WO1998055782A1 - Diaphragm with multidirectional compression compensation - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a membrane with the. Characteristics. the preamble of claim 1.
- the membrane can compensate for dimensional changes in both directions over the entire surface area.
- edge is arranged essentially in a circle and lying in one plane. This results in a resilient membrane.
- a good compensation results if the structure has rounded, folded or kinked waves whose apex line (mountain or valley) runs from a first point adjacent to the edge to a second point adjacent to the center, the second point from the first point is spaced in the circumferential direction.
- a simple manufacture is made possible if the structure, in particular the apex line, is curved or spiral, in particular uniformly curved.
- the center of the diaphragm carries a connection for an actuating device.
- the material can preferably be a metal foil, the structure being embossed in a manner known per se.
- the material can also be a composite material with a surface coating, for example a fabric with a lamination that is resistant to tensile strength or resistant to aggressive media.
- the membrane is made from a material that is not very elastic, such as PTFE, because these materials can have properties that cannot be achieved with elastic materials. This range of materials is only opened up for membranes by the present invention. Finally, it is advantageous if the membrane is arranged flat in its rest position, because a symmetrical deflection can then take place in both directions with the same loads. Depending on the application, other membrane geometries are also possible.
- FIG. 2 shows a plan view of a membrane according to the invention with a straight structure
- FIG. 3 a side view of the membrane according to FIG. 2 in a cross section; such as
- a membrane according to the invention is shown in a plan view.
- the membrane has an outer edge region 1 for clamping.
- This is followed by a annular, structured area 2, which is bounded on the inside by a fastening area 3.
- the membrane In the edge area 1, the membrane is flat, while the area 2, depending on the application, is also flat or curved in its undeflected position.
- the embossed structure comprises waves 5 with flanks 6, valleys 7 and mountains 8. These run linienför ig from a point x at the edge 1 to a point x 'in the center, these points being offset from one another in the circumferential direction by an angle ⁇ .
- FIG. 2 shows a corresponding membrane with a straight structure. The same elements are provided with the same reference numbers. The cross-sectional line for FIG. 4 is indicated at 4.
- FIG. 3 shows the membrane according to FIG. 2 in a cross section from the side.
- the edge 1 is arranged in one plane, the central region 3 in a plane that is offset transversely with respect to the edge 1, and the actual membrane region 2 connects the regions 1 and 3.
- the wavy structure 5 comprises wave crests 8, valleys 7 and flanks 6 in between.
- This structure is particularly easy to emboss in metal membranes as the currently preferred embodiment of the invention.
- the advantages according to the invention also result from other materials and other structures.
- the advantageous effect achieved with the invention arises from the fact that the compensation acts in an additional direction. This also increases the flexibility of a membrane made of harder material. At the same time, the durability is increased. By changing the orientation of the concentric grooves, no additional grooves are required. Nevertheless, both compensations are now achieved at the same time. Grooves run obliquely from the direction of the membrane edge or in an arc in the approximate direction to the membrane center. The curvature of the arch can be determined according to the thickness of the membrane curvature. When the membrane is flattened, the lateral compression forces and the transverse compression forces must both impinge on these structures at an angle from the arrangement of the structures. Due to the special arrangement, the structures can be pressed together from different directions, whereby multi-way compensation takes place.
- a differently strong compensation in the respective direction is effective here due to a gradient of the structure of different strength at the respective corresponding location.
- the grooves are approximately radially effective in the area of the membrane edge, because here the membrane diameter does not change as much due to the membrane attachment.
- the diaphragm When the diaphragm is actuated, the diaphragm center and the outer edge of the diaphragm can twist slightly against each other around the axis. So that a membrane with lamination becomes more flexible, the lamination can also have the new arrangement. With a fabric insert with the same arrangement as the new membrane, the special fabric structure could be easier for stretching.
- Diaphragm pumps, transducers or transmitters as well as hydraulic elements come into consideration as fields of application.
- the application of the invention is particularly advantageous in the case of pressure accumulators for hydraulic or hydropneumatic motor vehicle suspensions and servo units, in which so far only rubber membranes have separated a gas cushion from the hydraulic fluid.
- the storage capacity deteriorates over time because the spring gas diffuses through the membrane.
- Metal membranes are lacking in durability and sufficient Working strokes were not used.
- a membrane according to the invention can be made of metal, whereby diffusion is prevented and the spring constant is retained in the long run.
- pressure accumulators for central heating systems come into consideration as applications in which the creeping pressure loss of the buffer gas can likewise be prevented by means of a metal membrane.
