DE69016628T2

DE69016628T2 - Membran-gesteuertes Regelventil.

Info

Publication number: DE69016628T2
Application number: DE69016628T
Authority: DE
Inventors: Zvi Weingarten
Original assignee: Bermad LP
Current assignee: Bermad LP
Priority date: 1989-12-22
Filing date: 1990-12-14
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2010-12-15
Also published as: IL92851A; AU6795190A; GR3014950T3; IL92851A0; DE69016628D1; ZA909817B; AU642936B2; JPH0446276A; TR26097A; ES2067715T3; BR9006642A; EP0434598A1; HK1006325A1; EP0434598B1; MX173221B; US5383646A; ATE118076T1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Membranventile, die z.B. als Absperrventile sowie als durchflußabhängige oder druckabhängige Regelventile benutzt werden.
Eine große Anzahl von Membransteuerventilen ist bereits entwickelt worden. Üblicherweise haben sie ein Gehäuse mit einem Einlaß, einem Auslaß und einem Durchlaß, der von einem Ventilsitz umgeben ist, für den Strom von Fluid von dem Einlaß zu dem Auslaß; und ein Verschlußstück, das eine Membran innerhalb des Gehäuses aufweist, die auf den und weg von dem Ventilsitz verlagerbar ist, um den Strom durch diesen hindurch zu steuern. Die Membran hat einen äußeren Umfangsabschnitt, der über einer Öffnung in dem Gehäuse in Ausrichtung mit dem Ventilsitz befestigt ist, einen Ventilverschlußabschnitt, der in bezug auf den Ventilsitz verlagerbar ist, um den Strom durch diesen hindurch zu steuern, einen flexiblen Zwischenabschnitt, der die Verlagerung des Ventilverschlußabschnitts gestattet, und einen zylindrischen Führungsabschnitt zwischen dem Ventilverschlußabschnitt und dem flexiblen Zwischenabschnitt. Ein Beispiel dieses Ventiltyps, der durch eine manuell bewegbare Spindel betätigt wird, ist in der CH-A-304 128 beschrieben, und ein Beispiel dieses Ventiltyps, der durch einen Elektromagneten betätigt wird, ist in der US-A-4 505 450 beschrieben. Die bekannten Ventile dieses Typs sind jedoch üblicherweise durch relativ hohe Druckabfälle, Turbulenz und andere schlechte Strömungseigenschaften und/oder durch das Erzeugen eines hohen Ausmaßes an "Rattern" während des Schließens des Ventils gekennzeichnet.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Membransteuerventil mit: einem Gehäuse, das einen Einlaß, einen Auslaß und einen Durchlaß, der von einem Ventilsitz umgeben ist, für den Strom von Fluid von dem Einlaß zu dem Auslaß hat; und einem Verschlußstück mit einer Membran innerhalb des Gehäuses, die hin zu und weg von dem Ventilsitz verlagerbar ist, um das Hindurchströmen durch diesen zu steuern; wobei die Membran einen äußeren Umfangsabschnitt aufweist, der über einer Öffnung in dem Gehäuse in Ausrichtung mit dem Ventilsitz befestigt ist, einen Ventilverschlußabschnitt, der in bezug auf den Ventilsitz verlagerbar ist, um das Hindurchströmen durch diesen zu steuern, einen flexiblen Zwischenabschnitt, der die Verlagerung des Ventilverschlußabschnitts gestattet, und einen zylindrischen Führungsabschnitt zwischen dem Ventilverschlußabschnitt und dem flexiblen Zwischenabschnitt; dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine Wand aufweist, die eine Steuerkammer zwischen sich und der Membran begrenzt, und eine Einrichtung zur Druckbeaufschlagung der Steuerkammer, um dadurch das Ventilverschlußstück der Membran zu dem Ventilsitz hin zu verlagern; wobei das Gehäuse weiter eine zylindrische Führungsfläche zwischen der Öffnung in dem Gehäuse und dem Ventilsitz aufweist, die mit dem zylindrischen Führungsabschnitt der Membran in Berührung bringbar ist, um die Bewegung des Ventilverschlußabschnitts der Membran zu führen; wobei der zylindrische Führungsabschnitt der Membran ausreichend elastisch ist, so daß, wenn die Steuerkammer mit Druck beaufschlagt wird, um den Ventilverschlußabschnitt zu dem Ventilsitz hin zu verlagern, der Differenzdruck zwischen dem in der Steuerkammer und dem Ventilauslaß den zylindrischen Führungsabschnitt nach außen verlagert, um zu bewirken, daß er fest gegen die zylindrische Führungsfläche des Gehäuses gepreßt wird und dadurch den Ventilverschlußabschnitt daran hindert, zu vibrieren oder schlagartig in eine geschlossene Position zu gehen.
