DE19638965C1 - Fluidbetätigtes Membran-Ventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein fluidbetätigtes Membran-Ventil, bei welchem innerhalb eines Gehäuses mindestens ein kreisrunder Ventilsitz angeordnet ist, welcher von einem membranartigen Betätigungselement vom Ventilsitz öffnend oder auf denselben schließend betätigbar ist, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ventile dieser Art werden als Membran-Ventile bezeichnet, weil das eigentliche Ventilglied eine biegsame Membran ist. Genau genommen werden diese Ventile als Membran-Sitz-Ventile bezeichnet. Aufgrund der Tatsache, daß das Ventilglied eine Membran ist, sind solche Ventile naturgemäß flachbauend. Oftmals sind innerhalb solcher Ventile mehrere Ventilsitze und demzufolge auch mehrere Membranen untergebracht. Diese können entweder einzeln betätigbar und somit vereinzelte Bauteile, jedoch auch einstückig miteinander verbunden sein. Dies hängt davon ab, welche Wegeventilfunktion gewünscht ist. Um eine entsprechende Ventilfunktion zu erreichen, sind daher zumeist zwei Ventilsitze notwendig, auf denen dann auch zwei Membranen oder zwei Membranabschnitte betätigbar sind. Damit ergeben sich durch die auch notwendigerweise großen Durchmesser der Ventilsitze auch entsprechend breite Abmessungen.

Aus der CH 606-878 A5 geht ein gattungsgemäßes fluidbetätigtes Membran-Ventil hervor, bei dem eine ringförmige, kegelstumpfartige Membran der Unterbrechung eines Druckmittelflusses dient, welcher an einer Seite der Membran entlangströmt. Auf der entgegengesetzten Rückseite der Membran ist diese über eine Steuerkammer fluidisch betätigbar. Mit dieser Bauform ist nur die Funktion eines 2/2-Wegeventils ausführbar. Die gesamte Rückseite der Membran wird dabei von der Steuerkammer vereinnahmt.

Aus der JP 62-127.883 (A) ist ein fluidbetätigtes Membran-Ventil bekannt, bei dem mehrere Druckmittelanschlüsse miteinander verbindbar sind. Die hierfür als Betätigungselement verwendete Membran ist aber ebenfalls auf ihrer gesamten Rückseite einer Steuerkammer zugeordnet. Da hierfür die Realisierung einer Mehrwege-Ventiltunktion auch mehrere Steuerkammern mit den dazugehörigen Membranen nötig sind, ist diese Bauform recht aufwendig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Membranventil die Bauform hinsichtlich der Ventilsitze und der Membran so zu verändern, daß das Ventil nicht nur flachbauend, sondern auch kurz und erheblich kompakter ausgebildet werden kann.

Die gestellte Aufgabe wird bei einem Membran-Ventil der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Insbesondere sind verschiedenartige erfindungsgemäße Membraneinspannungen dargestellt.

Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, daß konzentrisch um die inneren Ventilsitze eine erste ventilsitzartige Membraneinspannung von beiden Membranseiten angeordnet sind. Demzufolge ist es nun möglich, als Betätigungselement lediglich eine einzige Membran zu verwenden. Diese Membran bedarf auch keiner irgendwie gearteten Stößelankopplung mehr, sondern die Membran wird in sich entsprechend gewölbt, was aufgrund der unterschiedlichen Abstände der Dichtkanten der konzentrisch zum inneren Ventilsitz und der konzentrisch dazu verlaufenden doppelten Membraneinspannung bewirkt wird. Hinzu kommt, daß die Membran hinsichtlich ihrer geometrischen Abmessungen bezogen auf die Gehäuseeinspannung im Randbereich ein wenig gestaucht sein muß. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Membran im Randbereich in einer Ausgestaltungsversion verdickt ausgebildet und somit in einer Gehäusehinterschneidung eingespannt. Das heißt, die Membran ist in dieser Ausgestaltungsversion am gesamten Umfang entsprechend eingespannt. Das Ventilgehäuse weist in der Nähe dieser Membraneinspannung ebenfalls rotationssymmetrisch und konzentrisch zu den Ventilsitzen verlaufend, im Querschnitt gesehen zwei umlaufende, sich gegenüber liegende rotationssymmetrische Kalottenflächen auf, in die bei entsprechender Betätigung sich die Membran wölbend einlegen kann. Durch die Konkavität dieser Kalottenflächen wird letztendlich eine Hebelkraft im Querschnitt zur Membran betrachtet auf dieselbe aufgebracht. Zwischen Kalottenfläche und innerem Ventilsitz ist die besagte konzentrische zweite Membraneinspannung. Dort befindet sich auch der Drehpunkt bzw. die Drehpunktlinie der Membran, bezogen auf die beschriebene Hebelwirkung. Diese bewirkt eine Kraftübertragung auf die Membran in entsprechender Wölbungserzeugung, so daß sich diese in entsprechendere Weise auf die Ventilsitze anlegt. Die feste Randeinspannung der Membran ist in der dargestellten Weise eine erste Ausgestaltungsform der Erfindung. Eine zweite Ausgestaltungsform der Erfindung besteht darin, daß die Membran im Randbereich zwei umlaufende Dichtlippen aufweist und im Randbereich nicht ortsfest eingespannt ist, sondern entlang einer Hülse, die ebenfalls konzentrisch zu dem Ventilsitz außen herum verläuft, verschiebbar angeordnet ist. Sowohl in der ersten Ausgestaltungsform mit den Kalottenflächen, als auch in der zweiten Ausgestaltungsform mit den Dichtlippen entstehen durch die entsprechende Membranführung an der ventilsitzartigen beidseitigen Membraneinspannung davor und dahinter Druckräume, die bei entsprechender Druckbeaufschlagung auch die Membran in entsprechender Weise wölben und somit betätigen. Kurz gesagt erfolgt die Betätigung nicht mehr über einen Hub eines starren Betätigungselementes, sondern über die entsprechende Druckbeaufschlagung der Membran, wodurch sich eine Wölbung ergibt, die wiederum eine entsprechende Anlage öder Abhebung auf bzw. von dem genannten konzentrischen Ventilsitz bewirkt.

Die Membran ist durch eine Einlage verstärkt. Dadurch wird die Kraftübertragung vom äußeren Schaltbereich auf den inneren Dichtbereich erst möglich. Es ist vorteilhaft, wenn diese Einlage im Bereich der Einspannung und im Bereich der Ventilsitze ringförmig geschlossen ausgeführt ist. Mit anderen Worten heißt dies, daß die Membran bei der Betätigung nicht über den vollen Durchmesser gewölbt wird, sondern daß um die Einspannlinien der Membran, in der nachfolgenden Zeichnung durch Positionsnummern 3 und 4 gekennzeichnet, in diesem Bereich ein starrer Hebel (in Schnittdarstellung) gebildet wird, jedoch im Bereich des Zentrums der Membran dieselbe wölbfähig ist.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im nachfolgenden näher beschrieben:
Die Abbildung zeigt ein Membranventil der erfindungsgemäßen Art, welches im Querschnitt dargestellt ist. Die Symmetrieachse ist bezogen auf die wichtigsten Elemente und soll sagen, daß die Anordnung rotationssymmetrisch um dieselbe angeordnet ist. Das heißt, Ventilsitz 1, 2 und Membraneinspannungen 3, 4 sind konzentrisch und am Außenumfang sind die entsprechenden Steuerkammern P_ST zur Wölbungsbetätigung der Membran 10 angeordnet. Nicht nur der bzw. die beiden sich auf beiden Membranseiten gegenüberliegenden Ventilsitze 1, 2 sind kreisrund, sondern auch die entstehenden Druckkammern sind toroidal, d. h. verlaufen rotationssymmetrisch um die hier dargestellte Rotationssymmetrieachse.

Die dargestellte Zeichnung zeigt jedoch nicht nur ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, sondern die beiden möglichen Ausgestaltungsformen der Membran. In der linken Bildhälfte ist dargestellt, wie die Membran nach der ersten Ausgestaltungsversion, nämlich mit einer festen Randeinspannung aussieht. Die rechte Bildhälfte zeigt die Membran 10 mit einer losen verschiebbaren Randeinspannung, bei der jedoch Dichtlippen 12 notwendig und vorgesehen sind. Außerdem zeigt die linke Bildhälfte gegenüber der rechten Bildhälfte eine andere Schaltstellung. Bei der ersten Ausgestaltungsversion müßte also die linke Bildhälfte um die Rotationsachse rotationssymmetrisch gedreht werden, so daß bei der in der linken Bildhälfte dargestellten Membran und der dort auch dargestellten Schaltposition die Membran nach unten gewölbt ist; und die rechte Bildhälfte wäre rotationssymmetrisch zu ergänzen bei der Verwendung der zweiten Ausgestaltungsversion und in der entsprechend gegenüberliegenden Stellung mit einer nach oben gewölbten Membran. In beiden Fällen sind also die Membrane kreisrunde geschlossene Teller aus versteiftem Material.

