DE102011015646A1

DE102011015646A1 - Fluidbetätigter Membranantrieb

Info

Publication number: DE102011015646A1
Application number: DE102011015646A
Authority: DE
Inventors: Harald Röhrig; Ulrich Kees; Dr. Stoll Kurt
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2012-10-04
Also published as: WO2012130379A1; CN103443477B; EP2691658A1; EP2691658B1; CN103443477A

Abstract

Es wird ein fluidbetätigter Membranantrieb (1) vorgeschlagen, der zwei mit einander zugewandten Öffnungen koaxial aneinander angesetzte haubenförmige Gehäuseteile (5, 6) aufweist. Die beiden Gehäuseteile (5, 6) sind an ihren aneinander angrenzenden Seitenwänden (5b, 6b) durch eine Bajonettverbindungseinrichtung (45) aneinander fixiert. Die beiden Gehäuseteile (5, 6) sind so gestaltet, dass die Verriegelungsvorsprünge (46a, 46b) der Bajonettverbindungseinrichtung (45) von außen her unsichtbar verdeckt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen fluidbetätigten Membranantrieb, mit einem eine Längsachse aufweisenden Gehäuse, das über zwei jeweils eine von zwei sich in Achsrichtung der Längsachse mit Abstand gegenüberliegenden stirnseitigen Abschlusswänden bildende haubenförmige Gehäuseteile verfügt, die jeweils eine von einer ringförmigen Seitenwand umrahmte Öffnung aufweisen und die unter gemeinsamer Begrenzung eines Gehäuseinnenraumes mit einander zugewandten Öffnungen koaxial aneinander angesetzt und im Bereich der ringförmigen Seitenwände durch eine aus sich hintergreifenden Verriegelungsvorsprüngen der Gehäuseteile gebildete Bajonettverbindungseinrichtung aneinander befestigt sind, und mit einer Antriebseinheit umfassend eine zwischen den beiden Gehäuseteilen fixierte und axial auslenkbare Membran, die antriebsmäßig mit einem wenigstens eine der Abschlusswände gleitverschieblich durchsetzenden Stangenkörper verbunden ist und die den Gehäuseinnenraum fluiddicht in zwei axial benachbarte Arbeitskammern unterteilt, von denen wenigstens eine fluidbeaufschlagbar ist.
Ein aus der DE-A-1426452 bekannter Membranantrieb dieser Art enthält ein Gehäuse, das aus zwei haubenförmigen Gehäuseteilen besteht, die mit einander zugewandten Öffnungen aneinander angesetzt sind. An ihren die Öffnungen umrahmenden Seitenwänden sind die Gehäuseteile mit Hilfe einer Bajonettverbindungseinrichtung aneinander fixiert. Die Bajonettverbindungseinrichtung enthält einen an dem einen Gehäuseteil angeordneten, radial abstehenden Flansch mit in Umfangsrichtung benachbarten Aussparungen und außerdem an dem anderen Gehäuseteil angeordnete, als Verriegelungsvorsprünge fungierende ausgebogene Abschnitte. Im aneinander fixierten Zustand der Gehäuseteile hintergreifen die Verriegelungsvorsprünge die zwischen benachbarten Aussparungen des Flansches vorhandenen Randabschnitte des Flansches, so dass die Gehäuseteile axial unbeweglich aneinander fixiert sind. Im Fügebereich der beiden Gehäuseteile ist im Innern des Gehäuses eine axial verformbare Membran unter Abdichtung angeordnet, die zwei Arbeitskammern voneinander abteilt. Entsprechend einer zwischen den beiden Arbeitskammern herrschenden Druckdifferenz wird ein mit der Membran bewegungsgekoppelter Stangenkörper axial verlagert.
Durch die Bajonettverbindungseinrichtung können die beiden Gehäuseteile relativ schnell im Rahmen einer Steck-Dreh-Bewegung aneinander fixiert werden. Allerdings ergibt sich durch die miteinander in Eingriff stehenden Strukturen eine stark zerklüftete Außenfläche des Gehäuses, die sehr verschmutzungsanfällig und schwer zu reinigen ist. Nicht zu unterschätzen ist auch die Verletzungsgefahr an den sehr exponierten Kanten der Bajonettverbindungseinrichtung.
Einer vergleichbaren Problematik unterliegt der in der US 7,048,342 B1 beschriebene Bremsverstärker, dessen Gehäuse ebenfalls aus zwei miteinander verriegelten Gehäuseteilen besteht. Der Fügevorgang der beiden Gehäuseteile ist dort allerdings ein reiner Steckvorgang, weil die Verriegelung durch Umbiegen von Haltelaschen hervorgerufen wird, nachdem die Gehäuseteile zusammengesteckt wurden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Membranantrieb zu schaffen, der bei reinigungsfreundlichem Aufbau einfach zu montieren ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist in Verbindung mit den eingangs genannten Merkmalen vorgesehen, dass die Verriegelungsvorsprünge der Bajonettverbindungseinrichtung durch die beiden Gehäuseteile von außen her aus jedem Blickwinkel unsichtbar verdeckt sind.
Auf diese Weise liegt quasi eine im Innern des Gehäuses angeordnete Bajonettverbindungseinrichtung vor, deren Verriegelungsvorsprünge nach außen hin abgeschirmt und von der Außenseite des Gehäuses her nicht zugänglich sind. Das Gehäuse kann mithin im Rahmen eines Steck-Dreh-Vorganges schnell und einfach zusammengebaut werden, wobei im zusammengebauten Zustand das Auftreten einer zerklüfteten Außenkontur vermieden wird, was der Ablagerung von Verunreinigungen entgegenwirkt und eine effektive Reinigung begünstigt. Der Membranantrieb ist mithin auch für den Einsatz in reinigungsintensiver Umgebung bestens geeignet, beispielsweise für Anwendungen im Medizin- und Pharmabereich.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Die aneinander angesetzten Gehäuseteile tauchen zweckmäßigerweise mit ihren beiden Seitenwänden unter koaxialer Ausrichtung axial ineinander ein. Die dabei radial außen liegende Seitenwand verfügt über nach innen ragende äußere Verriegelungsvorsprünge, während die radial innen angeordnete Seitenwand über nach radial außen ragende innere Verriegelungsvorsprünge verfügt. Äußere und innere Verriegelungsvorsprünge überlappen sich in der radialen Richtung, wobei sie sich mit einander axial zugewandten Verriegelungsflanken gegenseitig axial abstützen, um den Zusammenhalt der Gehäuseteile zu gewährleisten.
Die beiden Seitenwände sind zweckmäßigerweise derart aneinander angesetzt, dass im Fügebereich eine an der Außenfläche des Gehäuses liegende und zur Längsachse des Gehäuses konzentrische Fügelinie vorliegt. Im Bereich dieser Fügelinie liegen die beiden Seitenwände zweckmäßigerweise aneinander an oder sind nur minimal axial zueinander beabstandet. Die an den beiden Seitenwänden angeordneten und zu der Bajonettverbindungseinrichtung gehörenden Verriegelungsvorsprünge befinden sich im Bereich der der Außenfläche des Gehäuses entgegengesetzten Innenseite der Fügelinie und werden somit von den sich an der Fügelinie gegenüberliegenden Abschnitten der beiden Seitenwände nach außen, zur Umgebung des Membranantriebes hin, in alle Richtungen abgedeckt. Die Fügelinie schließt zweckmäßigerweise eine Fügeebene radial außen ab, die von zwei sich axial gegenüberliegenden und einander zugewandten ringförmigen Stirnflächen der beiden Seitenwände definiert wird. Wenn diese ringförmigen Stirnflächen aneinander anliegen oder nur minimal zueinander beabstandet sind, kann eine optimale allseitige Abschirmung der Bajonettverbindungseinrichtung gewährleistet werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Bajonettverbindungseinrichtung sieht vor, dass die äußeren Verriegelungsvorsprünge radial innen an einem ringförmigen Tragabschnitt der einen Seitenwand angeordnet sind und die die inneren Verriegelungsvorsprünge tragende andere Seitenwand über einen flanschartig ausgebildeten und nach radial außen ragenden ringförmigen Abdeckabschnitt verfügt, der axial vor die Stirnfläche des Tragabschnittes ragt und diese abdeckt.
