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Diese Erfindung betrifft Fluid-Handhabungs-Vorrichtungen
und Ventilkegelkörper,
die mit ätzenden
Liquiden zum Einsatz kommen können, ohne
dass dabei eine Qualitätsminderung
der Ventilkomponenten eintritt, sowie mit chemisch reinen Liquiden,
ohne dass dabei die Liquide schadhaft angegriffen werden; genauer
gesagt, bezieht sich die Erfindung auf eine Ventilvorrichtung mit
Rollmembranventilkegel, die es zulässt, dass die Ventilvorrichtung kompakter
im Umfang bemessen werden kann als herkömmliche Konstruktionen für Ventilkegel
oder Membranventile, welche eine ähnliche Ventilkegelhublänge aufweisen,
und die dazu entwickelt worden ist, chemisch aggressive und chemisch
reine Liquide zu transportieren, ohne dass die Liquide in der Qualität gemindert
und schadhaft beeinflusst werden.
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Fluidstrom-Steuerungsventile kommen
in Anwendungen zum Einsatz, in denen das Ventilinnere ätzend säurehaltigen
und kaustisch beizenden Liquiden ausgesetzt ist, oder in denen die
Reinheit der durch die Ventilvorrichtung strömenden Liquide aufrecht erhalten
werden muss. Ein Beispiel für
eine solche Applikation ist in der produzierenden Halbleiter-Herstellindustrie
zu finden, wo bei Verarbeitungschemikalien, die über ein Steuerungsventil geleitet werden,
ein hoher Grad an chemischer Reinheit beibehalten werden muss, um
eine Kontaminierung zu verhindern, die unter Mikroskopie sichtbar
auftreten kann. Solche Ventilvorrichtungen werden entweder mit relativ
inaktiven Materialien zusammengebaut, wie beispielsweise mit fluorhaltigen
Kunststoffen oder sonstige Polymermaterialien, oder die Ventiloberflächen, die
mit den strömenden
Liquiden in Kontakt treten, oder die möglicherweise mit den Liquiden in
Kontakt kommen können,
werden mit solch reaktionslosen Materialien beschichtet.
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Fluidstrom-Steuerungsventile nach
dem bekannten Stand der Technik werden in der Regel in geschlossener
Position durch eine Federkraft unter Vorbelastung gesetzt und werden
mittels eines Solenoid-Schaltantriebs oder Betätigungsmittels in einen Arbeitskontakt
versetzt, die mit pneumatischem oder hydraulischem Druck oder dergleichen
betrieben werden. Ventilschließfedern,
die für
solche Ventile typisch sind, werden aus einem metallischen Material hergestellt
und so konstruiert, dass sie eine federnde Wirkungsweise gewährleisten
können.
Solche Fluidstrom-Steuerungsventile weisen auch mindestens eine
Membran auf, die innerhalb der Ventilkammer des Ventils untergebracht
ist. Die Membran ist mit dem Liquid in Kontaktbereitschaft angeordnet
und dient zur Verhinderung, dass das Fluid aus der Ventilkammer
in den Ventilbetriebsmechanismus und in das Umfeld entweicht. Eine
ist innerhalb der Kammer axial untergebracht, wobei die Membran
am Ende der Ventil-Aufziehwelle befestigt ist, und wobei ein Ventilkegelaufbau
ausgebildet wird. Die Membran umschließt einen peripheren Kantenbereich,
der mit einem benachbarten Wandbereich des Ventilkörpers an
jedem entgegengesetzten Ende des Ventilkörpers in Eingriff ist.
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Die Ventilschließfedern sind in der Regel benachbart
zu einer Fläche
der Ventilmembran angeordnet, die nicht dem durch die Ventilvorrichtung
geleiteten Verarbeitungsfluid ausgesetzt ist. Die Beförderung
des Verarbeitungsfluids über
die Ventilvorrichtung wird durch die Betätigung der Ventil-Aufziehwelle
innerhalb der Kammer gegen einen Ventilsitz gesteuert. Der Antrieb
der Ventil-Aufziehwelle wird zum Teil durch die Steuerungsdeformation
der Membran untergebracht. Die auf diese Weise konstruierten Steuerungsventile
sind für
Störungen
anfällig
sowohl auf Grund der Möglichkeit
des etwaigen Membranberstens als auch auf Grund einer großen Anzahl von
Auslaufpfadmöglichkeiten,
die einer solchen Konstruktion anhaften. Eine auf diese Weise konstruierte
Ventilvorrichtung hat zwei Auslaufpfade oder potentielle Durchlaufpfade,
durch welche das in der Ventilkammer befindliche Fluid in den Ventilbetriebsmechanismus
oder in das Umfeld entweichen kann. Ein Auslaufpfad wird am Befestigungspunkt
zwischen der Membran und dem Ende der Ventil-Aufziehwelle gebildet;
ein weiterer Auslaufpfad wird zwischen der peripheren Kante einer
jeden Membranseite und den Ventilkörperwänden gebildet.
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Ein Membranbersten oder Leckauslaufen
eines der Auslaufpfade ist nicht wünschenswert, da dabei die Entweichung
der über
die Ventilkammer geleiteten Verarbeitungschemikalie in den Ventilkörper möglich wird,
in dem die ätzende
oder beizende Chemikalie mit der Ventilfeder in Kontakt kommt, wodurch
eine Quelle für
eine ionische Kontaminierung an der Verarbeitungschemikalie hergestellt
und auf andere nachfolgende Verarbeitungseinheiten der Chemikalie
weitergegeben wird.
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Außerdem kann das Membranbersten
oder Auslaufen zu einer Entweichung der Verarbeitungschemikalie
aus der Ventilkammer über
den Ventilkörper
und auf den Boden oder in die Atmosphäre führen, wo die spezielle Verarbeitungschemikalie
eine Gefahr für
die Umwelt oder die Gesundheit des anwesenden Gerätebedienungspersonals
verursachen kann.
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Die Möglichkeit eines Membranberstens oder
von Leckauslaufstellen schränkt
den Umfang ein, mit dem solche Ventilvorrichtungen unter hohem Verarbeitungsdruck
oder hohen, verarbeitenden Temperaturanwendungen eingesetzt werden
können.
Die in solchen Ventilvorrichtungen eingesetzte Membran ist so entwickelt,
dass sowohl ein gewünschtes
Maß an
elastischer Verformung zugelassen wird, um eine Ventil-Aufziehwellenbetätigung zu ermöglichen,
als auch um eine Barriere zur Verhinderung einer ungewollten Abwanderung
des Verarbeitungsfluids aus der Ventilkammer in eine Betätigungskammer
der Ventilvorrichtung bereitzustellen. Wenn auch letztlich eine
Barrierenausführung
durch das Maximieren der Stärke
der Membran erreicht werden kann, wird eine maximale Membranstärke von
der gebotenen Notwendigkeit beherrscht, eine Membran herzustellen,
die imstande ist, sich in einem gewünschten Ausmaß elastisch
zu verformen, um einen Ventil-Aufziehwellenantrieb gewährleisten zu
können.
Gerade diese Notwendigkeit gebietet weiter, dass die Membran verformbar
aufrechterhalten wird, was aber die Temperatur und den Druck einschränkt, unter
denen die Ventilvorrichtung in einem sicheren Betriebszustand funktionieren
kann, und daher kann davon ausgegangen werden, dass der maximale
Betriebsdruck und die maximalen Betriebstemperaturen für die Ventilvorrichtung
in dieser Hinsicht ausgerichtet sind.
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Die Konstruktion eines Fluidstrom-Steuerungsventils
mit einem Ventilkegelaufbau, der mit dem Einsatz einer solchen Ventil-Aufziehwelle
und Membrankomponente entworfen ist, beeinflusst die Größe der Ventilvorrichtung
selbst, da die Hublänge der
Ventil-Aufziehwelle in engem Zusammenhang mit dem Durchmesser der
Membran steht. Gewöhnlich
gilt, je länger
die gewünschte
Ventil-Aufziehwellen-Hublänge sein
soll, desto größer muss
der Durchmesser der Membran sein, um eine solche Hublänge gewährleisten
zu können.
Hinzu kommt, dass die Größe einer
speziellen Ventilvorrichtung, die für den Betrieb eines bestimmten
Maximaldrucks und einer bestimmten Maximaltemperatur ausgerichtet
ist, unter anderem von der Größe der Membran
abhängig ist,
die aber zur Bereitstellung von Eigenschaften für eine adäquate Verformung und für die Barrierenausführung erforderlich
ist. Gewöhnlich
gilt, je hochgradiger die Ventilvorrichtung bemessen wird, das heißt, je höher die
Strömung
sein soll, desto größer muss
die Ventilvorrichtung selbst für
die Notwendigkeit sein, eine Membran in geeignet bemessener Größe zur Verfügung stellen
zu können,
damit solchen Strömungskonditionen
standgehalten werden kann.
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Bei der Behandlung von Fluids, wobei
der belegte Raum durch die Fluid-Handhabungs-Vorrichtung
bzw. durch die Ventilvorrichtung in einem Fluidbehandlungssystem
auf einen Spitzenwert kommt, ist es wünschenswert, dass solche Ventilvorrichtungen
bezüglich
ihrer Größe kompakt
bzw. klein gehalten sind. Bei der Behandlung von Liquiden, in denen die
Chemikalienreinheit aufrechterhalten werden muss, um den gewünschten
Grad an Qualität
bezüglich
des herzustellenden Produkts unter Verwendung solcher Verarbeitungsliquide
gewährleisten
zu können,
und wobei ein Entweichen der Verarbeitungsliquide in das Umfeld
unerwünscht
ist, ist es erstrebenswert, dass die Ventilvorrichtung so hergestellt wird,
dass sie sowohl: (1) die Möglichkeit
ausschaltet, dass Verunreinigungssubstanzen in den Verarbeitungsprozess
gelangen können,
welche durch Kontakt des Verarbeitungsliquids mit Ventilelementen während der
Weiterleitung durch sie hindurch verursacht werden: und (2) die
Möglichkeit
minimiert, dass das Verarbeitungsliquid aus der Ventilkammer in
andere Teile der Ventilvorrichtung oder in das Umfeld entweicht.