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Abstract
Description
Membrane mit Mehrwegkompensation der StauchungMembrane with multi-way compensation of compression
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membran mit der. Merkmaler. des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The present invention relates to a membrane with the. Characteristics. the preamble of claim 1.
Es ist bekannt, daß Flachmeinbranen zum Eeispiel mit Wellenprofil oder Rillen beim Betätigen die Materialstauchung bzw. Materialdehnung durch ihr besonderes Profil kompensieren. Fia nmembrar.en mit elienprofii können zwar die zwischen Mem- branrana und Membranm tteip nkt ausgerichtete Stauchung kompensieren, aber nicht die quer dazu verlaufende Stauchung, die beim Abflachen der Wölbung durch Verringerung der Kreisdurchmesser in verschiedenen Bereichen der Membrane auftritt, wodurch sie besonders bei hartem Material unflexibel wird. Da das aus der Praxis bekannte Profil mit konzentrischen Riller. ausgestattet ist, ist die Kompensation so ausgerichtet, daß sie nur in Radialrichtung wirkt. Beim Betätigen wird eine gewölbte Membrane jedoch aogeflacht, wodurch gleichzeitig die über die Membranfläche verteilten konzentrischen Rillen mehr oder weniger stark ihrer. Kreisdurchmesser verringern. Durch die Verringerung der Kreisdurchmesser tritt in diesen Bereichen der Membrane zur bereits kompensierte Stauchung zusätz- lieh eine geringe Materialstauchung in Querrichtung auf. Je härter das Material ist, desto geringer kann hier der Bereich der Membrane in diese Richtung zusammengestaucht werden. Dadurch versteift sich hier die Membrane und wird im Funktionsablauf schlechter, denn es wird keine Kompensation wirksam.It is known that flat membranes, for example with a corrugated profile or grooves, compensate for material compression or expansion when actuated by their special profile. Fia nmembrar.en with elienprofii can compensate for the compression aligned between membrane membrane and membrane component, but not for the transverse compression that occurs when the curvature is flattened by reducing the diameter of the circle in different areas of the membrane, which makes it particularly hard Material becomes inflexible. Since the profile known from practice with concentric grooves. is equipped, the compensation is oriented so that it only acts in the radial direction. When actuated, however, a curved membrane is flattened, which means that the concentric grooves distributed over the membrane surface are more or less strong. Reduce the circle diameter. By reducing the diameter of the circle, in these areas of the membrane additional compression is compensated for. borrowed a slight material compression in the transverse direction. The harder the material, the less the area of the membrane can be compressed in this direction. As a result, the membrane stiffens here and becomes worse in the functional sequence because no compensation is effective.
Der nächstkommende Stand der Technik ist aus der US-PS 3,187,641 bekannt. Dort ist eine runde Membran offenbart, die nahezu halbkreisförmig angeordnete Profile aufweist. Diese Profile beginnen am Außenrand der Membran nahezu tangential, krümmen sich dann auf den Mittelpunkt zu, so daß sie in einem mittigen Bereich der Membran radial verlaufen, und gehen dann weiter nahezu tangential in einen im Zentrum der Membran angeordneten kreisförmigen Flansch über. Die erzielte Kompensation ist in den Bereichen, in denen das Profil nicht radial verläuft, sowohl radial als auch in Umfangsrichtung wirksam. In dem mittigen Bereich ist die Membran in Radialrichtung jedoch steif und unkompensiert .The closest prior art is known from US Pat. No. 3,187,641. There, a round membrane is disclosed, which has almost semicircular profiles. These profiles begin almost tangentially at the outer edge of the membrane, then curve towards the center so that they run radially in a central region of the membrane, and then continue almost tangentially into a circular flange arranged in the center of the membrane. The compensation achieved is effective both radially and in the circumferential direction in the areas in which the profile does not run radially. In the central area, however, the membrane is stiff and uncompensated in the radial direction.
Weitere bekannte Ausführungsformen sind aus den Druckschriften DE 31 42 440 C2, US-PS 1,793,621 sowie DE-G 74 04 424 bekannt. Bei jeder dieser Ausführungsformen ist jedoch ein Teil des Profils entweder in Umfangsrichtung oder in Radialrichtung angeordnet, so daß in der betreffenden Richtung keine Stauchung oder Dehnung kompensiert wird.Further known embodiments are known from the publications DE 31 42 440 C2, US Pat. No. 1,793,621 and DE-G 74 04 424. In each of these embodiments, however, part of the profile is arranged either in the circumferential direction or in the radial direction, so that no compression or expansion is compensated for in the relevant direction.