Die linke Bildhälfte und somit die erste Ausgestaltungsversion der Erfindung zeigt eine H-förmige Verdickung 11 im Randbereich der Membran 10, die dann in einer entsprechend komplementär ausgebildeten Einformung oder Hinterschneidungskontur 11 des Gehäuses 20 im montierten Zustand fixiert und dichtend einliegt. Des weiteren weisen nahe dem Außenumfang des Gehäuses die dort vorgesehenen Steuerkammern Pst eine kalottenförmige Kontur 11'' auf, in welcher bei entsprechender Druckmittelbeaufschlagung die Membran 10 in diesem Bereich fest einliegt bzw. angedrückt wird. Dadurch wird die Wölbung bzw. radiale Kippbewegung der Membran letztendlich bewirkt und eine entsprechende Kraft der schließenden Membran 10 auf den Ventilsitz 1 oder 2 erzeugt. In diesem dargestellten linken Fall ist die untere Steuerkammer belüftet, die ja von der oberen durch die Membran im übrigen auch getrennt ist. Dadurch wird eine entsprechende Wölbung erzeugt und von dort aus ist die Membran durch den ersten ventilsitzartigen Spalt geführt. Dieser ist zwar im übrigen als ventilsitzartig bezeichnet, jedoch liegt die Membran nicht schaltend auf denselben an, sondern ist zwischen den beiden Dichtkanten 3, 4 fest eingespannt. Dort ist quasi der Drehpunkt des hier wirkenden Hebels. Die Hebelwirkung wird so auf die weitere Membran in Richtung Zentrum übertragen, daß die Membran an der eigentlichen Ventilsitzkante 1 oder 2 entsprechend die Entlüftung R schließt und den Druckmittelraum P von außerhalb des inneren Ventilsitzes zu dem Druckmittelraum innerhalb des Ventilsitzes in die dort einmündende Arbeitsleitung A belüftet wird.

Die rechte Bildhälfte zeigt neben der anderen Einspannung der Membran auch die entgegengesetzte Schaltposition. Durch eine entsprechende Beaufschlagung des oberen Steuerraumes und der entsprechenden Hebelwirkung über den quasi äußeren Ventilsitz wird die Membran 10 nach oben gewölbt und der Raum, in dem die Druckmittelversorgung P einmündet, wird von dem in die Arbeitsleitung mündenden Druckmittelraum getrennt. Dem gegenüber wird dann auf dem unteren Ventilsitz die Arbeitsleitung zur Entlüftung geöffnet.

Abgesehen von der anderen Position gemäß der rechten Bildhälfte wird, wenn es sich um eine feste Randeinspannung wie in der linken Bildhälfte handelt, die rechts dargestellte Position dadurch erreicht, daß ebenfalls die obere Steuerkammer belüftet wird und der äußere Abschnitt zwischen Randeinfassung und Membran sich in den unteren Kalottenabschnitt anlegt.

Die rechte Bildhälfte zeigt überdies die zweite Ausgestaltungsform der Erfindung, bei der keine feste, sondern eine verschiebbare Randeinfassung der Membran 10 erfolgt. Notwendigerweise enthält die Membran dann im Randbereich umlaufende Dichtlippen 12. Des weiteren muß der äußere Anschlag der Steuerkammern eine durchgehend ununterbrochene nahtfreie Oberfläche 13 aufweisen, auf der dann die Dichtlippen 12 dichtend entlanggleiten können. Dies wird durch eine Hülse 14 bewerkstelligt, die ebenfalls konzentrisch um die hier dargestellte Symmetrieachse angeordnet ist. Diese enthält entlang des Betätigungsweges eine durchgängige nahtfreie Oberfläche. Diese Hülse ist dann notwendig, wenn das Gehäuse in der dargestellten Weise aus zwei Teilen, nämlich einem Ober- und einem Unterteil besteht, welche mittig nach Zusammensetzung eine Naht erzeugen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung gemäß dem Teilbild des Randbereiches des Gehäuses können jedoch auch die Gehäuseteile so angeformt sein, daß trotz Verwendung eines zweiteiligen Gehäuses in dem Aktionsbereich der Membranaußendichtung keine Nahtstelle entsteht. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, daß das Gehäuseoberteil 20'' eine Federanformung hat und das Gehäuseunterteil 20'' eine entsprechende Nuteinformung und dieselben bei Montage ineinanderfügbar sind. Die Feder bzw. der Federabschnitt muß dabei so weit angeformt sein, daß gemäß den obigen Ausführungen über den gesamten Aktionsbereich der Membran die Dichtlippen über eine nahtfreie Oberfläche rutschen können.

