DE4444782A1 - Membranventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Membranventil mit einem Ge­ häuse mit Zulauf und Ablauf, einer Membran, einem Ventil­ sitz und einem mit diesem zusammenwirkenden Dichtelement.

Bei den bekannten druckbetätigten Membranventilen werden mehrere Dichtelemente eingesetzt, um den Antriebsraum vom Fluid-umspülten Raum zu trennen. Diese Dichtelemente sind teuer, insbesondere dann, wenn die Ventile für aggres­ sive Medien eingesetzt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Membran­ ventil der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß es konstruktiv einfacher aufgebaut ist und weitgehend auf Dich­ tungselemente verzichtet werden kann.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Membran eine Hartmembran ist, durch welche das Dichtelement be­ tätigbar ist.

Die Membran besteht vorzugsweise aus einem chemisch und thermisch resistenten Kunststoff. Nach einer anderen Ausführungsform besteht die Membran aus einem metallischen Material, z. B. einem Blechmaterial, das längs seines Außenrandes mit Kunststoff umspritzt ist.

Die Membran ist vorzugsweise längs ihres Umfanges mit dem Gehäuse des Ventiles ultraschallverschweißt.

Das elastomere Dichtelement kann direkt an der Membran ange­ ordnet und an ihr befestigt sein oder nach einer anderen Aus­ führungsform ist im Gehäuse ein Ventilschieber angeordnet, der durch die Membran beaufschlagbar ist, und an dem das elastomere Dichtelement gehalten ist.

Vorzugsweise kann die Membran mittels einer Rückstell­ feder in ihre Ausgangsposition rückgestellt werden, die Membran kann aber auch selbst elastisch federnd ausge­ bildet sein, so daß sie sich selbst wieder in ihre Ausgangs­ position rückstellt.

Vorzugsweise ist der Ventilschieber an einem Ende mit z. B. zwei axialen Armen versehen, die durch die Membran beauf­ schlagbar sind, während er am anderen Ende einen axialen ringförmigen Bund besitzt, in welchen das Dichtelement ein­ gesetzt und z. B. mittels Ultraschallverschweißung am Ven­ tilschieber gehalten ist.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nach­ folgend anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert, in der

Fig. 1 im Schnitt ein Membranventil nach dem Stand der Technik zeigt.

Fig. 2 zeigt im Schnitt eine bevorzugte Aus­ führungsform eines erfindungsgemäßen Membranventiles.

Fig. 3 zeigt im Schnitt eine weitere Ausführungs­ form des erfindungsgemäßen Membranventiles.

Fig. 4, 4a und 4b zeigen den Ventilschieber.

Fig. 5, 5a, 5b und 5c zeigen Ausführungsformen der Membran.

Das zum Stand der Technik gehörende Membranventil 10 nach Fig. 1 ist mit einem Antriebskolben 12 versehen, der durch eine Druckfeder in Schließrichtung des Ventiles ständig be­ aufschlagt ist. Geöffnet wird das Ventil durch Beaufschlagung des Antriebskolbens mit Druckluft entgegen der Kraft der Fe­ der.

Der Antriebskolben 12 ist über eine Spindel 14 mit einer ela­ stomeren Membran 16 verbunden, die den Ventilsitz öffnet und schließt. Die Spindel 14 ist in einer Führungsbüchse 22 geführt.

Der Antriebskolben 12 ist gegen das Gehäuse des Ventiles durch einen Lippenring 18 und gegen die Spindel 14 durch ei­ nen O-Ring 20 abgedichtet. Die Führungsbüchse 22 ist gegen das Ventilgehäuse durch O-Ringe 20 und gegen die Antriebs­ spindel 14 durch einen Lippenring oder einen Quadring 21 abgedichtet.

Längs ihres Umfanges ist die Membran 16 an der Führungsbüchse 22 befestigt.

Bei diesem bekannten Membranventil werden somit mehrere O- Ringe 20 sowie Lippenringe oder Quadringe 18 und 21 verwendet, was einen hohen Montageaufwand und zahlreiche Dichtstellen zur Folge hat. Die dynamischen Dichtungen sind hohen Reibungs­ kräften ausgesetzt und verschleißanfällig. Die Trennung von druckbetätigtem Antriebsraum und Fluid-umspültem Raum erfolgt durch die Elastomer-Membran, für die deshalb gewöhnlich ein hochwertiges, gegebenenfalls gewebeverstärktes Material, ver­ wendet wird.

Fig. 2 zeigt ein Membranventil 30 nach der Erfindung. Es hat ein Gehäuseoberteil 32 und ein Gehäuseunterteil 34, die geeignet miteinander verbunden sind. Auf dem Gehäuseoberteil 32 ist ein Pilotventil 36 angebaut, das mit einem Steuer- Druckanschluß versehen ist, der in einen Antriebsraum 40 mündet, über den eine z. B. aus Kunststoff gespritzte Hartmembran 42 beaufschlagbar ist.