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Es ist auch anzustreben, dass die
zu konstruierende Ventilvorrichtung eine kompakte Größe aufweist,
die kleiner als herkömmliche
Membranventil- oder Ventilkegel-Vorrichtungen ist, welche für den Betrieb
der gleichen Strömungsfluss-Konditionen ausgerichtet
sind. Außerdem
sollte die Ventilvorrichtung aus einem Material hergestellt sein,
das einen hohen Grad an Chemikalienresistenz und Thermoresistenz
aufweist, um einer Qualitätsminderung
durch Kontakt mit ätzend
säurehaltigen
und kaustisch beizenden Chemikalien oder dergleichen besser Widerstand
leisten zu können.
Die Ventilvorrichtung sollte auch so konstruiert sein, dass sie
zu einer Reduzierung der anhaftenden Auslaufleckpfadmöglichkeiten führt, wodurch
das Potenzial bezüglich
eines Durchsickerns von Chemikalien in die Umwelt minimiert wird.
Die Ventilvorrichtung sollte imstande sein, bei hohen Temperaturen
und unter hohem Druck funktionieren zu können, ohne dass die Gefahr
eines Ventildefekts oder Chemikaliendurchsickerns besteht. Die Ventilvorrichtung
sollte auch so ausgelegt sein, damit herkömmliche Produktionsgrundlagen
bezüglich
Materialverfügbarkeit
zur Reduzierung der Kosten zur Herstellung einer solchen Ventilvorrichtung
angewendet werden können.
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Die Patentanmeldung EP-A-0085852
veröffentlicht
einen Ventilkegel zur Steuerung der Fluidströmung über eine Fluid-Handhabungs-Vorrichtung, wobei
der Ventilkegel innerhalb der Fluidkammer der Fluid-Handhabungs-Vorrichtung
angeordnet ist und umfasst: ein an einen Kolben anschließbares erstes Ende
zur Bereitstellung von Pendelbewegung innerhalb der Fluid-Handhabungs-Vorrichtung;
einen Ventilkegelkopf, der an einem zweiten Ende des Ventilkegels
positioniert ist, wobei der Kopf eine Außenfläche aufweist, die während einer
Anwendung so angepasst ist, um mit einem benachbarten Teil der Fluid-Handhabungs-Vorrichtung
in Wechselwirkung treten zu können,
damit der dazwischen liegende Fluidstrom gesteuert wird; eine Ventilkegelbüchse, die sich
vom Kopf weg axial erstreckt und die eine elastische, dünnwandige
Konstruktion aufweist; sowie einen Flansch, der sich von der Ventilkegelbüchse weg radial
erstreckt, um eine periphere Kante des Ventilkegels zu auszubilden,
wobei die Pendelbewegung des Ventilkegelkopfes mit Bezug zum Ventilflansch mittels
Roll- und Abrollbewegung der Ventilkegelbüchse zugelassen wird.
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Die vorliegende Erfindung stellt
einen verbesserien Ventilkegel sowie ein Verfahren zur Steuerung
der Fluidströmung
zur Verfügung,
wie nach den Nebenansprüchen 1 und 5 definieri
ist.
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Die nach den Grundlagen dieser Erfindung konstruierte
Fluidstrom-Steuerungsvorrichtung
umfasst im Allgemeinen einen Ventilkörper, einen im Ventilkörper angeordneten
Kolben und einen Rollmembranventilkegel, der am Kolben befestigt
ist und der den Fluidstrom durch die Ventilvorrichtung über seine
Wechselwirkung mit einem Ventilsitz im Ventilkörper reguliert. Genauer gesagt,
der Ventilkörper kann
aus einer, zwei oder mehreren, übereinander angeordneten
Ventilkomponenten ausgebildet sein, die eine zentrale Kammer aufweisen,
die sich durch sie hindurch erstreckt. Die Kammer umfasst an einem
Ende einen Ventilsitz, der einen Fluidzuflusslauf in die Kammer
bildet. Der innerhalb der Kammer angeordnete Kolben ist mittels
Betätigungsmittel
für die axiale
Ausrichtung im Innern adaptiert.
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Der Rollmembranventilkegel nach der
vorliegenden Erfindung ist an einem Ende des Kolbens befestigt und
besteht aus einer einteiligen Konstruktion. Der Ventilkegel umfasst
einen Ventilkopf, der einen kreisradialen Strömungsquerschnitt aufweist und eine
Vorderseite. die ausgerichtet ist, um mit dem Ventilsitz in der
Kammer in Wechselwirkung zu treten, damit der Fluidstrom hindurch
gesteuert wird. Der Ventilkopf weist auch eine Rückseite auf, die ausgerichtet
ist, um die Befestigung mit einem Kolben-Ende unterzubringen. Der
Ventilkegel umfasst eine zylindrische Ventilbüchse, die sich von der peripheren
Kante des Kopfes weg axial erstreckt und die keinen Faltenbalgdurchmesser
hat. Ein Ventilflansch erstreckt sich radial von der Ventilkegelbüchse weg, um
eine periphere Kante des Ventilkegels auszubilden. Der Ventilflansch
umfasst Mittel zur Bereitstellung einer flüssigkeitsdichten Presspassung
mit dem Ventilkörper.
Die axiale Verlagerungsausrichtung des Ventilkegelkopfes innerhalb
der Kammer als Reaktion auf die axiale Bewegung des Kolbens wird
durch die Rollbewegung der Ventilkegelbüchse in eine axiale Richtung
zwischen einer Kolbenwandfläche
und einer konzentrischen Wandfläche
innerhalb des Ventilkörpers
hergestellt.
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Der Rollmembranventilkegel und die
Fluid-Handhabungs-Vorrichtung dieser Erfindung sind ausgelegt mit:
(1) Bereitstellung einer langen Ventilkegelhublänge unter Verwendung eines
relativ kleinen Ventilkegeldurchmessers, wodurch die komprimierte
Größe der Fluid-Handhabungs-Vorrichtung
ermöglicht
wird; (2) Reduzierung der Anzahl der Möglichkeiten eines Leckauslaufpfades über die
Fluid-Handhabungs-Vorrichtung
und/oder in das Umfeld auf Grund der einteiligen Ventilkegel-Konstruktion, wodurch
die Möglichkeit
von ätzend
säurehaltigen und
kaustisch beizenden Chemikalien-Leckstellen reduziert wird, die
eine Gefahr für
die Umwelt und/oder die Gesundheit des anwesenden Gerätebedienungspersonals
darstellen; (3) Reduzierung oder sogar Beseitigung der Generierung
von Feststoffausstoß auf
Grund der Qualitätsminderung
des beweglichen Membranelements wegen der Rollkonstruktion des Ventilkegels
und wegen der Verwendung von fluorhaltigen Kunststoffmaterialien
bei der Verarbeitung von Liquiden mit hoher Reinheit und aggressiven Chemikalien;
und (4) Ermöglichung
eines Betriebsvorgangs bei höheren
Geschwindigkeiten im Fertigungsfluss, höheren Fluidtemperaturen und
höherem
Druck als es sonst bei Verwendung von herkömmlichen Membranventilen mit
gleicher Kapazität möglich ist. Diese
und weitere kennzeichnenden Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden
Erfindung gehen bei eingehender Betrachtung aus der nachfolgenden,
detaillierten Beschreibung, aus den anhängenden Ansprüchen und
den zugehörigen Zeichnungen
vollständig
hervor, welche zeigen:
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1 ist
eine Perspektivenseitenansicht einer ersten Ausführungsform einer Ventilvorrichtung mit
der Technik der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
eine Querschnitts-Seitenansicht der Ventilvorrichtung der 1 in einem geschlossenen
Betriebszustand zur Steuerung des Fluidstroms durch diese hindurch.
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3 ist
eine Querschnitts-Seitenansicht einer ersten Ausführungsform
eines Rollmembranventilkegels der Ventilvorrichtung der 2.
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4 ist
eine Querschnitts-Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform
eines Rollmembranventilkegels der Ventilvorrichtung der 2.
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5 ist
eine Querschnittsseitenansicht der Ventilvorrichtung der 1 und 2, die einen Ventilkegelaufbau in einer
offenen Betriebsposition darstellt.
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6 ist
eine Querschnittsseitenansicht einer zweiten Ausführungsform
einer Ventilvorrichtung mit der Technik der vorliegenden Erfindung.
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7 ist
eine vergrößerte Querschnittseitenansicht
eines Teils der zweiten Ausführungsform
der Ventilvorrichtung, die einen Rollmembranventilkegel aufweist,
der so aufgebaut ist, damit verbesserte Eigenschaften in der Durchflussmengensteuerung
der Fluids hergestellt werden.
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8 ist
eine Perspektivenseitenansicht eines Rollmembranventilkegels der
zweiten Ausführungsform
einer Ventilvorrichtung der 7;
und
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9 ist
eine Perspektivenseitenansicht eines alternativen Rollmembranventilkegels,
der in der zweiten Ausführungsform
der Ventilvorrichtung der 7 eingesetzt
werden kann, um Eigenschaften für eine
lineare Durchflussmengensteuerung der Fluids herzustellen.
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Die nach der Technik der vorliegenden
Erfindung hergestellte Ventilvorrichtung umfasst einen Rollmembranventilkegel,
der an dem Antriebskolben befestigt ist. Der Rollmembranventilkegel
stellt eine axiale Ventilkegelverschiebung mit dem Ventil durch eine
axial ausgerichtete Rollbewegung des Ventilkegels her, im Gegensatz
zu einem Membranverformungsantrieb, welches es möglich macht, dass solch eine
Ventilvorrichtung mit einer kompakten Größe gebaut werden kann, während sie
gleichzeitig sowohl eine längere
Ventilkegelhublänge
aufweist als auch imstande ist, einen Betriebsvorgang bei höheren Geschwindigkeiten
im Fertigungsfluss und höherem Druck
der Fluids auszuführen
als es sonst bei Verwendung von herkömmlichen Membranventilen mit gleicher
Größe möglich ist.