Im übrigen ist insgesamt noch einmal klarstellend auszuführen, daß der äußere Ventilsitz bzw. die äußeren Dichtkanten in der Abbildung keine Ventilsitze im herkömmlichen Sinne sind, da die beiden gegenüberliegenden Dichtkanten in jeder Schaltstellung der Membran auf derselben dichtend anliegen. Die eigentlichen Ventilsitze sind die zwischen den ringförmigen Druckkammern P und A. Hierbei entstehen zwei Ventilsitze, die über einen Abstand getrennt gegenüberliegend sind. Der einfachen verbalen Darstellung der Geometrie wegen ist jedoch im vorstehenden Text formuliert, daß die äußeren Dichtkanten ebenfalls ringförmig und daher konzentrisch zu den eigentlichen Ventilsitzen verlaufen.

Claims (11)

1. Fluidbetätigtes Membranventil, bei welchem innerhalb eines Gehäuses mindestens ein kreisrunder Ventilsitz angeordnet ist, welcher von einem membranartigen Betätigungselement vom Ventilsitz öffnend oder auf demselben schließend betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine einen Randbereich einer Membran (10) aufnehmende Steuerkammer (P_ST) konzentrisch und fluidisch getrennt zu Druckmittelräumen (P, R), in denen sich zentrisch Ventilsitze (1, 2) befinden, angeordnet ist und über die Steuerkammer (P_ST) auf die Membran (10) derart eingewirkt wird, daß die Membran (10) durch Wölbbetätigung oder durch radiale Kippbetätigung auf die Ventilsitze (1, 2) schließbar ist.

2. Membran-Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkammern (P_ST) bzw. die durch die Membran (10) druckmittelmäßig geteilte Steuerkammer (P_ST) toroidal um die Ventilsitze (1, 2) angeordnet sind.

3. Membran-Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Membran (10) die Steuerkammer bzw. die Steuerkammern (P_ST) in zwei Druckmittelräume aufgeteilt ist.

4. Membran-Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (10) am Außenrand und außerhalb der Steuerkammer bzw. Steuerkammern (P_ST) mittels einer einstückigen Anformung (11) in einer im Ventilgehäuse (20) komplementär ausgebildeten formschlüssigen Nut (11'') einliegt.

5. Membran-Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (10) am Außenumfang mindestens eine Dichtlippe (12) aufweist, und daß der äußere Membranrand in die Steuerkammer bzw. die Steuerkammern (P_ST) dieselbe in zwei Druckräume aufteilend dichtend im Randbereich verschieblich anliegt.

6. Membran-Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche (13) entlang der die besagte Dichtlippe (12) der Membran (10) gleitet, einstückig und nahtfrei ausgebildet ist.

7. Membran-Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ventilsitze (1, 2) sich auf unterschiedlichen Membranseiten gegenüberliegend angeordnet sind.

8. Membran-Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß konzentrisch um die Ventilsitze (1, 2) herum zwei Dichtkanten (3, 4) derart beabstandet angeordnet wird, daß die Membran (10) dort im montierten Zustand fest und dichtend einsitzt und der dann freie Membranbereich beweglich in die Steuerkammern (P_ST) hineinragt, derart, daß über die Wölbbeanspruchung und die konzentrische Einspannung (3, 4) der Membran (10) die Wölbkräfte oder radialen Kippkräfte bis in den Bereich der zu betätigenden Ventilsitze erstreckbar sind.

9. Membran-Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkammern bzw. die Steuerkammer (P_ST) im Falle der festen Randeinspannung (11, 11'') der Membran (10) kalottenförmige Flächenabschnitte (11'') im Bereich der Wölbhubstrecke vorgesehen sind, in die sich bei Betätigung über die Steuerkammern (P_ST) die Membran (10) je nach Betätigungsrichtung einlegen kann.

10. Membran-Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine ringförmige Hülse (14), die an der Außenfläche Krall- oder Befestigungselemente aufweist, vorgesehen ist, über welche das beispielsweise aus Gehäusehälften bestehende Ventilgehäuse (20) zusammengehalten wird.

11. Membran-Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran in ihrem Durchmesser so bemessen ist, daß sie bei einem etwa halben Hub eine Stauchung erfährt, durch die ein Schnappeffekt entsteht, so daß sie in ihrer jeweiligen Endlage verbleibt und mit einer leichten Vorspannung auf die Ventilsitze (1, 2) gedrückt wird.