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Ventil mit hülsenförmiger Membran für hohen Betriebsdruck
Die Erfindung bezieht sich auf Membranventile mit hohem Betriebsdruck, bei denen der Ringkanal zwischen dem Ventilgehäuse und einem zentrisch in diesem eingebauten mindestens angenähert stromlinienförmigen Einsatzkörper von einer hülsenförmigen Membran verschlossen wird.
Solche Ventile gibt es in der Ausführung als Rückschlagventile und als Durchgangsventile. Die Durchgangsventile dieser Bauart sind in der Regel so gestaltet, dass die Membran in ihrer Ruhestellung an der Innenwand des Gehäuses anliegt und den Ringkanal zwischen dem Gehäuse und dem Einsatzkörper freilässt. Die Membran ist an den beiden Enden in dem Gehäuse eingespannt. Zum Abschliessen des Ventils kann in die Kammer auf der Rückseite der Membran ein Druckmittel eingeführt werden, welches die Membran nach innen auf den Einsatzkörper druckt.
Bei Rückschlagventilen dieser Bauart ist die Membran in der Regel nur an einem Ende im Gehäuse befestigt, ragt mit einem etwa kegelförmig gestalteten Teil in der Ruhelage in den Ringraum hinein und liegt mit einer dünnwandigen Verlängerung dieses Endes mit geringer Spannung auf dem Einsatzkörper auf.
Wenn ein solches Mambranventil zum Absperren von Leitungen dienen soll, in welchen ein hoher Betriebsdruck herrscht, so muss die Membran entsprechend dickwandig gestaltet sein, damit sie diesem Druck widerstehen kann. Es ist bekannt, die Membran zu diesem Zweck in demjenigen Bereich, der beim öffnen und Schliessen seinen Umfang ändern muss, zur Erzielung einer faltenbalgartigen Wirkung mit sich in Längsrichtung erstreckenden und abwechselnd aussen und innen angeordneten Schlitzen oder Ausnehmungen zu versehen und zur Verbesserung der Verankerungswirkung das bzw. jedes im Gehäuse verankerte Ende von einem sich axial erstreckenden Kragen des Gehäuses bzw. einer Gehäuseschulter von innen her zu unterstützen.
Es hat sich nun gezeigt, dass dann, wenn
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Der für das Absperren erforderliche hohe Steuerdruck wird also zumindest eine starke Auswölbung der Membran in die diesem Leitungsteil zugekehrte Ringöffnung hinein bewirken. Durch die starke Durchwölbung wird die Membran gegenüber ihrer ursprünglichen Länge aber stark gedehnt. Es hat sich nun gezeigt, dass sich bei dieser starken Längsdehnung der Membran die Schlitze wieder öffnen und damit bei Ventilen dieser Bauart bei hohen Betriebsdrücken ein sicheres upd zuverlässiges Absperren des Ventils nicht erreicht wird.
Um diese Nachteile zu vermeiden, ist die Membran gemäss der Erfindung in der Weise ausgebildet, dass sie dem bzw. jedem Unterstützungskragen des Gehäuses benachbart eine Verdickung in Form eines Ringwulstes mit einem ersten ungeschlitzten Bereich besitzt, der bei einem hohen auf die Aussenseite der Membran wirkenden Druck, bei gleichzeitiger Stauchung in Umfangsrichtung, die Ringöffnung zwischen Kragen und Einsatzkörper nach Art eines ringförmigen Stopfens verschliesst.
Wenn auf eine so gestaltete Membran auf die Aussenfläche ein steigender Druck aufgebracht wird, wird sich zunächst der in Längs- richtung geschlitzte Bereich der Membran mit einem immer grosser werdenden Teil an den Einsatzkörper anlegen. Steigt der Druck noch weiter, so wird die ungeschlitzte wulstförmige Verdickung nach innen gedrückt, wobei sie eine Druckvorspannung erhält. Dieser ringförmige Wulst wird dann die Ringöffnung zwischen dem Gehäusekragen und dem Einsatzkörper wie ein Ringstopfen verschliessen.