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Unter Bezug auf 1 umfasst eine erste Ausführungsform
der Ventilvorrichtung 10, die nach der Technik der vorliegenden
Erfindung hergestellt ist, einen Ventilkörper 12, der von der
unteren Fläche der 1 nach oben ausgerichtet
und aufgebaut ist, einen Sockel 14, ein Fluid-Transport-Gehäuse [FTG] 16,
das auf dem Sockel 14 aufgebracht ist, und ein Kolbengehäuse 18,
das auf der Oberseite des FTG 16 aufgebracht ist. Schrauben 20 oder
sonstige, geeignete Befestigungsmittel, erstrecken sich durch den
Kolben 18 und das FTG 16, und sind in den Sockel 14 mit
Gewinde eingeschraubt, um daran den Kolben 18 und das FTG 16 zu
befestigen.
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Das FTG 16 umfasst einen
Fluid-Eintrittsport 22 durch eines seiner Seitenwände sowie
einen Fluid-Austrittsport 24 (dargestellt in 2) durch die entgegengesetzte
Seitenwand. In einer Ausführungsform
der mit Luft oder Pneumatik angetriebenen Ventilvorrichtung 10 umfasst
das Kolbengehäuse 18 einen
Lufteintrittsport 26 und einen Luftaustrittsport oder -ventil 28,
der/das sich durch dessen Seitenwand erstreckt. Das FTG kann außerdem mit
einem Leckstellen-Erfassungsport 30 ausgebaut sein (dargestellt
in 2) und erstreckt
sich über
eine der Seitenwände
des Gehäuses
zur Beobachtung des Auftretens einer eventuellen Fluidleckstelle
innerhalb der Ventilvorrichtung.
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Wie in 2 dargestellt
ist und nachstehend im Einzelnen erläutert wird, ist ein Ventilkegelaufbau 78 innerhalb
des Kolbengehäuses 18 untergebracht und
umfasst einen Rollmembranventilkegel 86 an einem Ende.
Der Rollmembranventilkegel 86 ist so ausgelegt, um sowohl
mit einem Ventilsitz innerhalb des FTG 16 in Wechselwirkung
zu treten, um nach einer Betätigung
des Ventilkegelaufbaus den Fluidstrom hindurch zu steuern, als auch
mit einer flüssigkeitsdichten
Presspassung mit dem FTG 16 zur Verhinderung eines fehlerhaften
Auslaufens von Fluid entweder in das äußere Umfeld oder in das Kolbengehäuse 18.
Die Anwendung des Rollmembranventilkegels zur Steuerung des Fluidstroms
durch die Ventilvorrichtung erlaubt eine kompakte Ventilkonstruktion,
die eine relativ lange Ventilkegelhublänge aufweist, und die imstande
ist, höhere
Geschwindigkeiten im Fertigungsfluss der Fluids und höheren Druck
zu handhaben, als es sonst bei Verwendung von herkömmlichen
Membranventilen mit gleicher Größe möglich ist.
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Die Ventilvorrichtung in der in den 1 und 2 beschriebenen und dargestellten Ausführungsform ist
mit einem pneumatisch zu betätigenden
Ventilkegelaufbau ausgelegt. Selbstverständlich kann das Design der
Ventilvorrichtung geändert
werden, wenn sich auch dadurch nicht der Sinninhalt der Erfindung bei
Unterbringung anderweitiger Betätigungsmittel für den Ventilkegelaufbau ändert, wie
zum Beispiel durch Unterbringung mechanischer, magnetischer, hydraulischer
Betätigungsmittel
und dergleichen mehr.
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Unter Bezug auf 2 umfasst das Fluid-Transport-Gehäuse [FTG] 16 einen
Fluidzuflusslauf 32, der sich vom Fluidzuflussport 22 durch
das FTG nach oben erstreckt. Ein Ventilsitz 34 erstreckt sich
umfangsseitig um ein Ende des Fluidzuflusslaufs 32. Eine
Nut 36 ist innerhalb des FTG konzentrisch um den Ventilsitz 34 angeordnet
und ist ausgelegt, damit dem Ventilsitz 34 ermöglicht wird,
sich radial nach außen
zu bewegen, um dem Ventilkegel übereinstimmend
zu folgen, wenn er mit ihm in Kontakt versetzt wird. Vom Ventilsitz 34 weg
aufwärts
erstreckend in die Richtung einer Seite des FTG, die dem Kolbengehäuse 18 gegenüberliegt,
umfasst das FTG 16 eine Fluidkammer 38, die so
ausgelegt ist, dass sie Fluid über
den Ventilsitz 34 an einen Fluid-Auslassdurchlauf 40 sendet
und aus dem FTG heraus über
den Fluid-Austrittsport
24. Das FTG umfasst eine Ausschnitt 42 innerhalb der Fluidkammer 38,
die um eine periphere Kante der Kammer 38 umfangsseitig
angeordnet ist. Der Ausschnitt 42 ist so ausgelegt, damit
eine komplementäre
Zunge eines Ventilkegels darin untergebracht werden kann, wie nachstehend
detaillierter beschrieben ist, so dass eine flüssigkeitsdichte Presspassung
hergestellt wird.
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An einer Seite des FTG 16 ist
das Kolbengehäuse 18 befestigt. Das Kolbengehäuse umfasst eine Kolbenkammer 44,
die sich durch das Kolbengehäuse
von einem offenen Ende 46 axial erstreckt, das mit dem
FTG in Wechselwirkung steht, zu einem gegenüberliegenden, geschlossenen
Ende 48 des Kolbengehäuses.
Wie bereits vorstehend erwähnt, umfasst
das Kolbengehäuse,
wenn es zur Bereitstellung einem pneumatisch betätigten Ventilkegelantrieb ausgelegt
ist, einen Lufteintrittsport 26 und einen Luftaustrittsport 28,
die sich jeweils durch eine Kolbengehäuse-Seitenwand erstrecken.
Außerdem kann
das Kolbengehäuse
zur Bereitstellung einer Leckstellenerfassung über einen Leckstellen-Erfassungsport 30 ausgelegt
sein, der sich ebenfalls durch eine Seitenwand des Kolbengehäuses erstreckt.
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Die Kolbenkammer 44 weist
in einer bevorzugten Ausführungsform
einen kreisradialen Querschnitt auf und umfasst sowohl einen ersten
Durchmesserbereich 50, der sich vom offenen Ende 46 axial
beabstandet erstreckt, und einen kleineren zweiten Durchmesserbereich 52,
der sich vom ersten Durchmesserbereich 50 zum geschlossenen
Ende 48 des Kolbengehäuses
axial erstreckt. Die Kolbenkammer 44 ist so konstruiert,
dass darin eine nicht bewegliche bzw. starre Platzierung einer Kolbenstopfbuchse 54 untergebracht
ist. Die Kolbenstopfbuchse wird in Applikationen eingesetzt, in
denen ein mit Luft angetriebener Ventilkegel eine luftdichte Druckkammer
innerhalb der Kolbenkammer herstellen soll. Die Kolbenstopfbuchse 54 hat
eine ringröhrenförmige Kreiskonstruktion
mit einer mittigen Öffnung 56,
die sich zur Unterbringung und Platzierung eines Ventilkegelkolbens
im Innern axial durchgehend erstreckt. Die Kolbenstopfbuchse 54 umfasst
eine Außenwandoberfläche mit
einem ersten Durchmesserbereich 58, der für die Platzierung
innerhalb des ersten Durchmesserbereichs 50 der Kolbenkammer
bemessen ist, sowie einen zweiten Durchmesserbereich 60,
der für
die Platzierung des zweiten Durchmesserbereichs 52 der
Kolbenkammer bemessen ist. Während
eines Beschickens in die offene Seite 46 der Kolbenkammer 44,
ist die axiale Maximalplatzierung der Kolbenstopfbuchse im Innern
durch die Wechselwirkung zwischen den komplementären Schultern eingeschränkt, die
in der Kolbenkammer und der Kolbenstopfbuchse ausgebildet werden,
in denen die jeweiligen ersten und zweiten Durchmesserbereiche der Kammer
und der Kolbenstopfbuchse aufeinander treffen. Die Kolbenstopfbuchse 54 ist
axial so bemessen, dass, wenn sie in die Kolbenkammer geladen wird,
sie sich nicht über
das offene Ende 46 hinaus erstreckt.
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Bei Applikationen, in denen eine
Leckstellenerfassung gewünscht
wird, umfasst die Kolbenstopfbuchse 54 einen Leckstellendurchlauf 64,
der sich von der mittigen Öffnung 56 hindurch
zum ersten Durchmesserbereich 58 radial erstreckt. Wenn
der Leckstellendurchlauf 64 in die Kolbenkammer geladen
wird, ist er in Fluidstromkommunikation mit dem ringförmigen Ausschnitt
im ersten Durchmesserbereich 58, wobei sich der Ausschnitt
in Fluidströmungskommunikation
mit dem Leckstellenport 30 im Kolbengehäuse befindet, um den Fluidstrom
in den Leckstellenport zu fördern,
für den
Fall, dass Verarbeitungsfluid-Leckstellen die Fluidkammer 38 passieren
und in die Kolbenkammer gelangen. Eine Leckstellenerfassung, die
in eine auf diese Weise konstruierte Ventilvorrichtung eingesetzt
wird, kann unter Anwendung von herkömmlichen Mitteln für ein Leckstellenerfassen
ausgeführt
werden, wie beispielsweise mittels eingreifender öder nicht
eingreifender Leckstellensensoren oder mittels einer Sichtanzeige.
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Die Kolbenstopfbuchse 54 umfasst
eine oder mehrere ringförmige
Abdichtungen um deren äußere Durchmesseroberfläche herum,
um eine flüssigkeitsdichte
Presspassung mit der benachbarten Wandoberfläche der Kolbenkammer auszubilden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Kolbenstopfbuchse eine erste Ringabdichtung 66,
die sich umfangsseitig um deren ersten Durchmesserbereich 58 herum
erstreckt und die in einer Nut 68 angeordnet ist, sowie
eine zweite Ringabdichtung 70, die sich umfangsseitig um
deren zweiten Durchmesserbereich 60 herum erstreckt und
die in einer Nut 72 angeordnet ist. Die erste und zweite
Ringabdichtung 66 bzw. 70 sind entlang der Kolbenstopfbuchse
axial positioniert, so dass dazwischen der Leckstellendurchlauf 64 angeordnet
ist. Die Kolbenstopfbuchse umfasst außerdem eine dritte Ringabdichtung 74,
die sich um die Fläche
der mittigen Öffnung 56 herum
innerhalb einer Nut 76 umfangsseitig erstreckt. Die dritte
Ringabdichtung 74 ist entlang der Kolbenstopfbuchse auf
der gleichen Seite des Leckstellendurchlaufs 64 wie die
zweite Ringabdichtung 70 axial positioniert, um sowohl
den Durchlauf der Fluidleckstelle aus der Fluidkammer 38 über die
Kolbenstopfbuchse hinaus in die Kolbenkammer zu verhindern, als
auch um das Leckstellen-Fluid in den Leckstellendurchlauf 64 zur
Leckstellenerfassung zu leiten. Die dritte Ringabdichtung 74 bildet
außerdem
gegen den Kolben eine luftdichte Presspassung, um eine mit Luft
angetriebene Kolbenbewegung herstellen zu können. Die erste, zweite und
dritte Ringabdichtung bestehen vorzugsweise aus einem Runddichtring,
der aus einem Material mit den gewünschten Elastizitätseigenschaften
besteht. Wenn außerdem
eine Chemikalienresistenz gewünscht
wird, kann der Ringdichtring aus Viton oder aus anderen fluorelastischen
Polymermaterialien hergestellt werden.