Die inneren Verriegelungsvorsprünge befinden sich zweckmäßigerweise radial außen an einem ringförmigen Tragabschnitt der zugeordneten Seitenwand, der koaxial in den ringförmigen Tragabschnitt der anderen Seitenwand hineinragt, wobei er von dem ringförmigen Abdeckabschnitt nach radial außen hin überragt wird.
Zweckmäßigerweise erstrecken sich die einander zugewandten Verriegelungsflanken sämtlicher Verriegelungsvorsprünge ohne Steigung in einer zur Längsachse des Gehäuses rechtwinkeligen Ebene, die man als Verriegelungsebene bezeichnen kann. Um eine optimale axiale Vorspannung zwischen den beiden zusammengefügten Gehäuseteilen zu erzielen, ist es dabei zweckmäßig, wenn die Membran axial zwischen den beiden Seitenwänden eingespannt ist. Der eingespannte Abschnitt der Membran wird demnach beim Herstellen der Bajonettverbindung axial zusammengedrückt, so dass er als Reaktion eine die Verriegelungsvorsprünge axial gegeneinander spannende Spannkraft aufbaut.
Zumindest einige der Verriegelungsflanken können allerdings ohne weiteres auch mit einer axialen Steigung versehen sein, so dass sich beim Herstellen der Bajonettverbindung während des zugehörigen Drehvorganges axiale Vorspannkräfte aufbauen können.
Zweckmäßigerweise sind an den beiden Seitenwänden der Gehäuseteile Anschlagmittel angeordnet, die den relativen Drehwinkel der Gehäuseteile bei der Herstellung der Bajonettverbindung begrenzen. Auf diese Weise wird ein Überdrehen verhindert und es wird gewährleistet, dass die miteinander kooperierenden Komponenten der Bajonettverbindungseinrichtung beim Zusammenbau ohne aufwendige Kontrolle automatisch in die korrekte Relativlage gelangen.
Die Anschlagmittel enthalten insbesondere einen an der einen Seitenwand angeordneten, parallel zur Längsachse des Gehäuses ausgerichteten Anschlagstift, der zur Drehwinkelbegrenzung mit einer an der anderen Seitenwand angeordneten und in der Umfangsrichtung der Längsachse orientierten Anschlagfläche zusammenarbeitet. Die Anschlagfläche kann insbesondere von einer Randfläche eines Verriegelungsvorsprunges der Bajonettverbindungseinrichtung gebildet sein.
Der Bajonettverbindungseinrichtung sind zweckmäßigerweise Sicherungsmittel zugeordnet, die ein unbeabsichtigtes Zurückdrehen und dementsprechend ein unbeabsichtigtes Lösen der Bajonettverbindung verhindern. Diese Sicherungsmittel sind insbesondere in Baueinheit mit den Anschlagmitteln ausgebildet. Vorzugsweise verfügt in diesem Zusammenhang die mit der Anschlagfläche ausgestattete Seitenwand im Bereich der Anschlagfläche über eine Verriegelungsausnehmung, in die der weiterhin an der anderen Seitenwand verankerte Anschlagstift einführbar ist. Die Einführbewegung kann insbesondere im Rahmen eines Schraubvorganges stattfinden, wenn der Anschlagstift mit der ihn tragenden Seitenwand in Gewindeeingriff steht.
Unter Berücksichtigung der erfindungsgemäßen Gestaltung der Bajonettverbindungseinrichtung kann das Gehäuse insbesondere eine diskusähnliche äußere Formgebung aufweisen. Es verfügt zweckmäßigerweise über einen außen kreiszylindrisch konturierten Mittelabschnitt, in dessen Bereich sich die nach außen hin verdeckte Bajonettverbindungseinrichtung befindet und an den sich axial beidseits je ein sich kegelstumpfförmig verjüngender Außenflächenabschnitt anschließt.
Ein zweckmäßiger Aufbau des Membranantriebes sieht vor, dass die die beiden Arbeitskammern fluiddicht voneinander abteilende Membran unter axialer Vorspannung der Seitenwände der beiden zusammengefügten Gehäuseteile eingespannt ist. Durch die Einspannung ergibt sich zum einen ein optimaler Dichtkontakt und zum anderen eine wirksame Unterstützung des Zusammenhaltes der beiden Gehäuseteile.
Zur Bildung der relativ zum Gehäuse axial beweglichen Antriebseinheit ist die Membran mit dem zugeordneten Stangenkörper zweckmäßigerweise verschraubt. Andere Arten der Verbindung sind jedoch ebenfalls möglich.
Je nach Einsatzzweck und Funktionalität des Membranantriebes kann der Stangenkörper entweder nur eine der beiden Abschlusswände durchsetzen oder er durchsetzt nach Art einer durchgehenden Stange gleichzeitig beide Abschlusswände. In dem letztgenannten Fall kann die Möglichkeit bestehen, wahlweise jeden der beiden auf entgegengesetzten Seiten aus dem Gehäuse herausragenden Endabschnitte des Stangenkörpers zum Kraftabgriff zu nutzen.
Wenn der Stangenkörper beide Abschlusswände durchsetzt, besteht auch die Möglichkeit, den die eine Abschlusswand durchsetzenden Längenabschnitt für den Kraftabgriff zu nutzen und den die andere Abschlusswand durchsetzenden Längenabschnitt zur Positionserfassung und/oder zur Positionsanzeige und/oder zur Positionsvorgabe.
Der Membranantrieb kann so ausgebildet sein, dass beide von der Membran voneinander abgedichteten Arbeitskammern fluidbeaufschlagbar sind. In diesem Fall mündet in jede Arbeitskammer ein das Gehäuse oder die Antriebseinheit durchsetzender Steuerkanal, durch den hindurch eine gesteuerte Fluidbeaufschlagung der zugeordneten Arbeitskammer möglich ist. Der Membranantrieb kann somit nach Art eines doppeltwirkenden Linearantriebes eingesetzt werden.
Es besteht ferner die Möglichkeit, in einer der Arbeitskammern eine die Membran in eine Grundstellung vorspannende Rückstellfedereinrichtung anzuordnen. Diese Maßnahme empfiehlt sich insbesondere dann, wenn die die Rückstellfedereinrichtung aufnehmende Arbeitskammer nicht zur Fluidbeaufschlagung genutzt wird. Auf diese Weise lässt sich sehr einfach ein einfachwirkender Linearantrieb realisieren.
Bei einem vorteilhaften Aufbau besteht die Rückstellfedereinrichtung aus einer relativ starken Druckfedereinrichtung. Durch Beaufschlagung der anderen Arbeitskammer kann die Rückstellkraft kontinuierlich überwunden werden, so dass die Möglichkeit besteht, den Membranantrieb als Proportionalantrieb zu nutzen, bei dem der realisierte Hubweg proportional von der auferlegten fluidischen Druckkraft abhängt. Diese Betriebsweise wird durch die reibungslos im Gehäuseinnern bewegbare Membran noch zusätzlich begünstigt.