Da dieser Teil ungeschlitzt ist, besteht nicht die Gefahr, dass sich die Membran durch die Ringöffnung hindurchstülpen kann. Durch die dabei auftretende Stauchung in Umfangsrichtung, die zu einer Druckvorspannung im Gummi führt, kann an der sich in die Ring- öffnung hineinwölbenden Oberfläche des Ringwulstes keine Zugspannung entstehen, so dass die Gefahr einer Zerstörung der Membran auf ein Minimum herabgesetzt ist. Bei Versuchen haben Membrane dieser Bauart Drücken von weit über 100 kg/cm2 standgehalten.
Es hat sich gezeigt, dass bei dieser neuen Ausbildung der Membran die Grenze des Betriebsdruckes tatsächlich nicht mehr durch die Membran, sondern durch das Gehäuse gegeben ist, während bei Membranen mit Längsschlitzen nach der bisherigen Ausführung auch dann, wenn die Membrane sehr dickwandig ausgeführt waren, der Betriebsdruck mit Rücksicht auf die Membran nicht höher als 10 kg/cm2 betragen durfte. Wenn bei einem gemäss der Erfindung gestalteten Durchgangs- bzw. Absperrventil der auf die Aussenseite der Membran aufgebrachte Druck hohe Werte annimmt und dabei die Membran in Längsrichtung gestreckt wird, so hat das hiebei auftretende öffnen der Längsschlitze keinen Einfluss auf die Dichtheit des Ventils, da die Abdichtung bei hohen Drücken von der als Ringstopfen wirkenden ungeschlitzten Verdickung der Membran sichergestellt wird.
Zweckmässigerweise ist die Aussenwand der Membran im Bereich der Verdickung derart erhaben gewölbt, dass auch bei dem im Betrieb höchstmöglichen Druck auf der Aussenseite der Membran im Axialschnitt gesehen eine Wölbung erhalten bleibt. Dabei wird vorteilhafterweise die Verdickung nur an der Aussenseite der Membran vorgesehen. Dies hat zur Folge, dass im normalen Betrieb die wulstartige Verdickung der Membran mit ihrer binnenwand ausserhalb des Ringquerschnittes liegt, so dass beim Rückschlagventil zum öffnen nur der geschlitzte und damit faltenbalgartig wirkende Teil der Membran und die am Einsatzkörper anliegende dünnwandige Lippe aufgeweitet werden muss.
Bei Durchgangsventilen wird zum Abschliessen bei einem normalen bzw. geringen Betriebsdruck nur der zwischen den Verdickungen liegend ? längsgeschlitzte Teil durch den Steuerdruck nach innen gewölbt, bis er sich an den Einsatzkörper anlegt. Erst bei hohen Betriebsdrücken ist es erforderlich, mittels hoher Steuerdrücke auch die ungeschlitzte wulstförmige Verdickung im Durchmesser zu verengen. Da eine Verengung der wulstförmigen Verdickung erst auftritt, wenn der mit Längsschlitzen versehene Teil der Membran am Einsatzkörper anliegt, besteht keine Gefahr, dass die wulstförmige Verdickung beim Stauchen in Umfangsrichtung versucht, falten- ähnliche Auswölbungen zu zeigen bzw. an einzelnen Stellen auszuknicken.
Da die aussenliegende Verdickung keinen Einfluss auf die Strömung hat, tritt durch die wulstförmige Verdickung im Betrieb in der mit dem Ventil versehenen Leitung keine Erhöhung des Druckverlustes auf.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Fig. 1 zeigt ein Rückschlagventil gemäss der Erfindung. Die Membran ist in ihrer Ruhelage dargestellt.
Fig. 2 zeigt das gleiche Ventil wie Fig. 1 mit der voll geöffneten Membran. Fig. 3 zeigt das Ventil nach Fig. 1 bei einem grossen Rückdruck. Fig. 4 zeigt ein Rückschlagventil in gleicher Darstellung wie in Fig. 1, bei welcher die Membran eine etwas abgewandelte Gestalt hat und Fig. 5 zeigt die Anwendung der Erfindung bei einem Durchgangsventil.