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Der Ventilkegelaufbau 78 ist
innerhalb der Kolbenkammer 44 axial angeordnet. Der Ventilkegelaufbau 78 umfasst
einen Kolben 80, der an einem seiner axialen Enden einen
Kopfabschnitt 82 aufweist, ein Kolbenheck 84 am
gegenüberliegenden axialen
Ende, sowie einen Rullmembranventilkegelteller 86, der
am Kopfabschnitt befestigt ist. Der Kolben 80 weist allgemein
eine zylindrische Form auf und umfasst einen Hohldurchlass 88,
der sich vom Kopfabschnitt 82 in den Kolben axial beabstandet
erstreckt. Der Hohldurchlass 88 ist so konstruiert, um darin
eine Befestigung mit einer Aufziehwelle 118 des Ventilkegels 86 unterzubringen
und bereitzustellen. Die Außenoberfläche des
Kolbens 80 weist einen ersten Durchmesserbereich 90 auf,
der sich vom Kopfabschnitt beabstandet axial erstreckt, sowie einen
zweiten Durchmesserbereich 92, der etwas größer als
der erste Durchmesser ist; und der sich zum ersten Durchmesserbereich
axial beabstandet erstreckt. Der zweite Durchmesserbereich 92 des
Kolbens 80 ist so bemessen, um innerhalb der mittigen Öffnung 56 der
Kolbenstopfbuchse 54 hineinzupassen, so dass eine flüssigkeitsdichte
Presspassung zwischen dem Kolben und der dritten Ringabdichtung 74 gebildet
wird. Der Grund dafür,
dass der erste Durchmesser 90 des Kolbens kleiner als der
zweite Durchmesser 92 des Kolbens bemessen ist, wird unter
zu Hilfenahme des Ventilkegels nachstehend erläutert.
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Der Kolben 80 umfasst einen
Erweiterungstrichter 94, der sich vom zweiten Durchmesserbereich 92 weg
radial erstreckt, und der einen äußeren Durchmesser
aufweist, der so bemessen ist, um in den zweiten Durchmesserbereich 52 der
Kolbenkammer 44 hineinzupassen. Der Erweiterungstrichter 94 ist
neben der Kolbenmitte axial positioniert und umfasst eine Nut 96,
die an der Außenseite
umfangsseitig angeordnet ist, welcher einer Wandfläche der
Kolbenkammer gegenüber
liegt. Eine Ringdichtung 98 ist in der Nut angeordnet und
stellt eine flüssigkeitsdichte
Presspassung zwischen dem Kolben und der Kolbenkammer her. Die Ringdichtung 98 kann
aus dem gleichen Material bestehen, wie es für die erste; zweite und dritte
Ringdichtung bereits erwähnt
wurde. Eine Rückseite 100 des
Erweiterungstrichters 94, das heißt die Fläche des Erweiterungstrichters,
die in Richtung Kolbenheck 84 des Kolbens axial ausgerichtet
ist, ist so ausgelegt, dass ein Ende einer Ventilfeder 102 darauf
untergebracht werden kann.
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Wenn man vom Erweiterungstrichter 94 weg in
die axiale Richtung des Kolbenhecks 84 geht, umfasst der
Kolben einen dritten Durchmesserbereich 104, der sich vom
Erweiterungstrichter 94 zum Kolbenheck 84 axial
beabstandet erstreckt. Der dritte Durchmesserbereich 104 ist
so bemessen, um in den Drahtbund der Ventilfeder 102 hineinzupassen
und um eine Verbindung mit der Feder zu vermeiden, wenn der Ventilkegelaufbau
betätigt
wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist der dritte Durchmesserbereich 102 des Kolbens etwas
kleiner als der zweite Durchmesserbereich 92 bemessen.
Das Kolbenheck 84 des Kolbens 80 erstreckt sich
axial beabstandet ab dem dritten Durchmesserbereich 104,
um ein Ende des Kolbens auszubilden. Das Kolbenheck 84 weist
einen Durchmesser auf, der kleiner als der des dritten Durchmesserbereichs 104 ist,
wodurch eine Schulter 106 am Übergangspunkt ausgebildet wird.
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Der Kolben 80 wird in die
Kolbenkammer 44 geladen, so dass das Kolbenheck 84 in
einer Öffnung 108 über dem
geschlossenen Ende 48 des Kolbengehäuses 18 angeordnet
ist. Das Kolbenheck umfasst eine Nut 110, die sich an der
Außenseite
umfangsseitig und kreisförmig
erstreckt, sowie eine Ringdichtung 112, die in der Nut
110 angeordnet ist, um eine flüssigkeitsdichte
Presspassung zwischen dem Kolbenheck und der Öffnung 108 herstellen
zu können.
Die Ventilfeder 102 ist zwischen dem geschlossenen Ende 48 des
Kolbengehäuses 18 und der
Rückseite 100 des
Erweiterungstrichters 94 des Kolbens und konzentrisch sowohl
um den dritten Durchmesserbereich 104 als auch um einen
Teilbereich des Kolbenhecks 84 angeordnet. Die Kolbenstopfbuchse 54 ist
um den Kolben angeordnet, so dass eine flüssigkeitsdichte Presspassung
zwischen der mittigen Öffnung 56 der
Kolbenstopfbuchse und dem zweiten Durchmesserbereich 92 des
Kolbens ausgebildet wird.
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Unter Bezug auf die 2 und 3 weist
der Ventilkegelteller 86 die Form einer Rollmembran auf und
kann daher als Rollmembranventilkegel bezeichnet werden. Der Ventilkegel
umfasst ein Kopfteil 114, das mittig positioniert ist und
das eine Vorderseite 116 umfasst, die so ausgelegt ist,
damit sie den Ventilsitz 34 kontaktieren und dazwischen
eine flüssigkeitsdichte
Presspassung herstellen kann. Der Ventilkegelkopf 114 kann
so ausgelegt sein, dass er eine planare Vorderseite 116 aufweist,
oder dass er keine ebenflächige
Vorderseite erhält.
Wie in den 2 und 3 beispielsweise dargestellt
ist, kann der Ventilkegel mit einer Kante konstruiert sein, die
radial nach innen abgeschrägt
ist. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel
kann die Ventilkegelkante in einem Winkel von etwa 45 Grad nach
innen abgeschrägt sein.
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Eine Ventilkegel-Aufziehwelle 118 steht
von der Rückseite
des Kopfteils 114 axial hervor und ist so ausgelegt, um
eine Befestigungseinpassung mit dem Hohldurchlass 88 des
Kolbenkopfabschnittes 82 herstellen zu können. Bei
einer Ausführungsform
ist die Ventilkegel-Aufziehwelle 118 mit einem Gewinde befestigt,
damit eine sich verschraubende Befestigung mit komplementären Gewinden
innerhalb des Hohldurchlasses 88 des Kolbenkopfabschnittes 82 hergestellt
werden kann. Alternativ dazu kann die Ventilkegel-Aufziehwelle 118 so
konstruiert sein, um eine Interferenz-Schnappeinpassung oder dergleichen
vorzusehen mit einem komplementären
Hohldurchlass des Kolbenkopfabschnittes, damit darauf eine Befestigung
hergestellt wird. Unter Bezug auf 4 zum
Beispiel kann der Ventilkegel, 86 mit einer pfeilförmigen Aufziehwelle 118 so
ausgelegt sein, dass sie in einen Hohldurchlass 88 des
Kolbenkopfabschnittes 82, der eine komplementäre Form aufweist,
einschnappen kann.
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Falls gewünscht, kann zum Zwecke der
Ausgestaltung eines Kolbens mit einer erweiterten Betriebsstarrheit
in die axiale Richtung der Kolbenhohldurchlass 8 so konstruiert
sein, dass er eine Tiefe aufweist, die größer als die der Ventilkegel-Aufziehwelle 118 ist,
um die Ausrichtung eines Kolbeneinsatzes (nicht dargestellt) darin
unterbringen zu können. Der
Kolbeneinsatz kann aus einem reaktionslosen Material hergestellt
werden, wie beispielsweise aus Keramik oder dergleichen, das eine
konstruktive Aussteifungsverstärkung
bezüglich
des Kolbens gewährleisten
kann. Ein Beispiel für
den wünschenswerten
Gebrauch eines Kolbeneinsatzes wäre,
wenn die Ventilvorrichtung bei einer hohen Temperatur- oder Druckverarbeitung
des Fluids zum Einsatz kommen sollte, das heißt, wenn eine erhöhte Aussteifungsverstärkung erforderlich
würde.