Diese Kombination von Merkmalen ergibt einen wirksameren und ruhigeren Betrieb als bei den Membransteuerventilen des oben zitierten Standes der Technik. Wenn die Steuerkammer unter Druck gesetzt wird, um den Ventilverschlußabschnitt zu dem Ventilsitz hin zu verlagern, verlagert der Differenzdruck zwischen der Steuerkammer und dem Auslaß den zylindrischen Führungsabschnitt- der Membran nach außen, um zu bewirken, daß er fest gegen den zylindrischen Führungsabschnitt des Gehäuses gepreßt wird, um dadurch den Ventilverschlußabschnitt daran zu hindern, zu vibrieren oder schlagartig in eine geschlossene Position zu gehen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.
In den Zeichnungen ist:
Fig. 1 eine Querschnittansicht, die eine Ausführungsform eines Membranventils zeigt, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, wobei das Ventil in seiner geschlossenen Position ist;
Fig. 2 eine Ansicht ähnlich der in Fig. 1, zeigt aber das Ventil in seiner offenen Position;
Fig. 3 eine Draufsicht, die das Ventil nach den Fig. 1 und 2 bei abgenommenem Deckel zeigt;
Fig. 4 eine Unteransicht, die den Deckel des Ventils nach den Fig. 1 und 2 zeigt; und
Fig. 5 eine Darstellung eines Membranventils mit einer Schließspindel, das geinäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
Das Ventil, das in den Fig. 1-4 der Zeichnungen dargestellt ist, weist ein insgesamt mit 2 bezeichnetes Gehäuse auf, das mit einem Einlaß 4, einem Auslaß 6 und einem Durchlaß 8 versehen ist, welch letzterer von einem Ventilsitz 10 umgeben ist, für den Strom von Fluid, z.B. Wasser, von dem Einlaß zu dem Auslaß. Das Gehäuse 2 enthält weiter ein insgesamt mit 12 bezeichnetes Verschlußstück, das in dem Gehäuse 2 angeordnet und zu dem Ventilsitz 10 hin und von demselben weg verlagerbar ist, um das Hindurchströmen des Fluids zu steuern. Wenn das Ventil in einem geschlossenen Zustand ist, berührt das Verschlußstück 12 den Sitz 10, um ihn dicht zu verschließen. Wenn das Ventil ein Regelventil ist, wäre das Verschlußstück 12 von dem Sitz 10 weg und zu demselben hin verlagerbar, um so das Hindurchströmen des Fluids zu regulieren. Die Regulierung kann entweder aufgrund der Strömung erfolgen, wenn das Ventil eine Strömungsregulierung bewirkt, oder in Abhängigkeit vom Druck, wenn das Ventil eine Druckregulierung bewirkt.
Das Verschlußstück 12 besteht aus zwei Hauptbauteilen, nämlich einer Membran 14 aus elastomerem Werkstoff und einem Einsatz 16 aus starrem Werkstoff wie Metall.
Die Membran 14 hat einen äußeren Umfangsabschnitt 14a zum Befestigen der Membran innerhalb des Gehäuses; einen Ventilverschlußabschnitt 14b, der in bezug auf den Ventilsitz 10 zum Steuern des Hindurchströmens verlagerbar ist; einen flexiblen Zwischenabschnitt 14c, der die Verlagerung des Abschnitts 14b gestattet; und einen zylindrischen Führungsabschnitt 14d zwischen den Abschnitten 14b und 14c. Es hat weiter einen zentralen, kreisförinigen Vorsprung oder Schaft 14e von kegelstumpfförmiger Konfiguration, der von der inneren Stirnseite des Abschnitts 14b aus vorsteht.
Die Membran 14 ist weiter mit einer abgeschrägten äußeren Oberfläche versehen, wie bei 14f gezeigt, die die Dichtung verbessert, welche bewirkt wird, wenn der Membranabschnitt 14b auf dem Ventilsitz 10 aufsitzt, wie es im folgenden beschrieben ist.
Der starre Einsatz 16 ist mit einer zylindrischen Seitenwand 16a versehen, welche die innere Oberfläche des Abschnitts 14d der Membran erfaßt; mit einer kreisförmigen Endwand 16b, die die innere Oberfläche des Membranabschnitts 14b erfaßt; und mit einer zentralen Öffnung 16c zum Aufnehmen des zentralen Vorsprungs 14e der Membran.