Der Membranantrieb lässt sich für vielfältige Antriebsaufgaben nutzen. Er kann insbesondere überall dort eingesetzt werden, wo bisher schon konventionelle Kurzhubzylinder zum Einsatz kommen. Er eignet sich vor allem auch als Antrieb in der Prozessindustrie und dort insbesondere zur Betätigung von Prozessventilen unterschiedlichster Art. Er kann beispielsweise zur Betätigung eines Linearschieberventils genutzt werden oder auch als Antrieb für eine Quetschventil.
Als Antriebsmedium zur Lieferung der fluidischen Antriebskraft kommt insbesondere Druckluft in Frage, wenngleich auch andere Druckgase oder auch Druckflüssigkeiten als Antriebsmedium nutzbar sind.
Der Membranantrieb kann in ein und derselben Baugröße variabel für unterschiedliche Maximalhübe der Membran beziehungsweise der die Membran enthaltenden Antriebseinheit ausgelegt werden. Dies geschieht insbesondere dadurch, dass man ein oder mehrere Hubbegrenzungselemente bereitstellt, die in einer oder in beiden Arbeitskammern an der die betreffende Arbeitskammer begrenzenden Abschlusswand anbringbar sind und die als Anschlagmittel zur Hubbegrenzung fungieren. Der maximale Hubweg der Antriebseinheit wird somit durch die axiale Höhe des installierten Hubbegrenzungselementes definiert. Es besteht die Möglichkeit, zur Variation des Hubweges mehrere Hubbegrenzungselemente axial gestaffelt zu installieren. Alternativ können mehrere Hubbegrenzungselemente mit unterschiedlicher Höhe bereitgestellt werden, die alternativ in der betreffenden Arbeitskammer montierbar sind. Ein derartiger Aufbau des Membranantriebes hat den Vorteil, dass ohne Veränderung der äußeren Abmessungen ein und derselbe Membranantrieb für unterschiedliche Hubbereiche nutzbar ist. Vorzugsweise ist das mindestens eine Hubbegrenzungselement ringförmig ausgebildet und koaxial in einer Arbeitskammer angeordnet.
Zur Fixierung an seinem Einsatzort verfügt der Membranantrieb zweckmäßigerweise an der Außenseite seines Gehäuses über mindestens eine Befestigungsschnittstelle. Vorzugsweise befindet sich dabei eine zentrale Befestigungsschnittstelle in mittiger Anordnung außen an einer der beiden stirnseitigen Abschlusswände. Diese zentrale Befestigungsmöglichkeit gestattet es, den Membranantrieb bei seiner Montage über 360° hinweg in beliebiger winkelmäßiger Ausrichtung bezüglich seiner Längsachse auszurichten. Dementsprechend können für den Betrieb des Membranantriebes erforderliche Fluidleitungen und auch eventuell wegführende elektrische Kabel optimal positioniert werden.
Als zentrale Befestigungsschnittstelle empfiehlt sich insbesondere ein Gewindeloch, in das eine Befestigungsschraube eindrehbar ist.
Wenn die beiden Gehäuseteile, was zugunsten einer einfachen Herstellung und eines geringen Gewichts zweckmäßigerweise der Fall ist, aus einem Kunststoffmaterial bestehen, kann die Befestigungsschnittstelle auch an einem aus Metall bestehenden Einsatzteil ausgebildet sein, das insbesondere bei der Spritzgießherstellung des zugeordneten Gehäuseteils in dessen Kunststoffmaterial eingebettet wird. Auf diese Weise kann trotz eines Kunststoffgehäuses eine hohe Festigkeit der Befestigungsschnittstelle gewährleistet werden.
Es ist zweckmäßig, den Membranantrieb mit Positionserfassungsmitteln zur Erfassung mindestens einer bezüglich des Gehäuses eingenommenen Relativposition der die Membran und den Stangenkörper umfassenden Antriebseinheit auszustatten. Die Positionserfassungsmittel können es je nach Ausgestaltung und Anordnung ermöglichen, eine oder beide Hubendlagen der Antriebseinheit und/oder eine oder mehrere Zwischenpositionen der Antriebseinheit zu erfassen. Auch eine Wegmessung zur Kontrolle des gesamten Hubbereiches der Antriebseinheit kann vorgesehen sein.
Zur Positionserfassung dienende Sensoren können beispielsweise an mindestens einem der beiden Gehäuseteile montiert sein. Man kann wenig Platz beanspruchende Sensoren somit direkt in mindestens ein Gehäuseteil integrieren.
Zur Wegmessung können die Positionserfassungsmittel beispielsweise über einen Positionstransmitter verfügen, der auf ein mit der Antriebseinheit mitbewegtes Betätigungselement, insbesondere ein Permanentmagnet, anspricht. Wird der Membranantrieb zur Betätigung eines Prozessventils eingesetzt, lässt sich auf diese Weise sehr präzise der aktuelle Öffnungsgrad des Ventils überwachen.
Problemlos kann der Membranantrieb auch mit einer optischen Positionserfassung ausgestattet werden. Hierzu kann der Stangenkörper beispielsweise über einen insbesondere durch Laserbearbeitung eingebrachten Strichcode oder Strichmaßstab verfügen, der durch einen am Gehäuse angeordneten optischen Sensor abtastbar ist.
Ist eine explosionssichere Ausführung des Membranantriebes gewünscht, kann anstelle elektrisch arbeitender Positionserfassungsmittel auf Positionserfassungsmittel nicht-elektrischer Art zurückgegriffen werden. Beispielsweise können magnetisch betätigbare Fluidschalter zur Positionserfassung genutzt werden.
Nachstehend werden weitere Vorteile und optionale Maßnahmen bezüglich des Membranantriebes aufgeführt.
Da das Gehäuse des Membranantriebes nur aus zwei haubenartigen Gehäuseteilen besteht, entfällt ein zusätzliches Zylinderrohr und es ergibt sich ein kompakter Aufbau mit nur wenigen Bauteilen. Der Einsatz einer Membran anstelle eines Kolbens reduziert die innere Reibung des Systems und gewährleistet ein optimales Ansprechverhalten. Außerdem ist keine Schmierung erforderlich.
Der Membranantrieb ist zweckmäßigerweise mit einem zylindrisch und bevorzugt kreiszylindrisch gestalteten Stangenkörper ausgestattet. Alternativ kommt jedoch auch ein Stangenkörper mit mehreckiger und insbesondere mit viereckiger Querschnittskontur in Frage, da sich auf diese Weise besonders einfach eine Verdrehsicherung realisieren lässt. Ein verdrehgesicherter, insbesondere als Vierkant profilierter Stangenkörper hat den Vorteil, dass die Membran nicht mit Torsionsbelastungen beaufschlagt wird, was ihrer Lebenserwartung zugute kommt.
Der Verzicht auf Schrauben zum gegenseitigen Fixieren der Gehäuseteile reduziert die Herstellkosten. Die zur gegenseitigen Fixierung der Gehäuseteile verwendeten Befestigungsmaßnahmen können gleichwohl problemlos so ausgebildet sein, dass die Gehäuseteile lösbar zusammengefügt sind und zu Reparaturzwecken jederzeit auch wieder voneinander getrennt werden können.
Die Antriebseinheit kann im Innern des Gehäuses mit gummielastischen Puffermitteln ausgestattet sein, die einen gedämpften Aufprall in den Endlagen gewährleisten. Geeignete Endlagenpuffer können insbesondere axial beidseitig über die Membran vorstehen, so dass sie bei Erreichen einer Hubendlage auf eine der Antriebseinheit gegenüberliegende Abschlusswand treffen können. Die Endlagenpuffer sind zweckmäßigerweise als unmittelbare Bestandteile der Membran ausgebildet.
Die erfindungsgemäß aneinander befestigten Gehäuseteile können sowohl aus Metall als auch aus einem Polymer und insbesondere aus einem Kunststoffmaterial bestehen.