Bei dem in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Rückschlagventil gemäss der Erfindung besteht das eigentliche Gehäuse aus einem vorderen Gehäusekörper 1 und einem hinteren Gehäusekörper 2. In dem vorderen Gehäuse-
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körper 1 ist über vier über den Umfang gleichmässig verteilt angeordnete Rippen 5 ein im Axialschnitt stromlinienförmig ausgebildeter, insgesamt mit 6 bezeichneter Einsatzkörper abgestützt. Der vordere Teil 7 des Einsatzkörpers 6 besteht mit den Rippen 5 und dem vorderen Gehäusekörper 1 aus einem Stück. Der hintere Teil 8 des Einsatzkörpers ist mit dem Teil 7 über einem Bolzen 9 und eine Mutter 10 zusammenge- halten. Gehäusekörper 1 und Gehäusekörper 2 sind mittels über den Umfang verteilt angeordneter Schrauben 11 verbunden.
Die ringförmige öffnung 13 zwischen dem Gehäusekörper 1 und dem Einsatzkörper 6 bildet die eigentliche Ventilöffnung. Für den Abschluss der Ventilöffnung 13 dient eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 14 bezeichnete hülsenförmige Membran. Die Membran 14 besteht im wesentlichen aus einem zwischen den beiden Gehäusekörpern 1 und 2 eingeklemmten Befestigungsflansch 15, einem im allgemeinen kegelförmigen Mittelteil 16 und einer am freien Ende der Membran liegenden Lippe 17. Die Membran 14 ist in Fig. 1 in ihrer Ruhestellung dargestellt, die der Form der Membran entspricht, welche sie beim Vulkanisieren erhält. Nur die Form der Lippe 17 entspricht in Fig. 1 nicht der Form, die sie beim Vulkanisieren erhalten hat. Die letztere ist gestrichelt bei 17'dargestellt.
Beim Einbau der Membrane in das Ventil ist die Lippe 17 etwas erweitert, so dass sie den Gehäusekörper 6 mit geringer Spannung umschliesst. Das im Gehäuse verankerte Ende der Membran ist von einer kragenartigen Schulter 21 am Gehäusekörper 1 unterstützt.
Der Mittelteil 16 der Membran ist mit einer nach aussen weisenden Verdickung 18 versehen. Ausserdem besitzt der Mittelteil 16, um ein radiales Aufweiten der Membran unter der Wirkung der durch das Ventil strömenden Flüssigkeit zu ermöglichen, über den ganzen Umfang abwechselnd innen und aussen vorgesehene Einschnitte, die in der der Ruhelage entsprechenden, beim Vulkanisieren erhaltenen Form, etwa eine Breite von einem Millimeter'besitzen. Der unmittelbar der Schulter 21 benachbarte Teil 16a der Verdickung 16 ist jedoch ungeschlitzt. Der in Fig. 1 dargestellte Axialschnitt des Ventils ist durch die Mitte eines äusseren Einschnittes der Membran 14 geführt. Der Grund des äusseren Einschnittes ist mit 19 bezeichnet. Die Tiefe des inneren Einschnittes ist durch den gestrichelt dargestellten Grund 20 kenntlich gemacht.
Unter der Wirkung einer von links nach rechts durch das Ventil strömenden Flüssigkeit weitet sich der Mittelteil 16 der Membran 14 auf und nimmt dann eine Gestalt an,. wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Da das Ma- terial, aus welchem die Membran besteht, verhältnismässig weich ist und die Lippe 17 nur geringe Wandstärke besitzt, kann diese. ohne nachteiligen Druckverlust im Ventil ausreichend aufgeweitet werden.