Das Gehäuse 2 hat weiter einen Deckel oder eine Kappe 20, die den äußeren Umfangsabschnitt 14a der Membran 14 erfaßt und festlegt, z.B. mittels Schrauben, welche durch Öffnungen 21 (Fig. 3) in einem Flansch 22, die in dem Gehäuse gebildet sind, hindurchgeführt sind. Das Gehäuse hat weiter eine zylindrische Führungsfläche 24, die mit der äußeren Oberfläche des zylindrischen Führungsabschnitts 14d der Membran in Berührung bringbar ist.
Der Deckel 20 bildet so eine Kammer 26 zwischen sich und dem Verschlußstück 12. Eine Feder 28 ist in dieser Kammer angeordnet und drängt das Verschlußstück 12 und insbesondere dessen Membran 14 in die geschlossene Position auf dem Ventilsitz 10, die in Fig. 1 gezeigt ist. Die innere Stirnfläche des Deckels 20 ist mit mehreren Rippen 29 versehen, um die Einwärtsbewegung der Membran 14 zu begrenzen, wenn diese in ihrer offfene Position bewegt wird, die in Fig. 2 gezeigt ist.
Der Deckel 20 hat weiter einen oder mehrere Anschlüsse 30, die über eine Leitung 31 mit einem Steuerventil, wie es bei 32 in Fig. 1 gezeigt ist, verbunden werden können, um den Druck innerhalb der Kammer 26 zu steuern. Dem Druck innerhalb dieser Kammer sowie der Kraft der Feder 28 widersetzt sich der Einlaßdruck, der auf die entgegengesetzte Stirnseite der Membran 14 ausgeübt wird. In einer Position (der mit ausgezogener Linie dargestellten Position) des Steuerventils 32 verbindet es seinen Anschluß 32a mit seinem Anschluß 32b, wodurch die Steuerkammer 26 über die Leitungen 33 und 31 mit dem Einlaßdruck beaufschlagt wird; und in einer weiteren Position des Steuerventils (der mit unterbrochener Linie dargestellten Position) verbindet es die Steuerkammer 26 über seinen Anschluß 32c mit der Atmosphäre. Wenn das Ventil in seinem geschlossenen Zustand ist, wird es durch den Differenzdruck an dem Ventil, der auf die Differenzflächen der Membran (Durchmesser "D" minus Durchmesser "d") einwirkt, plus die Kraft der Feder geschlossen gehalten.
Das Gehäuse 2 ist weiter mit einer gleichmäßig konvergierenden Einlaßverengung 34 unmittelbar stromaufwärts des Ventildurchlasses 8 und mit einem sich gleichmäßig erweiternden Abschnitt 35 unmittelbar stromabwärts des Durchlasses versehen. In Fig. 1 ist zu erkennen, daß sowohl der Gehäuseeinlaß 4 als auch der Gehäuseauslaß 6 eine gemeinsame Achse 36 haben. Die Achse des Verengungsabschnitts 38 bildet einen Winkel zwischen 35º und 45º, vorzugsweise von etwa 40º, mit der gemeinsamen Achse 36 des Einlasses und des Auslasses.
Das Gehäuse 2 ist weiter mit einem ringförmigen Flansch 40 an seinem Einlaß 4 zum Befestigen des Gehäuses an dem stromaufwärtigen Rohr und mit einem weiteren ringförmigen Flansch 42 an seinem Auslaßende 6 zum Befestigen des Gehäuses an dem stromabwärtigen Rohr versehen.
Die arbeitsweise des Ventils wird nun beschrieben.
Wenn das Steuerventil 32 in der mit unterbrochener Linie dargestellten Position ist, die in Fig. 1 gezeigt ist, ist der Anschluß 32a mit der Atmoshpäre über den Anschluß 32c verbunden, und deshalb wird die Steuerkammer 26 in die Atmosphäre entlüftet. Wenn der Einlaß 4 nicht mit einem Druckfluid verbunden ist, wird die Feder 28 das Verschlußstück 12 in seine geschlossene Position bewegen, die in Fig. 1 dargestellt ist. Wenn jedoch Druckfluid dem Einlaß 4 zugeführt wird, wird der Einlaßdruck, mit dem die stromaufwärtige Stirnseite der Membran 14 beaufschlagt wird, ausreichen, um die Kraft der Feder 28 zu überwinden, und wird dadurch das Ventil in seine offene Position bewegen.