Die Membran 42 ist zwischen dem Gehäuseoberteil 32 und dem Gehäuseunterteil 34 eingespannt und längs ihres Umfanges mit den beiden Gehäuseteilen ultraschallverschweißt. Im Gehäuse ist axial verschiebbar ein Ventilschieber 44 ein­ gebaut, dessen in der Zeichnung oberes Ende durch die Membran 42 beaufschlagbar ist, und dessen unteres Ende in Form eines ringförmigen Bundes ausgebildet ist, in den ein Dichtelement 50 eingesetzt ist, das mit dem Ventilsitz 52 des Ventiles zu­ sammenwirkt und diesen öffnet oder schließt.

Zwischen einer Schulter des Ventilschiebers 44 und einem in das Gehäuseunterteil 34 eingesetzten Deckel 48 ist eine Druckfeder 46 eingebaut, die eine Rückholfeder für den Ventilschieber 44 bildet.

Der Deckel 48 schließt das Gehäuse an seiner Unterseite ab, und er ist geeignet am Gehäuseunterteil 34 befestigt, z. B. einge­ preßt oder eingeschraubt.

Wenn über das Pilotventil 36 Druckluft in den Antriebsraum 40 eingeführt wird, wird die Membran 42 beaufschlagt, und sie drückt den Ventilschieber 44 gegen die Kraft der Rückholfeder 46 nach unten, wodurch das mit dem Ventilschieber 44 verbundene Dichtelement 50 den Ventilsitz 52 öffnet, so daß das Druck­ fluid vom Druckanschluß 54 zum Arbeitsanschluß 56 strömen kann. Wird die elektrische Versorgung am Pilotventil 36 abgeschaltet, so schaltet dieses um und entlüftet den Antriebsraum 40, wo­ durch die Membran 42 druckentlastet wird. Die Druckfeder 46 drückt nun den Ventilschieber 44 und mit ihm das Dichtelement 50 in die in Fig. 2 dargestellte Schließstellung des Ventiles zurück, in der der Weg vom Druckanschluß 54 zum Arbeitsanschluß 56 gesperrt ist.

Um die Rückstellung der aus einem chemisch und thermisch resisten­ ten Kunststoff gespritzten Hartmembran 42 zu erleichtern, kann diese so gestaltet werden, daß sie selbst federnde elastische Eigenschaften aufweist, etwa in der Art einer Tellerfeder.

Die Bewegung der Hauptmembran erfolgt teilweise durch ela­ stische Verformung ihres Materials und teilweise durch Bie­ gung im Gelenk zwischen der eigentlichen Membran und ihrem steiferen Umfangsrand.

Das Ventil nach Fig. 2 benötigt keine Dichtungen, wie z. B. O-Ringe oder Lippenringe. Es eignet sich besonders zum Ein­ satz für aggressive Fluide.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsge­ mäßen Membranventiles 30.

Zwischen dem Gehäuseoberteil 32 und dem Gehäuseunterteil 34 ist wiederum eine Hartmembran 45 eingespannt und mit den beiden Gehäuseteilen ultraschallverschweißt. Über das Pilotventil 36 kann ebenso wie bei der Ausführungsform nach Fig. 2 Druckluft in den Antriebsraum 40 eingeführt werden.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist nun aber, wie in Fig. 5c im Detail gezeigt, die Membran 45 direkt mit dem Dicht­ element 50 verbunden.

Bei Beaufschlagung der Membran 45 mittels Druckluft wird die Membran gegen die Kraft der Rückholfeder 46 nach unten-auf den Ventilsitz 52 gepreßt und schließt diesen. Beim Abschalten des Pilotventils 36 wird der Arbeitsraum 40 oberhalb der Membran 45 entlüftet, und die Membran wird durch die Rückholfeder 46 in ihre Ausgangsposition zurückgedrückt, wodurch das Dichtelement 50 vom Ventilsitz 52 abgehoben und der letztere geöffnet wird, womit der Weg vom Druckanschluß 54 zum Arbeitsanschluß 56 frei ist.

Auch bei dieser Ausführungsform sind innerhalb des Ventils keine weiteren Dichtungen, wie O-Ringe oder Lippenringe, er­ forderlich.

Die Fig. 4, 4a und 4b zeigen den Ventilschieber 44 im Schnitt, in Ansicht und in Draufsicht.

Der Ventilschieber 44 hat eine Bodenplatte 58 mit einer z. B. kreisförmigen Ausnehmung 59. Von der Bodenplatte 58 aus nach oben erstrecken sich z. B. zwei Arme oder Zapfen 60, die ins­ besondere Kreisquerschnitt haben können, wie Fig. 4b zeigt. Diese Zapfen 60 werden im Betrieb des Membranventiles nach Fig. 2 durch die Membran 42 beaufschlagt und dadurch der Ventilschieber 44 und mit ihm das Dichtelement 50 axial ver­ schoben. Von der Bodenplatte 58 aus ersteckt sich nach unten (bezogen auf Fig. 4) ein hohlzylindrischer Flansch 64, in welchen das Dichtelement 50 eingesetzt ist. An seiner Ober­ seite liegt das Dichtelement 50 dabei an einem Rand oder Bund 62 der kreisringförmigen Bodenplatte 58 an, der sich etwas weiter radial einwärts erstreckt als die Innenwand des Flan­ sches 64.