Sobald die Strömung von links nach rechts aufhört, nimmt die Membran 14 wieder die in Fig. 1 dargestellte Ruhelage ein, bei welcher die Lippe 17 mit geringer Spannung am Einsatzkörper 6 anliegt. Tritt nun an der Austrittsseite des Ventils ein gegenüber dem Druck an der Eintrittsseite erhöhter Druck auf, so wird der Mittelteil der Membran 14 in die Öffnung des Ventils hineingedrückt. Die Schulter 21 im Gehäusekörper 1 stützt den Anfang des Mittelteiles 16 der Membran ab.
Die Verdickung 18 verhindert, dass der Mittelteil der Membran mit der Lippe 17 unter der Wirkung eines erhöhten Rückdr, uckes rückwärts durch die Ventilöffnung 13 hindurchgestülpt werden könnte. In Fig. 3 ist die Gestalt der Membran dargestellt, die sie einnimmt, wenn der Rückdruck ganz beträchtliche Werte annimmt. Bei einer Versuchsanlage, die über 100 kg/cm erzeugen kann, hat die Membran etwa eine Gestalt gezeigt wie dies in Fig. 3 dargestellt ist.
Bei einer zur Erprobung der Betriebssicherheit vorgenommenen sehr häufigen Betätigung mit einem Rückdruck, wie er maximal in der Anlage zu erzeugen war, wurde keine Zerstörung der Membran festgestellt. Die bei Ruhelage der. Membran nach aussen weisende Wölbung der Verdickung 18 war dabei, wie in Fig. 1 gezeigt, so gestaltet, dass bei der in Fig. 3 dargestellten Lage noch eine leichte Wölbung vorhanden ist. Die Versuche haben gezeigt, dass bei der neuen Gestaltung der Membran der zulässige Betriebsdruck für die Ventile nicht mehr durch die Membran, son dern durch die Festigkeit des Gehäuses begrenzt ist.
Die Verdickung 18 der Membran wirkt sozusagen als Stöpsel für die ringförmige öff- nung 13. Das Hindurchpressen der Verdickung 18 durch die Öffnung 13 unter der Wirkung eines erhöhten Gegendruckes wird also einmal durch die Grösse des Volumens der Verdickung 18 in bezug auf den Querschnitt der.
Öffnung 13 verhindert. Weiterhin erschwert die Schulter 21 eine Verformung des Mittelteils 16 in die Öffnung 13 hinein und endlich erschweren auch die Nuten 22 in der Oberfläche des Einsatzkörpers 6 eine RelativBewegung zwischen der Innenfläche der Membran 14 und der Oberfläche des Einsatzkörpers 6.
Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform ist an der Innenseite der Membran eine Schulter 23 vorgesehen, die bei einem erhöhten Rückdruck mit der Schulter 21 des Gehäuses zusammenwirkt. Diese Ausführungs-
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form der Membran ist besonders für grössere Nennweiten mit einer grösseren Weite der öffnung 13 geeignet.
Bei dem in Fig. 5 gezeigten, gemäss der Erfindung ausgebildeten Durchgangsventil besteht das Ventilgehäuse aus den Endteilen 31 und 32 sowie dem Mittelteil 33, welche durch Schrauben 34 miteinander verbunden sind. Der stromlinienförmige Einsatzkörper 35 ist über gleichmässig über den Umfang verteilt angeordnete Rippen 36 in dem Gehäuseteil 31 abgestützt. Der zwischen dem Einsatzkörper 35 und den Gehäuseteilen 31 und 32 bestehende Ringraum stellt die eigentliche Ventilöffnung dar, welche von der hülsenförmigen Membran 37 verschlossen werden kann.
In dem Oberteil der Fig. 5 ist die Membran 37 in ihrem Ruhezustand dargestellt, d. h. in der Lage, welche die Membran einnimmt, wenn die Drücke auf allen Seiten) gleich sind. Diese Gestalt entspricht derjenigen Gestalt, die die Membran beim Vulkanisieren erhält. An ihren Enden besitzt die Membran radial gerichtete Teile 38, die an ihrem Umfang einen Bund 39 aufweisen. Die Bunde 39 sitzen in entsprechenden Vertiefungen der Gehäuseteile 31 und 32 und dienen zur Verankerung der Enden der Membran im Gehäuse. Ausserdem sind die Enden der Membran durch Gehäuse-Schultern 40 abgestützt.
