhungen des Mediums um ca. 100°C eine unzulässige bleibende Veränderung der Membran entsteht.

Claims (9)

1. Membranventil mit einem einen Medium-Durchflußkanal auf­ weisenden Gehäuseunterteil, einem Gehäuseoberteil, jeweils aus Kunststoff und mit einer zwischen den Gehäuseteilen mittels Schraubverbindungen eingespannten Membrane aus einem Elastomer, bei der die gesamte Spannkraft der Schraubverbindung von dem Rand der Membrane aufgenommen wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen einem der Gehäuseteile (1 bzw. 2) und einem Teil jeder Schraubverbindung (5) eine vor­ gespannte Druckfeder (10) angeordnet ist, durch die die beiden Gehäuseteile (1, 2) mit einer vorbestimmbaren Kraft zusammen­ gespannt sind, derart, daß die Längenänderungen der Kunststoffteile bei Temperaturerhöhungen von den Druckfedern (10) aufgenommen werden.

2. Membranventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfeder (10) eine Schrauben-Druckfeder (10) ist.

3. Membranventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrauben-Druckfeder (10) einen rechteckigen Windungsquer­ schnitt (12) und eine derartige Federkonstante (C) aufweist, daß sich bei Ausdehnung der Gehäuseteile (1, 2) durch Er­ wärmung des Mediums um eine Temperaturdifferenz von 100°C die eingestellte Federkraft um max. 20% erhöht.

4. Membranventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Druckfeder (10) aus einem Chrom-Sili­ zium-Stahl hergestellt ist.

5. Membranventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jede Schraubverbindung (5) einen Gewinde­ bolzen (6) aufweist, welcher mit einem Ende in einem der Ge­ häuseteile (1, 2) fest eingeschraubt ist und am anderen Ende mit einer Mutter (9) versehen ist, wobei die Druckfeder (10) zwischen dem anderen Gehäuseteil (1, 2) und der Mutter (9) angeordnet ist.

6. Membranventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jede Schraubverbindung (5) eine Schraube aufweist, wobei die Druckfeder (10) zwischen einem der Ge­ häuseteile (1, 2) und dem Schraubenkopf angeordnet ist.

7. Membranventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Vorspannkraft der Druckfeder (10) durch Verstellen der Schraubverbindung (5) mittels eines Drehmomentschlüssels einstellbar ist.

8. Membranventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der eingestellten Vorspannkräfte aller Druckfedern (10) größer als das 1,5fache der durch den Mediumsdruck und die Betätigungseinrichtung (14) erzeugten Kraft auf das Ge­ häuse (1) bei Betriebstemperatur beträgt.

9. Membranventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Membrane zweischichtig ausgebildet ist, wobei die dem Durchflußmedium zugewandte Membrane (13) aus Polytetrafluorethylen besteht und die dahinter angeordnete Membran (3) aus einem Elastomer besteht.