Der Außendurchmesser des Flansches 64 ist, wie dargestellt, kleiner als der Außendurchmesser der Bodenplatte 58, so daß zwischen der letzteren und dem Flansch 64 eine ringförmige Schulter 66 gebildet ist, an welcher, wie Fig. 2 zeigt, das obere Ende der Druckfeder 46 anliegt.

Das Dichtelement 50 wird durch einen im Querschnitt L-för­ migen Haltering 68 am Ventilschieber 44 gehalten, wobei der Haltering 68 mit dem Flansch 64 bei 70 ultraschallverschweißt ist.

Die Fig. 5a, 5b und 5c zeigen Ausführungsformen der Membran. Die Membran 42 nach Fig. 5a ist eine Vollkunststoffmembran und z. B. im Spritzgußverfahren hergestellt. Diese Membran wird in der Ausführungsform nach Fig. 2 verwendet.

Die Membran 43 nach Fig. 5b besteht aus einem Blech oder einer Folie 72 aus Metall, welche die eigentliche Membran bildet, und die längs ihres Außen- Umfanges einen Kunststoffring 74 auf­ weist, der um die Folie 72 gespritzt ist.

Bei der Membran 54 nach Fig. 5c sind die Membran und das Dichtelement als Einheit ausgebildet, wobei auch hier die Mem­ bran aus Vollkunststoff besteht und gespritzt ist.

Sie ist jedoch auf einer ihrer Seiten mit einem ringförmi­ gen Bund 76 versehen, in den das Dichtelement 50 eingesetzt ist. Mittels eines Halteringes 78, der mit der Membran bei­ spielsweise ultraschallverschweißt ist, wird das Dichtelement 50 an der Membran gehalten.

Eine Membran dieser Ausführungsform wird in dem Ventil nach Fig. 3 verwendet.

Bei den erfindungsgemäßen Membranventilen fallen der Antriebs­ kolben und die Dichtringe. Insbesondere durch den Wegfall der dynami­ schen Dichtungen entfällt auch die Haftreibung und die Gleitreibung, die sich besonders bei tiefen Temperaturen nachteilig aus­ wirkt. Die Schaltsicherheit des Ventiles verbessert sich dadurch erheblich. Ferner ist das erfindungsgemäße Ventil konstruktiv einfacher aufgebaut, die Zahl der Teile wird reduziert und das Bauvolumen und der Montageaufwand erheblich verringert. Bei dem Ventil nach der Erfindung übernimmt die Membran die Funktion des Antriebs, die Funktion einer Trennmembran, die Funktion der äußeren Abdichtung des Ventils und teilweise oder ganz die Funktion der Ventilfeder. Sie hat gute dynamische Eigen­ schaften, auch bei tiefen Temperaturen, da die dynamischen Dich­ tungen entfallen. Durch den Wegfall der Dichtungen entstehen auch weniger potentielle Leckagestellen.

Als Material für die Hartmembran eignet sich beispielsweise Kunststoff mit federnden Eigenschaften, z. B. PEEK (Polyether­ etherketon) oder Stahl mit federnden Eigenschaften, z. B. Feder­ stahl.

Claims (10)

1. Membranventil mit einem Gehäuse mit Zulauf und Ablauf, einer Membran, einem Ventilsitz und einem mit diesem zusammenwirkenden Dichtelement, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (42, 45) eine Hartmembran ist, durch welche das Dichtelement (50) im wesentlichen direkt betätigbar ist.

2. Membranventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (42, 45) aus einem chemisch und ther­ misch resistenten Kunststoff gespritzt ist.

3. Membranventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (43) aus einer metallischen Folie be­ steht, die längs ihres Außenrandes mit Kunststoff um­ spritzt ist.

4. Membranventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das elastomere Dichtelement (50) direkt an der Membran (45) angeordnet und an ihr befestigt ist.

5. Membranventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (42, 43, 45) längs ihres Umfanges mit dem Gehäuse des Ventiles ultraschallverschweißt ist.

6. Membranventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Ventilgehäuse ein Ventilschieber (44) axial verschiebbar angeordnet ist, der durch die Membran (42, 43) beaufschlagbar und mit dem Dichtelement (50) verbunden ist.

7. Membranventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschieber (44) mittels einer Rückstell­ feder (46) in Schließstellung des Ventils rückstell­ bar ist.

8. Membranventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (42, 43, 45) elastisch federnd ausge­ bildet ist, derart, daß sie wegen ihrer eigenen Elas­ tizität in ihre Ausgangsposition rückstellbar ist.

9. Membranventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Membran (45) und das direkt mit ihr ver­ bundene Dichtelement (50) der Ventilsitz (52) direkt geöffnet und geschlossen werden kann.

10. Membranventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschieber (44) an einem Ende z. B. zwei axiale Achsen (60) aufweist, die durch die Membran (42, 43) beaufschlagbar sind, während er am anderen Ende einen axialen ringförmigen Flansch (64) besitzt, in welchem das Dichtelement (50) angeordnet und be­ festigt ist.