Der Mittelteil der Membran dient für den Abschluss der ringförmigen Öffnung zwischen Einsatzkörper 35 und dem umgebenden Gehäuse. Um eine Verringerung des Durchmessers des Mittelteiles 42 der Membran unter Wirkung eines in die Kammer 43 auf der Rückseite der Membran eingeführten Druckmittels zu ermöglichen, ist dieser Teil der Membran mit über den Umfang gleichmässig verteilt angeordneten, abwechselnd innen und aussen vorgesehenen Einschnitten versehen. Der in Fig. 5 dargestellte Axialschnitt ist durch die Mitte eines aussen liegenden Einschnittes geführt. Die Linie 44 stellt den Grund des äusseren Einschnittes dar, während die gestrichelt gezeichnete Linie 45 den Grund eines inneren Einschnittes wiedergibt.
Bei der von äusseren Kräften un- beeinflussten Gestalt der Membran haben die Einschnitte, im Querschnitt gesehen, nach aussen divergierende Wände u. zw. ist die
Divergenz derart gewählt, dass bei einer ra- dialen Verengung des Mittelteils 42 der Mem- bran unter der Wirkung eines in die Kammer
43 eingeführten hydraulischen Druckes bei Anlage des Mittelteiles an den Einsatzkörper
35 die Wände der inneren und äusseren Ein- schnitte zur gegenseitigen Anlage kommen.
Wenn das Ventil geschlossen werden soll, wird in die Kammer 43 ein Druckmittel ein- geführt. Der dabei aufgewendete Druck muss höher sein als der Betriebsdruck in der Leitung, so dass der Mittelteil zum Absperren der Ventilöffnung an den Einsatzkörper 35 zur Anlage gebracht wird. Wenn im Leitungssystem hohe Betriebsdrücke vorhanden sind, muss auch ein entsprechend hoher Druck in die Kammer 43 eingeführt werden. Bei den bekannten Ventilen besteht nun die Gefahr, dass bei einer Druckentlastung im Leitungssystem ein von einer fremden Druckquelle gebildeter Druck in der Kammer 43 - wegen der nunmehr herrschenden grösseren Druckdifferenz zwischen der Kammer 43 und dem Leitungssystem-die Membran im Bereich ihrer Enden durch eine oder beide ringförmigen Öffnungen zwischen Einsatzkörper 35 und Gehäuseteil 31 bzw. 32 hindurchpresst.
Dies ist bei der Gestaltung gemäss der Erfindung dadurch wirksam verhindert, dass die den Abschluss dieser ringförmigen öffnungen bewirkenden Teile der Membran jeweils mit einer ungeschlitzten Verdickung 46 versehen sind, welche im Volumen im Verhältnis zu der Ringöffnung derart gewählt ist, dass sie die Wirkung eines Stöpsels hat, der auch unter der im Betrieb möglichen grösste, n Druckdifferenz zwischen Kammer 43 und Ventilgehäuse-Innenraum nicht durch die Ringöffnung hindurchgepresst werden kann.
Die Verdickung 46 ist an der Aussenwand der Membran vorgesehen und ist derart erhaben, dass die Aussenwand in diesem Bereich in der Stellung der Membran bei grösstmög- licher Druckdifferenz, wie sie in Fig. 5 in der unteren Hälfte wiedergegeben ist, im Axialschnitt eine leichte Wölbung hat. Durch diese Gestaltung ist sichergestellt, dass in der
Oberfläche der Membran keine Zugspannungen auftreten, welche die Lebensdauer der
Membran herabsetzen würden. Wirksam un- terstützt wird die Stöpselwirkung dieses ver- dickten Teils 46 der Membran 37 durch die an der Innenseite der Membran vorgesehene
Schulter 47, die mit der Gehäuseschulter 40 zusammenwirkt.
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