Immer dann, wenn das Ventil geschlossen werden soll, wird das Steuerventil 32 in seine mit ausgezogener Linie dargestellte Position gebracht, in der der Einlaßdruck über die Anschlüsse 32b, 32a die Steuerkammer 26 beaufschlagt. Dieser ist mit den Kräften auf den entgegengesetzten Seiten des Verschlußstücks 12 im wesentlichen im Gleichgewicht, so daß die Feder 28 beginnt, das Verschlußstück 12 in seine geschlossene Position zu bewegen.
Die Bewegung des Verschlußstücks 12 in die geschlossene Position wird durch die Konstruktion der Membran 14 und den starren Einsatz 16 in folgender Hinsicht stabilisiert:
Während der Schließbewegungen des Verschlußstücks 12 beginnt der stromabwärtige Druck abzusinken, wenn sich das Verschlußstück 12 näher zu dem Ventilsitz 10 bewegt. Der stromaufwärtige Druck innerhalb der Kammer 26 verlagert daher den elastischen, zylindrischen Führungsabschnitt 14d der Membran 14 nach außen, wobei dieser Abschnitt gegen die zylindrische Führungsfläche 24 des Gehäuses gepreßt wird. Dieser Vorgang führt die Abwärtsbewegung der Membran zu dem Ventilsitz 10 und hindert die Membran an einem schlagartigen Schließen oder am Vibrieren. Die starre zylindrische Seitenwand 16a des starren Einsatzes 16 hindert auch die Membran an einer seitlichen Bewegung. Die seitliche Bewegung der Membran wird weiter durch den Vorsprung 14e der Membran verhindert, der den Rand der Öffnung in der Endwand 16b des starren Einsatzes 16 erfaßt.
Darüber hinaus erzeugt der stromaufwärtige Druck innerhalb der Kammer 26 eine Konzentration von Kräften an der Verbindungsstelle der abgeschrägten Oberfläche 14f der Membran in bezug auf den übrigen Teil des Membranabschnitts 14b. Das ergibt einen effektiven kreisringförmigen Vorsprung, welcher den Ventilsitz 10 erfaßt, um dadurch die Abdichtung zwischen dem Membrandichtabschnitt 14b und dem Ventilsitz zu verbessern. Während der normalen Strömung wird jedoch dieser ringförmige Vorsprung nicht erzeugt und kann deshalb das Hindurchströmen durch den Ventildurchlaß nicht behindern.
Weiter werden durch den Winkel von 40º zwischen der Achse 38 der Einlaßverengung 32 und der Einlaßachse 36 und durch die glatten Verbindungsstellen der Einlaßverengung unmittelbar stromaufwärts und stormabwärts des Ventilsitzes 10 die Eigenschaften des Hindurchströmens des Fluids durch die Ventilöffnung 8 stark verbessert, wodurch Turbulenz verringert wird und der Druckabfall an dem Ventil während des normalen Betriebes des Ventils vermindert wird.
Die vorgenannten Vorteile, insbesondere die verbesserten stabilisierten Führungseigenschaften der Membran, ergeben sich auch dann, wenn das Ventil benutzt wird, um eine Stromregel- oder Druckregelfunktion zu erfüllen. Das Ventil wird durch den Druck in der Steuerkammer 26 gesteuert, der durch ein Steuerventil geliefert wird, das in der Lage ist, in der Kammer 26 einen regulierenden Druck aufzubauen, statt eines Ein/Aus-Druckes. Es ist zu erkennen, daß, wenn das Ventil zur Regelung benutzt wird, der Abschnitt 14b der Membran 14 sich hin zu und weg von dem Ventilsitz 10 bewegt, um die Durchflußleistung in dem Durchlaß 8 zu steuern, statt den Druchfluß durch diesen Durchlaß vollständig abzusperren.
Fig. 5 veranschaulicht ein Membranventil mit demselben Aufbau, wie er oben beschrieben worden ist, mit der Ausnahme, daß das Verschlußstück, das insgesamt mit 112 bezeichnet ist, auch durch eine drehbare Spindel 140 geschlossen werden kann, welche durch einen Griff 142 an einem Ende drehbar und mit einer Lagerplatte 144 in Berührung bringbar ist, die auf der inneren Oberfläche des starren Einsatzes 116 des Verschlußstücks vorgesehen ist. Sowohl die Membran 114 als auch der starre Einsatz 116 des Verschlußstücks 112 sind so aufgebaut, wie es oben beschrieben worden ist, arbeiten im wesentlichen auf dieselbe Weise und erbringen im wesentlichen dieselben Vorteile, mit der Ausnahme, daß das Ventil auch durch Drehen des Griffes 142 manuell geschlossen werden und geschlossen gehalten werden kann.