Kommt ein beide Abschlusswände durchsetzender Stangenkörper zum Einsatz, kann zumindest der die eine Abschlusswand durchsetzende Längenabschnitt zur Hubbegrenzung und/oder zur Positionserfassung der Antriebseinheit genutzt werden. Beispielsweise kann an diesem Längenabschnitt des Stangenkörpers außerhalb des Gehäuses ein Betätigungselement angeordnet sein, das mit einem gehäusefest fixierten Positionssensor kooperiert und bei dem es sich beispielsweise um ein Magnetelement handelt. Das Betätigungselement kann beispielsweise von einer Stellmutter getragen sein, die axial verstellbar auf einem Außengewinde des Längenabschnittes des Stangenkörpers sitzt und die mit Hilfe einer Kontermutter fixierbar ist. Der Positionssensor ist zweckmäßigerweise direkt oder indirekt am Gehäuse des Membranantriebes befestigt.
An dem aus dem Gehäuse herausragenden Längenabschnitt des Stangenkörpers kann auch ein axial insbesondere justierbares Anschlagelement angeordnet sein, das durch Kooperation mit einem am Gehäuse angeordneten oder direkt vom Gehäuse gebildeten Gegenanschlagelement eine bestimmte Axialposition der Antriebseinheit vorgeben kann.
Der Stangenkörper kann einstückig oder auch mehrteilig sein. Er kann beispielsweise zwei Stangenkörperelemente aufweisen, die von einander entgegengesetzten Seiten her, an die Membran angesetzt sind und die jeweils einen der jeweils eine Abschlusswand durchsetzenden Längenabschnitte des Stangenkörpers bilden.
Für die Membran empfiehlt sich ein durch eine Faseranordnung und/oder durch ein Gewebe verstärkter Aufbau. Die Verstärkungsmittel können insbesondere einseitig außen oder mittig im Innern des Membranmaterials angeordnet sein. Als Material für die Membran empfiehlt sich Gummi oder Silikon oder ein thermoplastisches Polyurethan. Es ist jedenfalls von Vorteil, wenn das Membranmaterial nicht nur flexibel, sondern auch gummielastisch verformbar ist.
Der Membranantrieb kann zusätzlich mit Leuchtanzeigemitteln ausgestattet sein, die das Erreichen mindestens einer bestimmten Hubposition der Antriebseinheit signalisieren.
Wenn der Stangenkörper zur Positionserfassung der Antriebseinheit genutzt wird, kommen alle gängigen Abfragemöglichkeiten in Frage. Außer der schon erwähnten optischen Abtastung ist selbstverständlich auch eine magnetische Abtastung möglich, indem beispielsweise in den Stangenkörper ein Magnetmaterial eingebettet wird, das von einem magnetfeldempfindlichen Positionssensor oder Wegaufnehmer erfassbar ist.
Für den Stangenkörper empfiehlt sich insbesondere ein Aufbau aus Aluminium oder aus Edelstahl. Die beiden Gehäusedeckel sind zweckmäßigerweise spanlos gefertigt.
Der Membranantrieb ermöglicht die Realisierung sehr schneller Bewegungen der Antriebseinheit. Dies kann beispielsweise genutzt werden zum Stanzen, Nieten, Lochen, Stempeln, Prägen, Ausstoßen oder Sortieren. Die bewegte Masse ist dabei sehr gering. Da zumindest diejenige Arbeitskammer, die nicht von einem Stangenkörper durchsetzt ist, hermetisch dicht ausführbar ist, lässt sich der Membranantrieb energetisch mit sehr hoher Effizienz betreiben. Auch auf Schmiermaßnahmen in Bezug auf die Membran kann verzichtet werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Membranantriebes mit Blick auf die Seite der Anschlussöffnungen,
2 eine Seitenansicht des Membranantriebes mit Blickrichtung gemäß Pfeil II aus 1, wobei die Blickrichtung rechtwinkelig zur Längsachse des Gehäuses des Membranantriebes orientiert ist,
3 eine isometrische Explosionsdarstellung des Membranantriebes,
4 einen Längsschnitt des Membranantriebes gemäß Schnittebene IV-IV aus 2, wobei diese Schnittebene mit der Längsachse des Gehäuses zusammenfällt und eine bezüglich der Längsachse des Gehäuses axiale und radiale Ausdehnung hat,
5 einen weiteren Längsschnitt des Membranantriebes gemäß Schnittebene V-V aus 4, die bezüglich der der 4 zugrunde liegenden Schnittebene um 90° um die Längsachse des Gehäuses verdreht ist,
6 eine perspektivische Einzeldarstellung des einen der beiden Gehäuseteile,
7 eine perspektivische Einzeldarstellung des anderen der beiden Gehäuseteile,
8 eine axial orientierte Innenansicht des in 6 gezeigten Gehäuseteils, und
9 eine axial orientierte Innenansicht des in 7 gezeigten Gehäuseteils.
Der in seiner Gesamtheit mit Bezugsziffer 1 bezeichnete Membranantrieb ist zur mittels Fluidkraft gesteuerten Betätigung ausgelegt, wobei die Fluidkraft von einem nach Bedarf zuführbaren und abführbaren fluidischen Antriebsmedium geliefert wird. Bei diesem Antriebsmedium handelt es sich insbesondere um Druckluft. Der Membranantrieb kann aber auch mittels anderer gasförmiger Antriebsmedien und auch mittels flüssiger Antriebsmedien betrieben werden.
Der Membranantrieb 1 verfügt über ein Gehäuse 2 mit einer Längsachse 3. Er verfügt außerdem über eine relativ zu dem Gehäuse 2 in Achsrichtung der Längsachse 3 linear bewegbare Antriebseinheit 4. Die Relativbewegung der Antriebseinheit 4 bezüglich des Gehäuses 2 wird durch die gesteuerte Fluidbeaufschlagung seitens des Antriebsmediums hervorgerufen.
Das Gehäuse 2 verfügt über zwei haubenförmige Gehäuseteile 5, 6, die im Folgenden zur besseren Unterscheidung auch als erstes und zweites Gehäuseteil 5, 6 bezeichnet werden. Jedes Gehäuseteil 5, 6 verfügt über eine insbesondere im Wesentlichen scheibenförmige stirnseitige Abschlusswand 5a, 6a und eine sich einstückig koaxial daran anschließende ringförmige Seitenwand 5b, 6b.
Jedes Gehäuseteil 5, 6 umrahmt mit seiner ringförmigen Seitenwand 5b, 6b eine mit axialem Abstand zur zugeordneten stirnseitigen Abschlusswand 5a, 6a angeordnete Öffnung 7a, 7b. Die beiden Gehäuseteile 5, 6 sind mit einander zugewandten Öffnungen 7a, 7b koaxial aneinander angesetzt, wobei sie gemeinsam einen Gehäuseinnenraum 8 begrenzen. Unter Mitwirkung der beiden ringförmigen Seitenwände 5b, 6b sind die Gehäuseteile 5, 6 aneinander befestigt.
Jedes Gehäuseteil 5, 6 hat zweckmäßigerweise eine zumindest im Wesentlichen runde und insbesondere kreisrunde Außenkontur, die exemplarisch nur von einem im Übergangsbereich zwischen der stirnseitigen Abschlusswand 5a, 6a und der ringförmigen Seitenwand 5b, 6b außen an jedes Gehäuseteil 5, 6 angeformten Anschlussauge 11a, 11b unterbrochen ist. Die Anschlussaugen 11a, 11b erstrecken sich rippenähnlich in radialer Richtung bis in den Bereich der radial orientierten Außenkontur der zugeordneten Seitenwand 5b, 6b, wobei sie an ihren radial nach außen weisenden Abschlussflächen jeweils eine Anschlussöffnung 12a, 12b aufweisen, die zur Zufuhr und Abfuhr des Antriebsmediums geeignet ist.