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Wenn man ab dem Kopfteil 114 in
die radiale Richtung geht, umfasst der Ventilkegel eine Ventilkegelbüchse 120,
die mit dem Ventilkopfteil 114 integriert ist, und die
sich vom Kopfteil weg zu einem Ventilflansch 122 axial
beabstandet erstreckt. Eine wichtige Eigenschaft des erfindungsgemäßen Rollmembranventilkegels
ist, dass die vorgenannten Ventilkegel-Komponenten als eine einteilige
Konstruktion geformt sind. Eine derartige einteilige Ventilkegelkonstruktion
ist äußerst wünschenswert,
da sie die Anzahl der potentiellen Leckstellen über die Ventilvorrichtung hinweg
minimiert, wodurch auch die Möglichkeit
eines Fluidauslaufens aus der Transportkammer 38 in die
Kolbenkammer 44 minimiert wird. Herkömmliche Membranventile umfassen
in der Regel eine Ventil-Aufziehwelle, die mit einer Bohrung oder Öffnung in
der Membran platziert wird. Solch eine mehrteilige Konstruktion
verursacht von sich aus einen Leckpfad zwischen der Ventil-Aufziehwelle und
der Membran, durch welchen ein Verarbeitungsfluid das Ventil verlassen
kann. Die einteilige Konstruktion des erfindungsgemäßen Rollmembranventilkegels
beseitigt diesen Leckpfad, wodurch die Möglichkeit eines ungewollten
Fluidauslaufens über die
oder von der Ventilvorrichtung reduziert wird.
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Die Ventilkegelbüchse 120 weist die
Form eines fortlaufenden, dünnwandigen
Aufbaus auf, der sich zwischen dem Kopfteil 114 und dem
Flansch 122 erstreckt, und der es dem Kopfteil ermöglicht,
mit Bezug zum stationären
Flansch 122 über
eine Roll- und Abrollbewegung
der Ventilbüchse
in eine axiale Richtung axial verschoben zu werden. Es ist wichtig
anzumerken, dass die Wentilkegelbüchse keine Faltenbalg-Anordnung aufweist.
Vorzugsweise ist die Ventilkegelbüchse mit einem zylindrisch
oder verjüngend axialen
Profil ausgestattet, das heißt
mit einem gleichbleibend konstanten oder aber konischen Durchmesser.
Die Ventilkegelbüchse
sollte auch eine konstante Wanddicke aufweisen. Die Ventilkegelbüchse vollbringt
eine axiale Ventilkegelkopfbewegung mittels einer axial ausgerichteten
Rollbewegung und nicht durch eine Zickzackfalzbewegung, welche von
einer Faltenbalg-Ventilbüchse
ausgeführt werden
kann. Ein Hauptmerkmal dieser Konstruktion ist, wie nachstehend
erläutert
wird, dass die Ventilbüchse
jederzeit entlang ihrer inneren Oberfläche durch den Kolben bzw. durch
die mittige Öffnung
der Kolbenstopfbuchse unterstützt
wird. Diese Konstruktion übertrifft
herkömmliche
Ventilkonstruktionen, in denen eine nicht unterstützt werdende
Membran integriert ist, die nur durch ihre elastische Verformung eine
Ventilkegelbewegung ausführt,
da keine unterstützende
Verformung des beweglichen Ventilelementes vorhanden ist. Bei der
erfindungsgemäßen Konstruktion
gibt es kein Bersten oder keine sonstige Fehlerquelle auf Grund
solch einer nicht unterstützten
Verformung der Membran. Solch ein unterstützender Rollablauf der Ventilkegelbüchse erlaubt
es dem Ventilkegel, bei höheren
Verarbeitungstemperaturen und höherem
Druck des Fluids zu funktionieren, als dies bei herkömmlichem
Membranventilen möglich
ist.
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Nochmals unter Bezug auf die 2 und 3 weist der Flansch 122 eine
axiale Dicke auf, die größer als
die der Büchse 120 ist,
um damit einen Befestigungsaufbau zwischen dem Fluid-Transport-Gehäuse [FTG 16] und
dem Kolbengehäuse 18 vorzusehen,
und insbesondere zwischen dem FTG und der Kolbenstopfbuchse 54 für eine Luft
angetriebene Ventilausführungsform
zu sorgen. Der Flansch 122 hat eine vordere Oberfläche, die
eine Zunge 124 aufweist und die so bemessen ist, um in
die Nut 42 in der Fluidkammer 38 hineinzupassen.
Vorzugsweise hat die Zunge 124 eine abgestufte Anordnung,
um die Platzierung des Flanschs 122 auf dem FTG 16 zu
stabilisieren, wenn der Ventilkegel 86 zwischen dem Kolbengehäuse 13 und
dem FTG 16 eingeschoben wird. Der Flansch 122 hat
einen planare Außendurchmesserfläche 126,
die sich von der Zunge 124 auf die Flanschrückseite
axial erstreckt, und die einen Durchmesser aufweist, der so bemessen
ist; dass er sowohl in das FTG als auch in den ersten Durchmesserbereich 50 des
Kolbengehäuses
hineinpasst. Ein Hauptmerkmal dieses Ventilkegelflansches ist, dass
die Zunge 124 so bemessen ist, dass sie eine radiale Breite
und eine axiale Länge
aufweist, welche die Nut 42 in der Fluidkammer 38 komplett
ausfüllt,
um dadurch sowohl jegliches zurückgehaltenes
Fluidvolumen innerhalb des FTG entfernen und um dazwischen eine
flüssigkeitsdichte
Presspassung herstellen zu können.
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Die Rückseite des Ventilkegelflanschs 122 ist
ebenflächig,
um eine komplementäre
Fläche
für die
Wechselwirkung mit der Kolbenstopfbuchse 54 bereitzustellen,
für den
Fall, dass eine Luft angetriebene Ventilausführungsform gewünscht wird,
oder mit dem Kolbengehäuse.
Eine runde Kammer 128 erstreckt sich an der Rückseite
des Kopfteils 114 zwischen der Aufziehwelle 118 und
der Ventilkegelbüchse
120, welche beide trennt; die Ventilkegelbüchse von der Aufziehwelle,
und welche die Anordnung des Kolbenkopfabschnitts 82 darin
unterbringt. Wie in 2 dargestellt
ist, passt der Kolbenkopfabschnitt 82 in die Kammer 128 und
füllt sie
komplett aus, wenn die Ventilkegel-Aufziehwelle 118 in
den Kolbenhohldurchlass 88 platziert und befestigt wird.
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Bei einem Ausführungsbeispiel, wie beispielsweise
in den 2 und 3 dargestellt ist, weist ein
konstruierter Ventilkegel 86 zur Einpassung innerhalb der
Ventilvorrichtung eine Höhe
von etwa 177 Millimeter (gemessen vom Boden des Sockels bis hin
zur oberen Spitze des Kolbengehäuses)
und eine Breite von etwa 60 Millimeter (gemessen von den Endbereichen
der Ports der Fluidzufuhr und des Fluidauslasses), einen Flanschdurchmesser 122 von etwa
33 Millimeter auf und eine radiale Flanschbreite von etwa 7 Millimeter
sowie eine axiale Flanschlänge von
etwa 6 Millimeter, einen Kopfdurchmesser von etwa 14 Millimeter,
eine Büchse
120 mit einer Wandstärke
von etwa 0.4 Millimeter, eine Büchsenlänge von
etwa 6 Millimeter, einen Aufziehwellendurchmesser von etwa 9 Millimeter
und eine Aufziehwellenlänge
von etwa 20 Millimeter sowie eine radiale Breite der Kammer 128 von
etwa 2 Millimeter auf.
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Der Ventilkegel 86 ist am
Kolben 80 befestigt, nachdem der Kolben und die Ventilfeder 102 in das
Kolbengehäuse 18 geladen
werden, und nachdem die Kolbenstopfbuchse 54 über dem
Kolben angeordnet ist und in die Kolbenkammer 44 positioniert wird.
Das Kolbengehäuse 18,
das den Ventilkegelaufbau 78 umfasst, wird dann auf dem
FTG 16 befestigt, so dass die Ventilkegelzunge 124 in
die Nut 42 der Fluidkammer hineinpasst. Der Ventilkegelaufbau 78,
wie er in 2 dargestellt
ist, befindet sich mit dem Kopfteil 114 des Ventilkegels 86 in
geschlossener Position, welcher gegen den Ventilsitz 34 angeordnet
ist und verhindert, dass Fluid durch den Fluidzuflusslauf 32 in
die Fluidkammer 38 hineinkommt. Der Ventilkegelaufbau wird
in dieser geschlossenen Position auf Grund des darauf einwirkenden
Federdrucks beibehalten, der durch die Ventilfeder 102 hergestellt
wird, das heißt,
die Ventilvorrichtung ist so konstruiert, um einen Ruhekontaktbetrieb
vorzusehen. Alternativ dazu kann die Ventilvorrichtung mit einer
Ventilfeder 102 ausgelegt sein, die zwischen einer Vorderseite
des Erweiterungstrichters des Kolbenbereichs und einer Rückseite
der Kolbenstopfbuchse 54 angeordnet sein, um einen Arbeitskontakt herzustellen.
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Wenn sich der Ventilkegelaufbau in
der geschlossenen Position befindet, erstreckt sich die Ventilkegelbüchse 120
axial in die Fluidkammer 38, und eine Wandfläche des
Kolbenkopfabschnitts 82 unterstützt eine Innenfläche der
Büchse
120. Die Konstruktion des Kopfabschnitts 82 zur Unterstützung der
Innenfläche
der Büchse 120,
wenn der Ventilkegel 86 sich ein der geschlossenen Position
befindet, ist ein Hauptkonstruktionsmerkmal der Erfindung, da es
verhindert, dass die verhältnismäßig dünnwandige
Büchse
auf Grund des hohen Betriebsdrucks und/oder der Temperaturen bei
der Fluidverarbeitung verformt wird.
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Wenn, wie in 5 dargestellt ist, eine ausreichende
pneumatische Druckmenge an eine Luftkammer 130 in der Kolbenkammer über den
Lufteintrittsport 26 zwischen dem Bereich des Erweiterungstrichters 94 und
der Kolbenstopfbuchse 54 abgegeben wird, um den durch die
Ventilfeder 102 hergestellten Federdruck auszugleichen
und zu überwinden,
wird der Kolben 80 innerhalb der Kolbenkammer 44 in
Richtung des geschlossenen Endes 48 axial verschoben. Der
Kolben 80 wird innerhalb der Kolbenkammer 44 solange
axial verschoben, bis die Kolbenschulter 106 gegen einen
Projektionssteg 130 anschlägt, der vom geschlossenen Ende 48 des
Kolbengehäuses
in Richtung des Kolbens axial beabstandet hervorspringt. Da sich
der Kolben 80 innerhalb der Kolbenkammer 44 axial
bewegt, wird die Luft innerhalb der Kolbenkammer, die zwischen dem
Erweiterungstrichter 94 und dem geschlossener. Ende 48 des
Kolbengehäuses
vorhanden ist, von dort über den
Luftaustrittsport 28 entfernt bzw. abgelassen.