Claims

1. Membransteuerventil mit: einem Gehäuse (2), das einen Einlaß, (4), einen Auslaß (6) und einen Durchlaß (8), der von einem Ventilsitz (10) umgeben ist, für den Strom von Fluid von dem Einlaß zu dem Auslaß hat; und einem Verschlußstück (12; 112) mit einer Membran (14; 114) innerhalb des Gehäuses, die hin zu und weg von dem Ventilsitz verlagerbar ist, um das Hindurchströmen durch diesen zu steuern; wobei die Membran einen äußeren Umfangsabschnitt (14a) aufweist, der über einer Öffnung in dem Gehäuse in Ausrichtung mit dem Ventilsitz befestigt ist, einen Ventilverschlußabschnitt (14b), der in bezug auf den Ventilsitz verlagerbar ist, um das Hindurchströmen durch diesen zu steuern, einen flexiblen Zwischenabschnitt (14c), der die Verlagerung des Ventilverschlußabschnitts gestattet, und einen zylindrischen Führungsabschnitt (14d) zwischen dem Ventilverschlußabschnitt und dem flexiblen Zwischenabschnitt; dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine Wand (20) aufweist, die eine Steuerkammer (26) zwischen sich und der Membran begrenzt, und eine Einrichtung (30, 32) zur Druckbeaufschlagung der Steuerkammer, um dadurch das Ventilverschlußstück der Membran zu dem Ventilsitz hin zu verlagern; wobei das Gehäuse weiter eine zylindrische Führungsfläche (24) zwischen der Öffnung in dem Gehäuse und dem Ventilsitz aufweist, die mit dem zylindrischen Führungsabschnitt (14d) der Membran in Berührung bringbar ist, um die Bewegung des Ventilverschlußabschnitts der Membran zu führen; wobei der zylindrische Führungsabschnitt der Membran (14d) ausreichend elastisch ist, so daß, wenn die Steuerkammer (26) mit Druck beaufschlagt wird, um den Ventilverschlußabschnitt (14b) zu dem Ventilsitz (10) hin zu verlagern, der Differenzdruck zwischen dem in der Steuerkammer (26) und dem Ventilauslaß (16) den zylindrischen Führungsabschnitt (14d) nach außen verlagert, um zu bewirken, daß er fest gegen die zylindrische Führungsfläche (24) des Gehäuses gepreßt wird und dadurch den Ventilverschlußabschnitt (14b) daran hindert, zu