Die Antriebseinheit 4 verfügt über eine im Gehäuseinnenraum 8 angeordnete und sich dort quer zu der Längsachse 3 erstreckende Membran 13. Die Membran 13 ist zweckmäßigerweise im Wesentlichen topfähnlich vorgeformt. Sie verfügt über biegeflexible Eigenschaften und besteht insbesondere aus einem gummielastischen Membrankörper, der mit einer integrierten oder außen angesetzten Gewebeverstärkung kombiniert ist.
Entsprechend der Gestaltung der ringförmigen Seitenwände 5b, 6b hat die Membran 13 exemplarisch eine kreisförmige Außenkontur. Sie verfügt radial außen über einen ununterbrochen umlaufenden, insbesondere wulstartig ausgeformten Befestigungsrand 14, mit dem sie zwischen den beiden ringförmigen Seitenwänden 5b, 6b unter axialer Vorspannung eingespannt ist. Unter Mitwirkung der Membran 13 wird der Gehäuseinnenraum 8 fluiddicht in zwei axial aufeinanderfolgende, im Folgenden als erste und zweite Arbeitskammer 15a, 15b bezeichnete Arbeitskammern unterteilt. Die am ersten Gehäuseteil 5 angeordnete erste Anschlussöffnung 12a kommuniziert über einen die Wandung des ersten Gehäuseteils 5 durchsetzenden ersten Steuerkanal 16a mit der ersten Arbeitskammer 15a, während die am zweiten Gehäuseteil 6 angeordnete zweite Anschlussöffnung 12b über einen die Wandung des zweiten Gehäuseteils 6 durchsetzenden zweiten Steuerkanal 16b mit der zweiten Arbeitskammer 15b kommuniziert. Mithin kann durch die beiden Steuerkanäle 16a, 16b hindurch jede Arbeitskammer 15a, 15b mit Fluiddruck beaufschlagt oder druckentlastet werden.
Die Antriebseinheit 4 enthält als weiteren Bestandteil außer der Membran 13 auch noch ein als Stangenkörper 17 bezeichnetes stangenförmiges Bauteil, das einenends im zentralen. Bereich der Membran 13 befestigt ist und das sich ausgehend von der Membran 13 in Achsrichtung der Längsachse 3 erstreckt, wobei es gleitverschieblich durch eine die stirnseitige Abschlusswand 5a des ersten Gehäuseteils 5 durchsetzende Durchtrittsöffnung 18 nach außen hin hindurchtritt. Der Stangenkörper 17 hat einen außerhalb des Gehäuses 2 angeordneten Abgriffsabschnitt 22, an dem die von der Antriebseinheit 4 ausgeführte Bewegung oder ausgeübte Stellkraft abgreifbar ist, um beispielsweise einen Ventilkörper eines mit dem Membranantrieb 1 kombinierten Prozessventils zu betätigen.
In der Durchtrittsöffnung 18 sind geeignet ausgebildete ringförmige Führungsmittel 23 und Dichtungsmittel 24 angeordnet, die den Stangenkörper 17 koaxial umschließen und die dafür sorgen, dass der Stangenkörper 17 einerseits bezüglich des Gehäuses 2 exakt linear verschiebbar geführt ist und dass andererseits ein Fluidaustritt aus dem Gehäuseinnenraum 8 durch die Durchtrittsöffnung 18 hindurch ausgeschlossen ist.
Zweckmäßigerweise ist die Membran 13 mittels einer Schraubverbindungseinrichtung 25 an dem Stangenkörper 17 fixiert. Hierzu greift exemplarisch eine Befestigungsschraube 26 von der Seite der zweiten Arbeitskammer 15b durch die Membran 13 hindurch und ist in den Stangenkörper 17 eingeschraubt, so dass die Membran 13 zwischen einerseits dem Stangenkörper 17 und andererseits einem Schraubenkopf 27 der Befestigungsschraube 26 eingespannt ist. Durch die Einspannung ergibt sich auch eine fluiddichte Verbindung, die einen Fluidübertritt zwischen den beiden Arbeitskammern 15a, 15b verhindert.
Es versteht sich, dass die Membran 13 auch durch andere Befestigungsmaßnahmen an dem Stangenkörper 17 fixiert sein kann, beispielsweise durch Vernieten.
Die Antriebseinheit 4 enthält zweckmäßigerweise auch noch zwei Abstützteller 28, deren Außendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des Gehäuseinnenraumes 8 und die sich in zur Längsachse 3 koaxialer Anordnung auf beiden axialen Seiten der Membran 13 an selbige anschließen. Die Abstützteller 28 sind in die Schraubverbindungseinrichtung 25 eingegliedert und liegen mit axialer Vorspannung von entgegengesetzten Axialseiten her an der Membran 13 an. An ihrem radial außen liegenden Randbereich können die Abstützteller 28 zur Membran 13 hin konvex abgerundet sein, so dass sich je eine gewölbte Abstützfläche 29 ergibt, an der sich die Membran 13 abstützen und abwälzen kann, wenn sie zum Zwecke einer Betätigung der Antriebseinheit 4 durch entsprechende Fluidbeaufschlagung axial ausgelenkt wird.
Der Abstützteller 28 kann beispielsweise aus einer Scheibe bestehen, die am Außenrand zur Bildung der Abstützfläche 29 axial umgebogen sein kann.
Beim Ausführungsbeispiel können beide Arbeitskammern 15a, 15b mit einem fluidischen Antriebsmedium beaufschlagt werden. In Abhängigkeit von der dadurch eingestellten Druckdifferenz zwischen den beiden Arbeitskammern 15a, 15b kann auf diese Weise eine axiale Auslenkung des radial innerhalb des eingespannten Befestigungsrandes 14 liegenden Bereiches der Membran 13 hervorgerufen werden, so dass sich auch der Stangenkörper 17 entsprechend mitbewegt. Auf diese Weise ergibt sich eine lineare Antriebsbewegung 34 der Antriebseinheit 4 in Achsrichtung der Längsachse 3 relativ zum Gehäuse 2.
Wenn beide Arbeitskammern 15a, 15b gesteuert mit einem fluidischen Antriebsmedium beaufschlagbar sind, liegt eine doppeltwirkende Ausführung des Membranantriebes 1 vor, bei der die Antriebseinheit 4 in beiden axialen Richtungen mittels Fluidkraft betätigbar ist.
Der Membranantrieb 1 kann allerdings auch als einfachwirkender Antrieb konzipiert werden, wobei nur eine der beiden Arbeitskammern 15a, 15b fluidbeaufschlagbar ausgebildet ist oder zur Fluidbeaufschlagung genutzt wird und wobei in einer der beiden Arbeitskammern 15a oder 15b eine Rückstellfedereinrichtung 33 angeordnet ist, die sich einerseits am Gehäuse 2 und andererseits an der Antriebseinheit 4 abstützt und durch die die Antriebseinheit 4 in eine Grundstellung vorgespannt ist. Eine solche Rückstellfedereinrichtung 33 ist in der Zeichnung schematisch angedeutet. Sie ist insbesondere als Druckfedereinrichtung ausgebildet und zweckmäßigerweise als Schraubenfedereinrichtung konzipiert, wobei sie den im Gehäuseinnenraum 8 angeordneten Längenabschnitt des Stangenkörpers 17 koaxial umschließt.
Eine gegebenenfalls vorhandene Rückstellfedereinrichtung 33 kann sich seitens der Antriebseinheit 4 insbesondere an einem der schon erwähnten Abstützteller 28 abstützen.