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Die axiale Verschiebung des Kolbens 80 innerhalb
der Kolbenkammer verursacht, dass der Ventilkegelkopf 114 aus
dem Ventilsitz 34 herausgelöst wird, wodurch dem Fluid
im Fluidzuflusslauf 32 erlaubt wird, in die Fluidkammer 38 einzutreten
und über
den F1uid-Auslassdurchlauf 40 und den Fluid-Austrittsport 24 das
Fluid-Transport-Gehäuse
zu passieren. Die axiale Verschiebung des Kolbens 80 innerhalb
der Kolbenkammer 44 verursacht außerdem, dass die Ventilkegelbüchse 120
in eine axiale Richtung vom Kolben weg und auf eine benachbart konzentrische
Innenfläche
der mittigen Öffnung 56 der
Kolbenstopfbuchse gerollt wird.
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Um eine solche Rollfunktion möglich zu
machen und die Ventilkegelbüchse
zwischen die benachbarten Ventilflächen transferieren zu können, d. h.
die des Kolbens und die der Öffnung
der Kolbenstopfbuchse, ist es wichtig, dass genügend Zwischenraum zwischen
den Oberflächen
besteht, damit ein rollender Durchmesser der Ventilkegelbüchse untergebracht
werden kann. Zum Beispiel ist in einer bevorzugten Ausführungsform
einer Ventilvorrichtung, wie in FIG. dargestellt ist, der erste
Durchmesserbereich 90 des Kolbens kleiner bemessen als
die mittige Öffnung 56 der
Kolbenstopfbuchse, um einen Zwischenraum von etwa 1,2 Millimeter
dazwischen herzustellen. Ein solcher Zwischenraum genügt, um das
Rollen einer Ventilkegelbüchse
mit einer Wandstärke
von etwa 0,4 Millimeter unterzubringen.
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Wie zuvor bereits erwähnt, sind
die Hauptmerkmale dieser Erfindung die Konstruktion des Rollmembranventilkegels,
der: (1) eine einteilige Konstruktion aufweist, (2) eine flüssigkeitsdichte
Presspassung gegen den Ventilsitz herstellt, (3) eine flüssigkeitsdichte
Presspassung mit dem Fluid-Transport-Gehäuse 16 herstellt,
und (4) eine relativ lange Ventilkegelhublänge durch die rollende Axialbewegung
ermöglicht,
ohne dass ein Membranbersten oder sonstige verformungsbezogene Fehlerquelle riskiert
wird. Ein weiteres, gewünschtes
Merkmal des Ventilkegels ist, dass er aufgrund sowohl seines Konstruktionsdesigns
als auch auf Grund seines Konstruktionsmaterials die Generierung
von Feststoffausstoß verhindert,
der durch die Qualitätsminderung
des beweglichen Komponentenbereiches (beispielsweise der Ventilkegelbüchse) verursacht
werden kann.
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Ein wichtiges Merkmal des Rollmembranventilkegels
ist seine Fähigkeit,
eine relativ lange Ventilkegelhublänge innerhalb der Fluidkammer
zuzulassen, wenn er auch einen relativ kleinen Ventilkegeldurchmesser
aufweist. Herkömmliche
Membranventile erlangen, dass ein größerer Membrandurchmesser zum
Einsatz kommt, um eine erhöhte
Ventilkegel- oder Ventil-Aufziehwellenhublänge erzielen zu können. Dies
ist auf Grund der Notwendigkeit so; den Anteil der Membranverformung
während
des Ventil-Aufziehwellenantriebs steuern und ein mögliches Membranbersten
minimieren zu können.
Da der erfindungsgemäße Ventilkegel
den Ventilkegelantrieb mittels eines axial ausgerichteten Rollens
der Ventilkegelbüchse
möglich
macht, anstatt durch eine Membranverformung, kann er so ausgelegt
werden, dass der Ventilkegel durch ein Variieren der axialen Länge der
Ventilkegelbüchse
eine lange Hublänge unterbringt,
ohne dass dadurch der Ventilkegeldurchmesser erweitert werden muss.
Diese Designkonstruktion erlaubt Ventilvorrichtungen, die solche
Ventilkegel integrieren, dass sie mit einer kompakteren Größe gebaut
werden können,
als es anderweitig möglich
ist, wenn die herkömmliche
Membrantechnologie zum Einsatz kommt.
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Selbstverständlich können Ventilkegel mit dieser
Erfindung in Fluid-Drosselventilen
eingesetzt werden, die eine andere Designkonstruktion als die speziell
zuvor beschriebene und in den 1 und 2 dargestellte aufweisen.
Zum Beispiel können
Ventilkegel nach dieser Erfindung in Fluid-Drosselventilen eingesetzt
werden, die manuell oder durch einen Magnetantrieb betätigt werden.
Bei solchen Ausführungsformen
kann das Kolbengehäuse
anderweitig konstruiert werden, als es in 2 dargestellt ist. Beispielsweise umfasst
in solch nicht Luft angetriebenen Ausführungsformen die Kolbenkammer
keine Kolbenstopfbuchse (da hier kein Bedarf besteht, innerhalb
der Kolbenkammer eine luftdichte Abdichtung zu schaffen). Bei einer
solchen Ausführungsform
würde die
Kolbenkammer: ( 1) einen Innendurchmesser aufweisen, der etwas größer als
der Kolben ist, um dessen Platzierung darin aufnehmen zu können, (2)
Unterstützung
für die
Ventilkegelbüchse
bereitstellen, wenn der Ventilkegel in die offene Position bewegt
wird, und (3) gegen die rückwärtige Fläche des
Ventilkegelflanschs angrenzen.
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Die nach dieser vorliegenden Erfindung
konstruierten Ventilkegel können
auch in anderen Fluid-Handhabungs-Vorrichtungen als in Ventilvorrichtungen
eingesetzt werden. Beispielsweise können Rollmembranventilkegel
nach dieser Erfindung so angeordnet werden, dass sie als Überdruckelement in
einer Hubkolbenpumpe oder Oszillationspumpe dienen können. Bei
einer solchen Ausführungsform würde der
Ventilkegel an einen Hubkolben befestigt und sich innerhalb einer
Druckkammer hin- und
herbewegen, die durch ein Ventil den Druck minimiert, um eine sequentiell
geordnete Fluidzufuhr und einen Fluidablass aus der Kammer heraus
zu gewährleisten,
der mit der axialen Anordnung des hin- und herbewegenden Ventilkegels
innerhalb der Kammer synchron geht.
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Ventilkegel nach dieser Erfindung
können
in der Konstruktion von Nadel- oder Stopfen-Ventilvorrichtungen
Anwendung finden, die so ausgelegt sind, dass sie eine präzise Steuerung
der Fluidfördermenge
gewährleisten. 6 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform
einer Ventilvorrichtung in Form einer Stopfenventils 132,
das nach den Prinzipien dieser Erfindung konstruiert ist, und das
ein Fluid-Transport-Gehäuse [FTG] 134 aufweist,
in dem ein Fluid-Eintrittsport 136, ein Fluidzuflusslauf 138 und
ein Fluid-Austrittsport 140 untergebracht ist. Ein Kolbengehäuse 142 ist
auf der Oberseite des FTG 134 angeordnet und ist daran
mit einem Schraubengewinde befestigt. Ein Ventilkegelaufbau 144 ist
in einer Kolbenkammer 146 des Kolbengehäuses 142 und an einer
Fluidkammer 148 des FTG axial angeordnet und umfasst einen
Kolben 150 und einen Rollmembranventilkegel 152.
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Der Kolben 150 hat ein Kolbenheck 154 an einem
seiner axialen Enden und einen Kopfteil 156 am entgegengesetzten
axialen Ende. Das Kopfteil 156 umfasst einen Vorsprung 158,
der sich axial beabstandet erstreckt. Der Vorsprung 158 ist
so angeordnet, dass er mit einer komplementären Kammer 150 auf
der Rückseite
des Ventilkegels 152 zusammenwirkt, um dadurch eine Befestigung
herzustellen. Das Kopfteil 156 weist einen ersten Durchmesserbereich 162 auf,
der sich entlang des Kolbens 150 axial beabstandet erstreckt.
Ein zweiter Durchmesserbereich 164, der größer als
der erste Durchmesserbereich ist, erstreckt sich entlang des Kolbens 150 vom ersten
Durchmesserbereich 162 axial beabstandet zu einem radial
vorspringenden Erweiterungstrichter 166. Der zweite Durchmesserbereich 164 ist
so bemessen, damit er in den ersten Durchmesserbereich 168 der
Kolbenkammer 146 hineinpasst, um dessen axiale Anordnung
darin einrichten zu können.
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Der Erweiterungstrichter 166 weist
einen Durchmesser auf, der so bemessen ist, dass er in den zweiten
Durchmesserbereich 170 der Kolbenkammer 146 hineinpasst,
um dessen axiale Anordnung darin einrichten zu können. Der Kolben 150 umfasst
einen dritten Durchmesserbereich 172, der sich vom Erweiterungstrichter 166 axial
beabstandet erstreckt, und der sowohl größer im Umfang als der zweite
Durchmesserbereich 164 ist, als auch kleiner im Umfang
als der Erweiterungstrichter 166. Der zweite Durchmesserbereich 170 der
Kolbenkammer umfasst einen Steg 174, der vom Kolben weg
umfangsseitig hervorspringt, wodurch der axiale Ausschlag des Erweiterungstrichters 166 des
Kolbens in den zweiten Durchmesserbereich 170 der Kolbenkammer
abgegrenzt wird.
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Wenn man axial vom dritten Durchmesserbereich 172 des
Kolbens nach oben geht, umfasst er einen Gewindebereich 176,
der so bemessen und angeordnet ist, damit er sich mit einem benachbarten Gewindebereich 178 der
Kolbenkammer ergänzen kann.
Der Kolben umfasst einen vierten Durchmesserbereich 180,
der sich vom Gewindebereich 176 zum Kolbenheck 154 axial
beabstandet erstreckt, und der so bemessen ist, dass er den gleichen Durchmesser
wie der dritte Durchmesserbereich 172 des Kolbens aufweist.