vibrieren oder schlagartig in eine geschlossene Position zu gehen.

2. Ventil nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (14) eine einzelne Einheit aus elastomerem Material ist, die einstückig mit dem äußeren Umfangsabschnitt (14a), dem Ventilverschlußabschnitt (14b), dem flexiblen Zwischenabschnitt (14c) und dem zylindrischen Führungsabschnitt (14d) ausgebildet ist.

3. Ventil nach Anspruch 2, wobei der Ventilsitz (10) eine kreisförmige Konfiguration hat und einen kleineren Durchmesser als der zylindrische Führungsabschnitt (14d) der Membran (14) aufweist.

4. Ventil nach einem der Ansprüche 1-3, wobei die Gehäusewand (20), die die Steuerkammer (26) begrenzt, ein Deckel ist, der an dem übrigen Teil des Gehäuses lösbar befestigt ist.

5. Ventil nach einem der Ansprüche 1-4, weiter mit einer drehbaren Spindel (140), die durch eine Wand des Gehäuses hindurchgeführt ist und an dem Verschlußstück trägt, um dasselbe zu seinem Ventilsitz hin- und von demselben wegzubewegen.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1-5, wobei das Verschlußstück (12; 112) weiter einen starren Einsatz (16; 116) aufweist, der eine zylindrische Seitenwand (16a) hat, die die innere Oberfläche des zylindrischen Führungsabschnitts (14d) der Membran erfaßt, und eine zylindrische Endwand (16b), die die innere Oberfläche des Ventilverschlußabschnitts (14b) der Membran erfaßt.

7. Ventil nach Anspruch 6, wobei die innere Oberfläche des Ventilverschlußabschnitts (14b) der Membran mit einem zentralen Vorsprung (14e) versehen ist und wobei die Endwand (16b) des starren Einsatzes mit einem Loch versehen ist, das den zentralen Vorsprung aufnimmt.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 1-7, wobei der Ventilverschlußabschnitt (14b) der Membran an seiner unteren, äußeren Oberfläche abgeschrägt (14f) ist.

9. Ventil nach einem der Ansprüche 1-8, wobei der äußere Umfangsabschnitt (14a) der Membran (14) zwischen einem Flansch (22), der an dem Ventilgehäuse (2) vorgesehen ist, und einem Deckel (20) befestigt ist, der an dem Flansch befestigt ist, wobei der Deckel mit inneren Rippen (29) zum Begrenzen der Verlagerung der Membran versehen ist.

10. Ventil nach einem der Ansprüche 1-9, wobei das Gehäuse mit einem konvergierenden Verengungsabschnitt (34) unmittelbar stromaufwärts des Durchlasses (8) und mit einem Diffusorabschnitt (35) unmittelbar stromabwärts des Durchlasses versehen ist und wobei der Gehäuseeinlaß (4) und -auslaß (6) auf einer gemeinsamen Achse (36) liegen und die Achse des Verengungsabschnitts einen Winkel von 35-45º mit der gemeinsamen Achse bildet.