Um die Antriebseinheit 4 im drucklosen Zustand in einer stabilen Grundstellung zu halten, kann die Rückstellfedereinrichtung 33 auch dann vorhanden sein, wenn der Membranantrieb 1 als doppeltwirkender Antrieb genutzt wird.
Die durch gesteuerte Fluidbeaufschlagung hervorrufbare lineare Antriebsbewegung der Antriebseinheit 4 ist in der Zeichnung bei 34 durch einen Doppelpfeil angedeutet.
Die Antriebseinheit 4 ist zweckmäßigerweise zwischen zwei Hubendlagen bewegbar. Eine der Hubendlagen ist die weiter oben erläuterte Grundstellung. In jeder Hubendlage stützt sich die Antriebseinheit 4 an der Innenfläche einer der beiden stirnseitigen Abschlusswände 5a, 6a ab.
Der eingespannte Befestigungsrand 14 der Membran 13 verläuft zweckmäßigerweise in einer zu der Längsachse 3 rechtwinkeligen Befestigungsebene. Diese Befestigungsebene ist insbesondere eine Mittelebene für die mögliche axiale Auslenkbewegung der Membran 13. In der einen Hubendlage ist die Membran 13 ausgehend von der Befestigungsebene in Richtung zu der einen stirnseitigen Abschlusswand 5a verformt, in der anderen Hubendlage ist sie in Richtung zur anderen stirnseitigen Abschlusswand 6a verformt. In jeder Hubendlage der Antriebseinheit 4 weist die Membran 13 zweckmäßigerweise eine topf- oder becherähnliche Gestalt auf.
An der Außenseite des Gehäuses 2 befindet sich zweckmäßigerweise mindestens eine Befestigungsschnittstelle 35, über die sich das Gehäuse 2 des Membranantriebes 1 an einer externen Struktur befestigen lässt. Exemplarisch ist eine solche Befestigungsschnittstelle 35 axial außen an dem nicht von dem Stangenkörper 17 durchsetzten zweiten Gehäuseteil 6 angeordnet, und zwar insbesondere an zentraler Stelle, so dass sie von der Längsachse 3 durchsetzt wird.
Die zentrale Befestigungsschnittstelle 35 ist insbesondere in der Form eines zu der Längsachse 3 koaxialen Gewindeloches realisiert, unter dessen Mithilfe sich das Gehäuse 2 im Rahmen einer Schraubverbindung extern befestigen lässt.
Ein Vorteil der zentralen Befestigungsschnittstelle 35 besteht darin, dass das Gehäuse 2 bezüglich der Längsachse 3 relativ beliebig ausrichtbar ist, bevor die endgültige Befestigung stattfindet. Auf diese Weise lässt sich das Gehäuse 2 entsprechend den am Einsatzort vorhandenen Gegebenheiten variabel drehwinkelmäßig ausrichten. Insbesondere lassen sich dadurch die Anschlussöffnungen 12a, 12b optimal orientieren.
Abweichend vom Ausführungsbeispiel kann der Stangenkörper 17 auch so ausgebildet sein, dass er den Gehäuseinnenraum 8 axial vollständig durchsetzt und auch eine an dem zweiten Gehäuseteil 6 ausgebildete weitere Durchtrittsöffnung axial verschieblich durchquert. Ein derartiger Stangenkörper 17 kann entweder einstückig ausgebildet sein oder über mehrere, insbesondere im Bereich der Membran 13 miteinander verbundene Stangenelemente verfügen.
Bei einem solchen Membranantrieb 1 können zwei einander axial entgegengesetzt orientierte Abgriffsabschnitte 22 der Antriebseinheit 4 zur wahlweisen Nutzung zur Verfügung gestellt werden.
Wenn ein Stangenkörper 17 das Gehäuse 2 axial vollständig durchsetzt, kann mindestens einer der beiden außerhalb des Gehäuses 2 angeordneten Endabschnitte zur Positionserfassung und/oder zur Hubeinstellung der Antriebseinheit 4 genutzt werden.
Wie in der Zeichnung schematisch angedeutet ist, kann der Membranantrieb über mindestens ein im Innern mindestens einer Arbeitskammer 15a, 15b angeordnetes Hubbegrenzungselement 36 verfügen, das an der der Membran 13 zugewandten axialen Innenfläche mindestens einer stirnseitigen Abschlusswand 5a, 6a fixierbar oder fixiert ist. Mit Hilfe eines solchen Hubbegrenzungselementes 36 kann die normalerweise unmittelbar durch eine stirnseitige Abschlusswand 5a, 6a vorgegebene Hubendlage der Antriebseinheit 4 abweichend vorgegeben werden. Das eingesetzte Hubbegrenzungselement 36 begrenzt den axialen Hub der Antriebseinheit 4 und ermöglicht es dadurch, ohne Veränderung des grundsätzlichen Aufbaus des Membranantriebes eine Variation des durch die Antriebseinheit 4 zur Verfügung gestellten Hubes vorzunehmen.
Das Hubbegrenzungselement 36 kann beispielsweise durch eine Schraubverbindung oder eine Klebeverbindung am zugeordneten Gehäuseteil 5, 6 fixiert sein. Es besteht die Möglichkeit, mehrere Hubbegrenzungselemente 36 in kaskadierter Form gleichzeitig zu installieren, um je nach Anzahl der installierten Hubbegrenzungselemente 36 unterschiedliche maximale Hübe zu definieren. Es besteht ebenso die Möglichkeit, mehrere Hubbegrenzungselemente 36 unterschiedlicher Länge zur Verfügung zu stellen, die je nach gewünschtem maximalem Hub alternativ im Gehäuse 2 installierbar sind.
Das Hubbegrenzungselement 36 ist zweckmäßigerweise ringförmig ausgebildet und kann vorzugsweise in bezüglich der Längsachse 3 koaxialer Ausrichtung installiert sein. Es handelt sich bei ihm um ein bezüglich des Gehäuses 2 separates Bauteil, das nur bei entsprechender Anforderung installiert wird.
Zweckmäßigerweise ist der Membranantrieb 1 mit Positionserfassungsmitteln 37 ausgestattet, die es ermöglichen, mindestens eine bezüglich des Gehäuses 2 eingenommene Relativposition der Antriebseinheit 4 zu erfassen. Die Positionserfassungsmittel 37 können ausgelegt sein, um eine oder beide Hubendlagen der Antriebseinheit 4 zu detektieren und/oder um mindestens eine Zwischenposition zwischen den beiden Hubendlagen zu detektieren und/oder um den gesamten Hubweg der Antriebseinheit 4 kontinuierlich zu erfassen.
Besonders zweckmäßig ausgebildete Positionserfassungsmittel 37 enthalten eine an der Außenseite jedes Gehäuseteils 5, 6 angeordnete und insbesondere in unmittelbarer Nachbarschaft eines jeweiligen Anschlussauges 11a, 11b angeordnete Befestigungsnut 38, die insbesondere parallel zu der bezüglich der Längsachse 3 radial orientierten Längserstreckung des betreffenden Anschlussauges 11a, 11b ausgerichtet ist. Jede Befestigungsnut 38 ist dazu ausgebildet, um einen Positionssensor 42 aufzunehmen, der berührungslos durch ein im Gehäuseinnenraum 8 an der Antriebseinheit 4 angeordnetes und insbesondere als Permanentmagnet ausgebildetes Betätigungselement 43 betätigbar ist. Jeder Positionssensor 42 spricht insbesondere dann an, wenn die Antriebseinheit 4 die zugeordnete Hubendlage erreicht hat.