Bei der US-PS 2,874,569 wird schließlich vorgeschlagen, zu den konzentrischen Rillen zusätzlich schräg dazu angeordnete Rillen, die also vom Membranrand zum Membranzentrum verlaufen, vorzusehen. Die Struktur der Membrane würde jedoch dadurch stark zerklüftet und instabil sein. Außerdem wird das für die übliche Fertigung erforderliche Prägewerkzeug sehr kompliziert. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auch diese zusätzlich geringe Materialstauchung bzw. Materialdehnung zu kompensieren, um einen besseren Funktionsablauf zu erreichen.Finally, it is proposed in US Pat. No. 2,874,569 to provide grooves which are arranged at an angle to the concentric grooves and thus run from the membrane edge to the membrane center. However, the structure of the membrane would be very jagged and unstable. In addition, the embossing tool required for normal production becomes very complicated. The object of the present invention is to compensate for this additional slight material compression or material expansion in order to achieve a better functional sequence.
Dieses Problem wird von einer Membran mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This problem is solved by a membrane with the features of claim 1.
Weil die Struktur in dem zwischen dem Rand und dem Zentrum liegenden Bereich in einem Winkel sowohl zu der Umfangsrichtung als auch zu der Radialrichtung der Membran verläuft, greifen radiale und tangentiale Stauch- oder Dehnkräfte nicht in der Richtung der größten Steifigkeit der Struktur an. Die Membran kann Änderungen der Dimension in beiden Richtungen in dem gesamten Oberflächenbereich kompensieren.Because the structure in the region between the edge and the center is at an angle to both the circumferential direction and the radial direction of the membrane, radial and tangential compression or expansion forces do not act in the direction of the greatest rigidity of the structure. The membrane can compensate for dimensional changes in both directions over the entire surface area.
Es ist von Vorteil, wenn der Rand im wesentlichen kreisförmig und in einer Ebene liegend angeordnet ist. Dies ergibt eine belastbare Membran. Eine gute Kompensation ergibt sich, wenn die Struktur gerundete, gefaltete oder geknickte Wellen aufweist, deren Scheitellinie (Berg oder Tal) von einem ersten, dem Rand benachbarten Punkt zu einem zweiten, dem Zentrum benachbarten Punkt verläuft, wobei der zweite Punkt von dem ersten Punkt in Umfangsrichtung beabstandet ist.It is advantageous if the edge is arranged essentially in a circle and lying in one plane. This results in a resilient membrane. A good compensation results if the structure has rounded, folded or kinked waves whose apex line (mountain or valley) runs from a first point adjacent to the edge to a second point adjacent to the center, the second point from the first point is spaced in the circumferential direction.
Eine einfache Fertigung wird ermöglicht, wenn die Struktur, insbesondere die Scheitellinie bogenförmig oder spiralförmig, insbesondere gleichförmig gekrümmt verläuft.A simple manufacture is made possible if the structure, in particular the apex line, is curved or spiral, in particular uniformly curved.
Es ist auch möglich, daß die Struktur, insbesondere die Scheitellinie gerade verläuft.It is also possible that the structure, in particular the apex line, runs straight.
Für Applikationen wie Meßwertumformer, Dosier- oder Membranpumpen sowie für Bremskraftverstärker ist es vorteilhaft, wenn das Zentrum der Membran einen Anschluß für eine Betätigungseinrichtung trägt. Das Material kann vorzugsweise eine Metallfolie sein, wobei die Struktur in an sich bekannter Weise eingeprägt ist. Das Material kann aber auch ein ein Verbundstoff mit einer Ober- flächenbeschichtung sein, z.B. ein Gewebe mit einer zugfesten oder gegen aggressive Medien resistenten Kaschierung.For applications such as transducers, metering or diaphragm pumps and for brake boosters, it is advantageous if the center of the diaphragm carries a connection for an actuating device. The material can preferably be a metal foil, the structure being embossed in a manner known per se. However, the material can also be a composite material with a surface coating, for example a fabric with a lamination that is resistant to tensile strength or resistant to aggressive media.