Das Kolbenheck 154 des Kolbens umfasst eine radial vorspringende
Projektionsnase 182, die einen Durchmesser aufweist, der
größer als
der Gewindebereich 178 der Kolbenkammer ist, um zwischen
Einzelfingern ein Eingreifen und Rotieren einrichten zu können.
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Der Rollmembranventilkegel 152 ist
am Kopfbereich 156 des Kolbens befestigt und umfasst ein
Kopfteil 184, das eine Vorderseite 186 aufweist, die
so ausgelegt ist, damit ein Kontakt mit einem Ventilsitz 188 der
FTG Fluidkammer 148 hergestellt werden kann, wenn der Ventilkegel
in eine geschlossene Position innerhalb der FTG Fluidkammer gebracht wird
(wie in 5 dargestellt
ist). Wie bereits zuvor in den 2, 3 und 4 erläutert und
dargestellt wurde, und wenn man vom Kopf 186 radial weg
und nach oben geht, umfasst der Ventilkegel eine Ventilkegelbüchse 190,
die sich vom Kopf weg axial zu einem Flansch 192 erstreckt.
Die Ventilkegelbüchse 190 ist mit
einer dünnwandigen
Konstruktion ausgelegt, damit sie in eine axiale Richtung entweder
auf einen benachbart konzentrischen ersten Durchmesserbereich 162 des
Kolbens rollen kann, wenn sich der Ventilkegel in einer geschlossenen
Position innerhalb des Fluid-Transport-Gehäuses [FTG]
befindet, oder auf einen benachbart ersten Durchmesserbereich 168 der
Kolbenkammer 146, wenn sich der Ventilkegel in einer offenen
Position innerhalb des FTG befindet.
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Der Ventilkegelflansch 192 ist identisch
aufgebaut, wie er zuvor in den 2 bis 4 beschrieben und dargestellt
worden ist. Die FTG Fluidkammer 148 umfasst eine Nut 194,
die umfangsseitig angeordnet ist, um darin die Platzierung der Flanschzunge 196 unterzubringen.
Die Zunge 196 und der Flansch 194 sind so bemessen,
wie zuvor bereits beschrieben, damit darin stehen gebliebenes Fluid
entfernt werden kann, und damit eine flüssigkeitsdichte Presspassung
bereitgestellt wird, wenn sich der Flansch 192 zwischen
dem Fluid-Transport-Gehäuse
und dem Kolbengehäuse
befindet.
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Die Stopfenventil-Vorrichtung 132 wird
zusammengebaut, indem der Kolben 150 in die Kolbenkammer
eingesetzt wird, so dass der Erweiterungstrichter 166 des Kolbens über den
Kolbenkammersteg 174 und in den zweiten Durchmesserbereich 170 der
Kolbenkammer passiert. Der Ventilkegel 152 wird über dem
Kolbenkopfbereich 156 positioniert und der Vorsprung 158 wird
eingesetzt und in die Kammer 160 eingerastet, die in der Rückseite
des Ventilkegelkopfteils 184 angeordnet ist. Der Ventilkegelflansch 192 wird
in die FTG Fluidkammer 148 platziert, so dass dessen Zunge 196 in
die Nut 194 des FTG eingeführt
ist, und das Kolbengehäuse/Kolbensystem
wird mittels eines Gewindeschraubeneingriffs zwischen dem Kolbengehäuse und
dem FTG an das Fluid-Transport-Gehäuse befestigt.
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Die Ventilkegelbüchse 190 erlaubt die
axiale Verschiebung des Ventilkegels innerhalb der Fluidkammer durch
ein Rollen in die axiale Richtung sowohl entlang des Kolbens als
auch entlang der Kolbenkammer. Sowohl der Kolben als auch die Kolbenkammer
stellen eine Unterstützung
für die
Innenfläche
der Ventilkegelbüchse
her, wodurch die Büchse gegen
eine unerwünschte
Verformung abgesichert wird. Der Ventilkegel 152 wird in
eine geschlossene Position innerhalb der FTG Fluidkammer 148 durch Drehen
des Kolbenheckabschnittes 15
4 in eine erste Richtung
bewegt, wobei über
das gewindeförmige Zusammenspiel
des Kolbens und der Kolbenkammer bewirkt wird, dass der Kolben 150 sich
in Richtung des Fluid-Transport-Gehäuses bewegt, und dass das Ventilkopfteil 184 mit
dem Ventilsitz 188 in Kontakt tritt. Der Kolben wird so
angeordnet, dass er sich innerhalb des Ventilkegels über eine
lose Passung dreht, die zwischen dem Vorsprung 158 des
Kolbens und der Kammer 160 des Ventilkegels ausgebildet wird.
Der Ventilkegel 152 wird in eine offene Position innerhalb
der FTG Fluidkammer durch Drehen des Kolbenheckabschnittes 154 in
eine zweite Richtung bewegt, in die entgegengesetzte zur ersten
Richtung, was bewirkt, dass sich der Kolben vom Fluid-Transport-Gehäuse wegbewegt,
und dass sich dann das Ventilkegelkopfteil 184 vom Ventilsitz 188 wegbewegt.
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Eine konstruierte Stopfenventil-Vorrichtung, wie
vorstehend beschrieben und in 6 dargestellt ist;
umfasst den Rollmembranventilkegel nach der vorliegenden Erfindung
und weist die gleichen Hauptmerkmale auf, wie jene bereits zuvor
beschriebenen für
die in 2 dargestellte
Ventilvorrichtung.
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7 veranschaulicht
eine zweite Ausführungsform
einer Ventilvorrichtung mit einem Rollmembranventilkegel 198,
der so ausgelegt ist, dass er eine präzise Steuerung des Fluidstroms über eine voreingestellte
Fluidstrom-Geschwindigkeit bereitstellt. Insbesondere umfasst der
Ventilkegel 198 ein Kopfteil 200, das einen allgemein
radial zylindrischen Querschnitt aufweist, und das so bemessen ist,
dass es eine niedrige Toleranzpassung innerhalb des Fluidzuflusslaufs 202 vorsieht.
Die niedrige Toleranz- oder Presspassung zwischen dem Ventilkegelkopf und
dem Fluidzuflusslauf ist ein Hauptkonstruktionsmerkmal der Erfindung,
welches den Ventilkegel innerhalb des Fluidzuflusslaufs in eine
stabile Lage versetzt, wodurch sowohl eine darin seitliche Ventilkegelverlagerung
als auch eine damit in Zusammenhang stehende Fluidstromabweichung
ausgeschlossen wird.
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Das Ventilkegelkopfteil 200 umfasst
eine Kerbe 204; die entlang des Kopfteils von der Vorderseite 206 des
Kopfteils weg axial beabstandet verläuft, und die radial in das
Innere des Kopfteils beabstandet vorspringt. Die Kerbe kann vielerlei
unterschiedliche, geometrische Anordnungen aufweisen. Wie zum Beispiel
am besten in 8 dargestellt
ist, kann die Kerbe 204 eine V-förmige Anordnung aufweisen,
die von der Vorderseite oder denn freien Ende des Kopfteils 200 entnommen
ist, und die eine Neigungstiefe, die bis auf Null geht (das heißt, die
in die zylindrische Außenseite
des Kopfteils übergeht), mit
einem axialen Zwischenraum an der vorderen Fläche aufweist. Alternativ dazu
kann die Kerbe die Form eines Halbmondes aufweisen, der durch ein
radiales Ausschälen
eines Teils des Ventilkegelkopfs an einem Winkel bis zur axial durchgehenden
Mittellinie ausgebildet wird. Bei jeder Ausführungsform würde ein
solches Ausschälen
sich von einem freien Ende des Ventilkegelkopfes dort entlang in
einem vorbestimmten Abstand und von dem freien Ende radial nach
außen
erstrecken.
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Die Kerbe kann außerdem so ausgelegt sein, dass
sie ein Ventil mit linearen Merkmalen einer Fluidstrom-Geschwindigkeit
bereitstellt. Eine lineare Fluidstrom- Geschwindigkeit, wie der Begriff in
dieser Beschreibung verwendet wird, bedeutet, dass sich die Geschwindigkeit
des Fluidstroms durch das Fluid-Transport-Gehäuse [FTG] mit Bezug zur axialen Verschiebung
des Ventilkegels innerhalb des Fluidzuflusslaufs 2Q2 linear
verändert.
Beispielsweise unter Bezug zu 9 ist
die Kerbe 204 in Form eines Rechtwinkels ausgelegt, um
lineare Merkmale der Fluidstrom-Geschwindigkeit herzustellen. Die
Kerbe 204, die aus der Vorderseite des Kopfteils 200 entnommen
ist, hat eine vorbestimmte Breite und radiale Tiefe und weist eine
vorbestimmte axiale Höhe
auf, die sich entlang des Ventilkegelkopfs in einem axialen Abstand
zu dessen Vorderseite erstreckt. Die exakte Größe der Kerbe und die Anzahl
der im Ventilkegelkopf enthaltenen Kerben kann variieren, was von der
gewünschten
Bandbreite der Fluidstrom-Geschwindigkeit für eine spezielle Ventilapplikation
abhängig
ist.
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Ein wesentliches Merkmal dieser Ausführungsform
des Ventilkegelkopfes, die speziell zur Bereitstellung einer Ventilvorrichtung
mit linearen Charakteristiken einer Fluidstrom-Geschwindigkeit entwickelt
worden ist, besteht darin, dass sie eine erhöhte Steuerungsmöglichkeit
der Fluidstrom-Geschwindigkeit bei niedrigen Fluidfließkonditionen
ermöglicht,
im Vergleich zu herkömmlichen
Nadelventil-Vorrichtungen,
die geometrische (d. h. nichtlineare) Eigenschaften einer Fluidstrom-Geschwindigkeit vorsehen.
Der Einsatz von Ventilvorrichtungen, die derariige, geometrische
Fluidstrom-Geschwindigkeiten erzeugen, ist vielleicht nicht für die Applikationen
erstrebenswert, in denen eine präzise
Steuerung und Anpassungsfähigkeit
der Fließgeschwindigkeit
für eine
Bandbreite von Fließgeschwindigkeiten
gewünscht
oder notwendig wird.