Die Befestigungsnut 38 ist insbesondere an einer an das benachbarte Anschlussauge 11a, 11b angeformten Befestigungsrippe 44 ausgebildet. Indem die Befestigungsnut 38 aufgrund der bezüglich der Längsachse 3 radialen Längsausrichtung der Befestigungsnut 38 zur radialen Außenseite des Gehäuses 2 hin ausmündet, können dort bequem die für den Anschluss der Positionssensoren 42 benötigten elektrischen Kabel weggeführt werden.
Die Positionserfassungsmittel 37 sind in der Zeichnung nur schematisch angedeutet.
Ein oder beide Gehäuseteile 5, 6 des Gehäuses 2 bestehen zweckmäßigerweise aus einem Polymermaterial und hierbei insbesondere aus einem Kunststoffmaterial. Hierbei können die Gehäuseteile 5, 6 sehr einfach und kostengünstig spanlos gefertigt werden. Außerdem weist der Membranantrieb 1 in diesem Fall ein nur geringes Gewicht auf. Es versteht sich allerdings, dass auch eine Metallausführung möglich ist, wobei die Gehäuseteile 5, 6 insbesondere aus Aluminium oder aus Edelstahl hergestellt werden. Auch eine Realisierung aus Verbundmaterialien ist möglich.
Die beiden Gehäuseteile 5, 6 sind in vorteilhafter Weise mittels einer Bajonettverbindungseinrichtung 45 aneinander befestigt. Zum Herstellen der Bajonettverbindung können die beiden Gehäuseteile 5, 6 mit einander zugewandten Öffnungen 7a, 7b voraus in einem ersten Schritt axial zusammengesteckt und in einem zweiten Schritt relativ zueinander verdreht werden. Die Richtung des axialen Zusammensteckens fällt mit der Achsrichtung der Längsachse 3 zusammen. Die Drehachse für die Drehbewegung ist unmittelbar von der Längsachse 3 gebildet.
Die Bajonettverbindungseinrichtung 45 ist zweckmäßigerweise lösbar ausgebildet. Somit können die beiden Gehäuseteile 5, 6 durch einen umgekehrten Bewegungsablauf – zunächst Zurückdrehen und dann Auseinanderziehen – bei Bedarf auch wieder voneinander gelöst werden.
Für die notwendige axiale Vorspannung zwischen den beiden Gehäuseteilen 5, 6 sorgt zweckmäßigerweise der zwischen den beiden stirnseitigen Abschlusswänden 5a, 6a eingespannte Befestigungsrand 14 der zumindest teilweise aus einem Material mit gummielastischen Eigenschaften bestehenden Membran 13.
Die Bajonettverbindungseinrichtung 45 verfügt über an dem ersten Gehäuseteil 5 angeordnete erste Verriegelungsvorsprünge 46a und über an dem zweiten Gehäuseteil 6 angeordnete zweite Verriegelungsvorsprünge 46b. Bei hergestellter Bajonettverbindung hintergreifen sich die ersten und zweiten Verriegelungsvorsprünge 46a, 46b gegenseitig auf einander axial zugewandten Seiten. Ein besonderes Merkmal der Bajonettverbindungseinrichtung 45 besteht darin, dass die Verriegelungsvorsprünge 46a, 46b im zusammengebauten Zustand des Gehäuses 2 durch die beiden Gehäuseteile 5, 6 in von außen her aus jedem Blickwinkel unsichtbarer Weise verdeckt beziehungsweise abgedeckt werden. Auf diese Weise ergibt sich eine Außenkontur des Membranantriebes, die wenig zu Verschmutzung neigt, die sehr reinigungsfreundlich ist und aus der keine Verletzungsgefahr aufgrund besonders exponierter und eventuell scharfkantiger Teile resultiert.
Die beiden Gehäuseteile 5, 6 tauchen in ihrem Fügebereich unter koaxialer Ausrichtung axial ineinander ein. Exemplarisch wird dabei die stirnseitige Abschlusswand 6a des zweiten Gehäuseteils 6 über wenigstens einen Teil ihrer Länge radial außen von der ringförmigen Seitenwand 5b des ersten Gehäuseteils 5 umschlossen. Man kann also sagen, dass die ringförmige Seitenwand 5b des ersten Gehäuseteils 5 im Fügebereich außen liegt, während die ringförmige Seitenwand 6b des zweiten Gehäuseteils 6 radial innen liegt. Anhand dieser Konstellation erfolgt auch die weitere Beschreibung der Bajonettverbindungseinrichtung 45. Es versteht sich jedoch, dass auch eine umgekehrte Zuordnung der Gehäuseteile 5, 6 möglich ist, so dass die ringförmige Seitenwand 5b axial in die ringförmige Seitenwand 6b eintaucht.
Die Seitenwand 5b des ersten Gehäuseteils 5 verfügt über einen zu der Längsachse 3 koaxialen, ringförmigen ersten Tragabschnitt 47a. Die im Folgenden auch als äußere Verriegelungsvorsprünge bezeichneten ersten Verriegelungsvorsprünge 46a sind an der radialen Innenseite des ersten Tragabschnittes 47a angeordnet. Mehrere erste beziehungsweise äußere Verriegelungsvorsprünge 46a sind in der Umfangsrichtung der Längsachse 3 entlang des ersten Tragabschnittes 47a unter gegenseitigem Abstand zueinander verteilt angeordnet. Dementsprechend ergibt sich zwischen in der Umfangsrichtung des ersten Tragabschnittes 47a aufeinanderfolgenden äußeren Verriegelungsvorsprüngen 46a jeweils ein sowohl axial als auch nach radial innen hin offener Zwischenraum, der im Folgenden als äußerer Zwischenraum 48a bezeichnet sei. In der Umfangsrichtung des ersten Tragabschnittes 47a sind somit äußere Verriegelungsvorsprünge 46a und äußere Zwischenräume 48a aufeinanderfolgend angeordnet.
Die ringförmige Seitenwand 6b des zweiten Gehäuseteils 6 verfügt über einen ringförmigen zweiten Tragabschnitt 47b, der ebenfalls koaxial zu der Längsachse 3 angeordnet ist. Er ragt axial in Richtung zum ersten Gehäuseteil 5. Die im Folgenden auch als innere Verriegelungsvorsprünge bezeichneten zweiten Verriegelungsvorsprünge 46b sind an der radialen Außenseite des ringförmigen zweiten Tragabschnittes 47b angeordnet, wobei ihre Anzahl derjenigen der äußeren Verriegelungsvorsprünge 46a entspricht. Zwischen in der Umfangsrichtung des zweiten Tragabschnittes 47b jeweils benachbarten inneren Verriegelungsvorsprüngen 46b befindet sich ein axial zum ersten Gehäuseteil 5 hin und zugleich nach radial außen hin offener Zwischenraum, der im Folgenden als innerer Zwischenraum 48b bezeichnet sei. Auf diese Weise sind an dem zweiten Tragabschnitt 47b mehrere innere Verriegelungsvorsprünge 46b und innere Zwischenräume 48b in Umfangsrichtung verteilt abwechselnd aufeinanderfolgend angeordnet.
Unter der Umfangsrichtung eines Tragabschnittes 47a, 47b ist die Erstreckung rings um die Längsachse 3 des Gehäuses 2 gemeint.
Der erste Tragabschnitt 47a verfügt über eine zum zweiten Gehäuseteil 6 hin orientierte axiale ringförmige erste Stirnfläche 52a. Der zweite Tragabschnitt 47b weist an seinem dem ersten Gehäuseteil 5 zugewandten Ende eine axial orientierte ringförmige zweite Stirnfläche 52b auf. Die äußeren Verriegelungsvorsprünge 46a schließen sich zweckmäßigerweise direkt an die erste Stirnfläche 52a an, während sich die inneren Verriegelungsvorsprünge 46b zweckmäßigerweise direkt an die zweite Stirnfläche 52b anschließen.