Vorteile ergeben sich auch, wenn die Membran aus einem wenig elastischen Material wie PTFE gefertigt ist, weil diese Materialien Eigenschaften besitzen können, die mit elastischen Materialien nicht erreichtbar sind. Dieser Werkstoffbereich wird für Membranen erst durch die vorliegende Erfindung erschlossen. Schließlich ist es von Vorteil, wenn die Membran in ihrer Ruhestellung plan angeordnet ist, weil dann eine symmetrische Auslenkung bei gleichen Belastungen in beide Richtungen erfolgen kann. Es sind aber auch je nach Einsatzzweck andere Membrangeometrien möglich.There are also advantages if the membrane is made from a material that is not very elastic, such as PTFE, because these materials can have properties that cannot be achieved with elastic materials. This range of materials is only opened up for membranes by the present invention. Finally, it is advantageous if the membrane is arranged flat in its rest position, because a symmetrical deflection can then take place in both directions with the same loads. Depending on the application, other membrane geometries are also possible.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:An embodiment of the present invention is shown in the drawing and will be described in more detail below. Show it:
Fig. 1: eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Membran mit bogenförmiger Struktur;1: a plan view of a membrane according to the invention with an arcuate structure;
Fig. 2: eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Membran mit gerader Struktur;2 shows a plan view of a membrane according to the invention with a straight structure;
Fig. 3: eine Seitenansicht der Membran gemäß Fig. 2 in einem Querschnitt; sowie3: a side view of the membrane according to FIG. 2 in a cross section; such as
Fig. 4: einen Querschnitt durch die Struktur entlang der Linie 4 aus Fig. 2.4: a cross section through the structure along the line 4 from FIG. 2.
In der Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Membran in einer Draufsicht dargestellt. Die Membran weist einen äußeren Randbereich 1 zur Einspannung auf. Daran anschließend folgt ein ringförmiger, strukturierter Bereich 2, der nach innen von einem Befestigungsbereich 3 begrenzt wird. Im Randbereich 1 ist die Membran plan, während der Bereich 2 je nach Anwendung in seiner nicht ausgelenkten Stellung ebenfalls plan oder gewölbt ist. Die eingeprägte Struktur umfaßt Wellen 5 mit Flanken 6, Tälern 7 und Bergen 8. Diese verlaufen linienför ig von jeweils einem Punkt x am Rand 1 zu einem Punkt x' im Zentrum, wobei diese Punkte in Umfangsrichtung um einen Winkel α gegeneinander versetzt sind.In Figure 1, a membrane according to the invention is shown in a plan view. The membrane has an outer edge region 1 for clamping. This is followed by a annular, structured area 2, which is bounded on the inside by a fastening area 3. In the edge area 1, the membrane is flat, while the area 2, depending on the application, is also flat or curved in its undeflected position. The embossed structure comprises waves 5 with flanks 6, valleys 7 and mountains 8. These run linienför ig from a point x at the edge 1 to a point x 'in the center, these points being offset from one another in the circumferential direction by an angle α.
Die Figur 2 zeigt eine entsprechende Membran mit gerade ausgerichteter Struktur. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Bei 4 ist die Querschnittslinie für Fig. 4 angegeben.FIG. 2 shows a corresponding membrane with a straight structure. The same elements are provided with the same reference numbers. The cross-sectional line for FIG. 4 is indicated at 4.
Die Figur 3 zeigt die Membran gemäß Figur 2 in einem Querschnitt von der Seite. Der Rand 1 ist in einer Ebene angeordnet, der Mittenbereich 3 in einer gegenüber dem Rand 1 quer versetzten Ebene und der eigentliche Membranbereich 2 verbindet die Bereiche 1 und 3.FIG. 3 shows the membrane according to FIG. 2 in a cross section from the side. The edge 1 is arranged in one plane, the central region 3 in a plane that is offset transversely with respect to the edge 1, and the actual membrane region 2 connects the regions 1 and 3.
Figur 4 schließlich zeigt einen Querschnitt entlang der Linie 4 aus Figur 2. Die wellenförmige Struktur 5 umfaßt Wellenberge 8, Täler 7 und dazwischen Flanken 6. Diese Struktur ist in Metallmembranen als derzeit bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besonders einfach einzuprägen. Die erfindungsgemäßen Vorteile ergeben sich jedoch auch mit anderen Materialien und anderen Strukturen.4 finally shows a cross section along the line 4 from FIG. 2. The wavy structure 5 comprises wave crests 8, valleys 7 and flanks 6 in between. This structure is particularly easy to emboss in metal membranes as the currently preferred embodiment of the invention. However, the advantages according to the invention also result from other materials and other structures.