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Weiterhin Bezug nehmend auf 7, ist der Ventilkegel 198 innerhalb
der FTG Fluidkammer 208 so positionieri, dass das Ventilkegelkopfteil 200 innerhalb
des Fluidzuflusslaufs 202 mit einer ausreichenden Tiefe
angeordnet ist, so dass die Kerbe 204 komplett unterhalb
dem Ventilsitz 212 liegt. Da der Kolben 214 vom
FTG weggedreht oder anderweitig axial wegbewegt wird, wird das Ventilkegelkopfteil 200 aus
dem Fluidzuflusslauf 202 abgezogen, so dass die Kerbe 204 hinter
dem Ventilsitz 212 bewegt wird, wodurch der Fluidfluss
hinter dem Ventilkegelkopfteil 200 in die Fluidkammer 208 initiiert
wird und durch den Fluid-Auslassdurchlauf 214 führt.
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Ein Hauptmerkmal, das den in den 7 bis 9 beschriebenen und dargestellten Ventilkegel
zur Bereitstellung einer Ventilvorrichtung mit einer verbesserten
Steuerung seiner Eigenschaften in der Fluidstrom-Geschwindigkeit
befähigt,
ist die fixierte bzw. nichtdrehbare Befestigung des Ventilkegels
an das Fluid-Transport-Gehäuse. Solch
ein in die axiale Richtung nichtdrehbarer Antrieb des Ventilkegelkopfteils 200 innerhalb
des Fluidzuflusslaufs 202 beseitigt unverwünschte Auswirkungen
oder Abweichungen der Fließgeschwindigkeit,
für deren
Erzeugung herkömmlich
drehbare Fließsteuerungskomponenten bekannt
sind. Bei herkömmlichen
Nadelventil-Vorrichtungen kann die Fließsteuerungskomponente innerhalb
der Fluidkammer rotieren, wenn sie darin axial in Bewegung versetzt
wird, um damit den Fluidfluss durch das Ventil anzupassen. Die Rotation solch
einer Fließsteuerungskomponente
ist dafür
bekannt, dass sie zu Abweichungen in den Charakteristiken der Fluidstrom-Geschwindigkeit
in der Ventilvorrichtung führt,
was die Leistungsfähigkeit
der Ventilvorrichtung zur Herstellung einer präzisen Steuerung der Fluidstrom-Geschwindigkeit
bei einer Geschwindigkeitsbandbreite beeinträchtigt. Die nichtdrehbare Befestigung
des Ventilkegels innerhalb des Fluid-Transport-Gehäuses
beseitigt solche, durch Rotation induzierten Abweichungen in den
Eigenschaften der Fluidstrom-Geschwindigkeit.
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Die Zwischenraum-Anordnung des Ventilkegelkopfteils
innerhalb des Fluidzuflusslaufs zur Stabilisierung des Ventilkegels
und die nichtdrehbare Befestigung des Ventilkegels am Fluid-Transport-Gehäuse wirken
zur Stabilisierung und Steuerung der Anordnung des Ventilkegels
innerhalb der Ventilvorrichtung zusammen, wodurch die Ventilvorrichtung einen
größeren Steuerungsumfang
der Fluidstrom-Geschwindigkeit
bereitstellen kann, als es zuvor in einer herkömmlichen Nadel-Ventilvorrichtung möglich war.
Hinzu kommt, dass sogar eine noch größere Steuerungskontrolle der
Fluidstrom-Geschwindigkeit erzielt wird, wenn die Ventilvorrichtung
dieser Erfindung einen Ventilkegel umfasst, der so ausgelegt ist,
dass er lineare Eigenschaften in der Fluidstrom-Geschwindigkeit
bereitstellt.
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Ventilvorrichtungen, die nach den
Prinzipien dieser Erfindung gebaut werden, sind sehr gut bei einem
Einsatz zum Transport und zur Regulierung des Flusses aller Arten
von Fluids geeignet. Eine spezielle Applikation dieser erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung
ist die Steuerungskontrolle der Fließgeschwindigkeit von Verarbeitungschemikalien,
die beispielsweise in der Halbleiter-Industrie verwendet werden.
Bei solchen Applikationen wird gewünscht, dass das Fluid-Transport-Gehäuse und
der Ventilkegel, d. h. die benetzte Ventilkomponente, vorzugsweise
aus einem Material hergestellt ist, das gute chemische und thermische
Widerstandseigenschaften zeigt. Solche Eigenschaften sind auch wünschenswert,
wenn die Ventilvorrichtung in der Halbleiter-Herstellindustrie oder
in einem anderen Industriebereich zum Einsatz kommt, wobei durch
die Ventilvorrichtung ätzende
Chemikalien durchlaufen müssen,
oder wo gewünscht
wird, dass ein hohes Maß an chemischer
Reinheit der Verarbeitungschemikalie aufrechterhalten wird, welche
die Ventilvorrichtung durchlaufen hat. In der Halbleiter-Herstellindustrie werden äußerst ätzende Verarbeitungschemikalien, wie
beispielsweise stark anorganische Säuren, stark anorganische Basen,
starke Lösungsmittel
und Peroxyde während
des Ätzbetriebsvorgangs
eingesetzt, und sie werden oftmals erhitzt, um das Ätzverfahren der
Chemikalien zu steigern und infolgedessen, um die Nutzleistung des Ätzvorgangs
zu erhöhen.
Daher ist es wichtig, dass die Ventilvorrichtung und der darin enthaltene
Ventilkegel den Fluss derartiger Verarbeitungschemikalien steuert
und sowohl in chemischer als auch in thermischer Hinsicht resistent
ist, um einen zuverlässigen
Betriebsvorgang gewährleisten
zu können,
ohne dass ein Potenzial einer Fehlerquelle in der Ventilvorrichtung
besteht, die zu einem Auslaufen von ätzenden Chemikalien führen kann,
und die mit einer Dampfbildung aus der Ventilvorrichtung in Zusammenhang
steht, wobei eine Gefahr für
die Umwelt und/oder die Gesundheit des anwesenden Gerätebedienungspersonals
entstehen könnte.
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Weiter ist es wichtig, dass die Ventilvorrichtung
chemisch resistent ist, so dass kein Qualitätsverlust nach einem Kontakt
mit den Verarbeitungschemikalien entsteht und keine Kontaminierung
in der chemischen Reinheit der Verarbeitungsliquide durch die Vorrichtung
erfolgt. Die Einleitung von Kontaminierung kann Schäden in Höhe von mehreren hunderttausend
Dollar bezüglich
einer Halbleitercharge verursachen, die einer solch negativen Vorgehensweise
von Verarbeitungschemikalien unterzogen worden ist.
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Bei Halbleiterapplikationen ist es
wünschenswert,
dass das Fluid-Transport-Gehäuse und der
Ventilkegel aus fluorhaltigen Kunststoffverbindungen konstruiert
werden, die aus einer Gruppe von Fluoropolymeren ausgewählt werden,
welche beinhalten: Polytetrafluorethylen (PTFE), mit Fluorid behandeltes
(oder versetztes) Ethylenpropylen (FEP), fluorkohlenwasserstoffhaltige
Perfluoralkoxy-Kunststoffe (PFA), Polychlorotrifluorethylen (PCTFE), Ethylen-Chlorotrifluorethylen-Kopolymer
(ECTFE), Ethylen-Tetrafluoroethylen-Kopolymer (ETFE), Polyvinylidenfluorid
(PVDF), Polyvinylfluorid (PVF) und dergleichen mehr. Ein besonders
bevorzugtes Material ist Teflon® PFA
oder Teflon® PTFE,
die von der Firma DuPont Company in Wilmington, Del./USA hergestellt
werden. Diese Materialien werden nicht durch ätzende, säurehaltige oder kaustische
Liquide schadhaft und leiten daher keine Kontamination in chemisch
renne Liquide ein. Die nicht feucht werdenden Komponenten der Ventilvorrichtung,
wie beispielsweise das Kolbengehäuse
und der Kolben, können
aus einem anderen, passenden Konstruktionsmaterial hergestellt werden.
Da diese Ventilkomponenten nicht durch das Verarbeitungsfluid benetzt werden,
können
diese aus Kunststoff, wie beispielsweise Polypropylen und dergleichen,
hergestellt sein, welcher ein geeignetes Maß an Konstruktionsstarrheit
für die
spezielle Applikation zur Verfügung
stellen kann. Wenn Eigenschaften einer chemischen Resistenz für die gesamte
Ventilvorrichtung gewünscht werden,
können
auch die nicht benetzt werdenden Komponenten aus dem gleichen Fluoropolymeren geformt
werden, wie zuvor beschrieben, wobei ein bevorzugtes, chemisch widerstandsfähiges Material für das Kolbengehäuse und
den Kolben das Kunststoffmaterial Tefzel® EFTFE von DuPont ist.
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Jeder der Komponenten der Ventilvorrichtung,
welche das Fluid-Transport-Gehäuse, das
Kolbengehäuse,
den Kolben und den Ventilkegel betreffen, kann entweder durch ein
Spritzguss- oder Maschinenbauverfahren hergestellt werden, was sowohl von
der Art des gewählten
Materials als auch vom Projektbudget abhängig ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist beispielsweise der Ventilkegel aus Teflon® PTFE durch ein maschinelles
Verfahren auf Grund der Beschaffenheit des ausgewählten Materials
ausgebildet. Teflon® ist
für den
Ventilkegel wegen dessen hervorragender, ermüdungsbeständiger Eigenschaften ein bevorzugtes
Material.
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Ventilvorrichtungen, die als wie
in den 1 und 2 dargestelltes Fluidstrom-Steuerungsventil
ausgeführt
sind, können
zum zuverlässigen
Steuerungsbetrieb der Weiterleitung entweder von Flüssigkeit oder
Gas durch das Fluid-Transport-Gehäuse eingesetzt werden, und
zwar bei Temperaturbedingungen von bis zu etwa 180°C und Druckkonditionen
von bis zu etwa 150 PSI bei einer Umgebungstemperatur von etwa 25°C oder darüber.
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Demzufolge ist davon auszugehen,
dass Ventilvorrichtungen und Rollmembranventilkegel, die nach den
Prinzipien der vorliegenden Erfindung konstruiert sind, auch anderweitig
ausgeführt
werden können,
als speziell hierin beschrieben worden ist, und dem Schutzumfang
in den anhängenden
Patentansprüchen
unterliegen.