Die mit der Erfindung erzielte vorteilhafte Wirkung kommt dadurch zustande, daß die Kompensation in zusätzlicher Richtung wirkt. Dadurch wird auch die Flexibilität einer Membrane aus härterem Material vergrößert. Gleichzeitig wird die Haltbarkeit gesteigert. Durch eine geänderte Ausrichtung der konzentrischen Rillen werden keine zusätzlichen Rillen benötigt. Trotzdem werden nun auch beide Kompensationen gleichzeitig erreicht. Dabei verlaufen Rillen hauptsächlich aus der Richtung vom Membranrand schräg oder in einem Bogen in die annähernde Richtung zum Membranmittelpunkt. Die Krümmung des Bo- gens kann entsprechend der Stärke der Membranwölbung festgelegt werden. Beim Abflachen der Membran müssen die seitlich verlaufenden Stauchungskräfte und die quer dazu verlaufenden Stauchungskräfte beide durch die Anordnung der Strukturen aus unterschiedlichen Richtungen schräg auf diese Strukturen auftreffen. Durch die besondere Anordnung können die Strukturen aus unterschiedlichen Richtungen zusammengedrückt werden, wodurch eine Mehrwegkompensation erfolgt. Durch eine an den jeweilig entsprechenden Stelle unterschiedlich starke Steigung der Struktur ist hier eine unterschiedlich starke Kompensation in die jeweilige Richtung wirksam. Zum Beispiel sind in dem Bereich des Membranrandes die Rillen annähernd radial wirksam, weil sich hier der Membrandurchmesser durch die Membranbefestigung nicht so stark verändert. Beim Betätigen der Membran können sich Membranzentrum und Membranaußenrand um die Achse gering gegeneinander verdrehen. Damit eine Membrane mit Kaschierung flexibler wird, kann die Kaschierung auch die neue Anordnung haben. Bei einer Gewebeeinlage mit gleich angeordneter Form wie die neue Membrane könnte die besondere Gewebestruktur für das Dehnen einfacher sein.The advantageous effect achieved with the invention arises from the fact that the compensation acts in an additional direction. This also increases the flexibility of a membrane made of harder material. At the same time, the durability is increased. By changing the orientation of the concentric grooves, no additional grooves are required. Nevertheless, both compensations are now achieved at the same time. Grooves run obliquely from the direction of the membrane edge or in an arc in the approximate direction to the membrane center. The curvature of the arch can be determined according to the thickness of the membrane curvature. When the membrane is flattened, the lateral compression forces and the transverse compression forces must both impinge on these structures at an angle from the arrangement of the structures. Due to the special arrangement, the structures can be pressed together from different directions, whereby multi-way compensation takes place. A differently strong compensation in the respective direction is effective here due to a gradient of the structure of different strength at the respective corresponding location. For example, the grooves are approximately radially effective in the area of the membrane edge, because here the membrane diameter does not change as much due to the membrane attachment. When the diaphragm is actuated, the diaphragm center and the outer edge of the diaphragm can twist slightly against each other around the axis. So that a membrane with lamination becomes more flexible, the lamination can also have the new arrangement. With a fabric insert with the same arrangement as the new membrane, the special fabric structure could be easier for stretching.
Als Anwendungsgebiete kommen Membranpumpen, Meßwertumformer oder -geber sowie Hydraulikelemente in Betracht. Besonders vorteilhaft ist die Anwendung der Erfindung bei Druckspeichern für hydraulische oder hydropneumatische Kraftfahrzeugfederungen und Servoaggregate, bei denen bislang ausschließlich Gummimembranen ein Gaspolster von der Hydraulikflüssigkeit trennen. Die Speicherf higkeit läßt hierbei im Laufe der Zeit nach, weil das Federgas durch die Membran diffundiert. Metallmembranen sind mangels Haltbarkeit und ausreichenden Arbeitshubes nicht zur Anwendung gekommen. Eine erfindungsgemäße Membran kann aus Metall gefertigt werden, wodurch die Diffusion unterbunden wird und die Federkonstante auf Dauer erhalten bleibt.Diaphragm pumps, transducers or transmitters as well as hydraulic elements come into consideration as fields of application. The application of the invention is particularly advantageous in the case of pressure accumulators for hydraulic or hydropneumatic motor vehicle suspensions and servo units, in which so far only rubber membranes have separated a gas cushion from the hydraulic fluid. The storage capacity deteriorates over time because the spring gas diffuses through the membrane. Metal membranes are lacking in durability and sufficient Working strokes were not used. A membrane according to the invention can be made of metal, whereby diffusion is prevented and the spring constant is retained in the long run.
Schließlich kommen Druckspeicher für Zentralheizungsanlagen als Anwendung in Betracht, bei denen mittels einer Metallmembran ebenfalls der schleichende Druckverlust des Puffergases verhindert werden kann. Finally, pressure accumulators for central heating systems come into consideration as applications in which the creeping pressure loss of the buffer gas can likewise be prevented by means of a metal membrane.
Claims
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| AK | Designated states |
Kind code of ref document: A1 Designated state(s): JP US |
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| AL | Designated countries for regional patents |
Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE |
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| DFPE | Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101) | ||
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application | ||
| WA | Withdrawal of international application | ||
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: JP Ref document number: 1999501518 Format of ref document f/p: F |
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| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: CA |