Zwischen jedem Verriegelungsvorsprung 46a, b und einem ihm gegenüberliegenden Abschnitt des zugeordneten Gehäuseteils 5, 6 befindet sich ein nutförmiger Zwischenraum 53a, 53b, der im Falle des ersten Gehäuseteils 5 nach radial innen und im Falle des zweiten Gehäuseteils 6 nach radial außen hin offen ist. Die nutförmigen Zwischenräume 53a, 53b gehen jeweils in der Umfangsrichtung des Tragabschnittes 47a, 47b in einen sich anschließenden Zwischenraum 48a, 48b über.
Beim Zusammenbau des Gehäuses 2 werden zunächst die beiden Gehäuseteile 5, 6 axial zusammengesteckt, so dass der zweite Tragabschnitt 47b koaxial in den ersten Tragabschnitt 47a eintaucht, wobei gleichzeitig die am jeweils einen Gehäuseteil 5, 6 angeordneten Verriegelungsvorsprünge 46a, 46b in jeweils einen der am anderen Gehäuseteil 6, 5 angeordneten Zwischenräume 48b, 48a eintauchen. Die Gehäuseteile 5, 6 werden so weit axial ineinandergesteckt, dass die Verriegelungsvorsprünge 46a, b des jeweils einen Gehäuseteils 5, 6 auf gleicher axialer Höhe mit den nutförmigen Zwischenräumen 53a, 53b des jeweils anderen Gehäuseteils 6, 5 zu liegen kommen. Ausgehend von dieser Position werden die beiden Gehäuseteile 5, 6 im nächsten Schritt so weit gegeneinander verdreht, bis sich die an den beiden Tragabschnitten 47a, 47b angeordneten äußeren und inneren Verriegelungsvorsprünge 46a, 46b paarweise hintergreifen. Die äußeren und inneren Verriegelungsvorsprünge 46a, b überlappen sich dabei mit einander axial zugewandten Verriegelungsflanken 54a, 54b in radialer Richtung und stützen sich mit diesen Verriegelungsflanken 54a, 54b in axialer Richtung aneinander ab.
Zwischen den aneinander anliegenden Verriegelungsflanken 54a, 54b liegt eine durch die zwischen den beiden Gehäuseteilen 5, 6 eingespannte Membran 13 hervorgerufene axiale Vorspannung vor.
Durch eine besondere Gestaltung der beiden Gehäuseteile 5, 6 wird erreicht, dass sowohl die äußeren als auch die inneren Verriegelungsvorsprünge 46a, 46b zur Außenseite des Gehäuses 2 hin verdeckt sind. Es ist sogar so, dass die gesamte Bajonettverbindungseinrichtung 45 durch die beiden Gehäuseteile 5, 6 von außerhalb des Gehäuses 2 her unsichtbar verdeckt ist.
Um dies zu erreichen, ist zum einen der die äußeren Verriegelungsvorsprünge 46a tragende erste Tragabschnitt 47a durchbrechungslos geschlossen ausgebildet, so dass er die von ihm umschlossenen Komponenten der Bajonettverbindungseinrichtung 45 vollständig verdeckt. Dies sind zum einen sowohl die an ihm selbst angeordneten äußeren Verriegelungsvorsprünge 46a als auch die in die nutförmigen Zwischenräume 53a des ersten Gehäuseteils 5 eingreifenden inneren Verriegelungsvorsprünge 46b. Der erste Tragabschnitt 47a bildet also eine die Bajonettverbindungseinrichtung 45 nach radial außen hin abschirmende radiale Abschirmwand. Selbige ist an ihrer radialen Außenseite bevorzugt glattflächig und insbesondere kreiszylindrisch ausgebildet.
In der Richtung zur stirnseitigen Abschlusswand 5a des ersten Gehäuseteils 5 werden die Komponenten der Bajonettverbindungseinrichtung 45 unmittelbar von der Wandung des ersten Gehäuseteils 5 abgeschirmt.
In Richtung zur stirnseitigen Abschlusswand 6a des zweiten Gehäuseteils 6 werden die Komponenten der Bajonettverbindungseinrichtung 45 durch die Wandung des zweiten Gehäuseteils 6 abgeschirmt. Dies wird dadurch erreicht, dass die beiden Gehäuseteile 5, 6 derart axial aneinander anschließen, dass zwischen ihnen lediglich eine an der radialen Außenfläche des Gehäuses 2 liegende und zu der Längsachse 3 konzentrische Fügelinie 55 sichtbar ist. Im Bereich dieser Fügelinie 55 sind die beiden Gehäuseteile 5, 6 nur minimal zueinander beabstandet oder liegen sogar direkt aneinander an.
Um diese Gestaltung zu erreichen, ist an dem zweiten Gehäuseteil 6 zweckmäßigerweise ein zu dem zweiten Tragabschnitt 47b koaxialer ringförmiger Wandabschnitt ausgebildet, der aufgrund seiner Funktion als Abdeckabschnitt 56 bezeichnet sei und der flanschartig nach radial außen vorsteht.
Der Abdeckabschnitt 56 ist mit axialem Abstand zu den am zweiten Tragabschnitt 47b angeordneten inneren Verriegelungsvorsprüngen 46b angeordnet und begrenzt mit den inneren Verriegelungsvorsprüngen 46b jeweils einen der schon erwähnten nutförmigen Zwischenräume 53b.
Der ringförmige Abdeckabschnitt 56 hat eine derartige radiale Ausdehnung, dass er vor die ringförmige erste Stirnfläche 52a des ersten Tragabschnittes 47a ragt und diese zweckmäßigerweise vollständig abdeckt. Der Abdeckabschnitt 56 liegt dabei der am ersten Tragabschnitt 47a ausgebildeten ersten Stirnfläche 52a mit einer weiteren, axial orientierten Stirnfläche 57 gegenüber.
Die oben erwähnte Fügelinie 55 bildet die an der Außenfläche 61 des Gehäuses 2 liegende Abschlusslinie einer zwischen den beiden Gehäuseteilen 5, 6 ausgebildeten Fügeebene, die von den einander zugewandten ringförmigen Stirnflächen 52a, 57 definiert wird.
Zweckmäßigerweise schließt der ringförmige Abdeckabschnitt 56 radial außen axial bündig mit der Außenfläche des sich anschließenden ersten Tragabschnittes 47a ab. Auf diese Weise wird die Bildung einer Kante vermieden.
Derart zusammengebaut, weist das Gehäuse 2 einen außen kreiszylindrisch konturierten Mittelabschnitt 62 auf, der gemeinsam von sich an der Fügelinie 55 axial aneinander anschließenden radialen Außenflächenabschnitten 63, 64 der ringförmigen Seitenwand 5b des ersten Gehäuseteils 5 und des Abdeckabschnittes 56 des zweiten Gehäuseteils 6 definiert wird.
Besonders kompakt und reinigungsfreundlich erweist sich die Gestaltung des Gehäuses 2 insbesondere dann, wenn sich an den besagten. Mittelabschnitt 62 axial beidseits je ein kegelstumpfförmig konturierter Außenflächenabschnitt 65a, 65b des Gehäuses 2 anschließt, der sich in vom jeweils anderen Gehäuseteil 6, 5 wegweisender Richtung verjüngt. Auf diese Weise kann das Gehäuse 2 insgesamt eine diskusähnliche Gestalt aufweisen.
Will man sich zur gegenseitigen axialen Verspannung der beiden Gehäuseteile 5, 6 nicht nur auf die durch die eingespannte Membran 13 hervorgerufene Vorspannung verlassen, können die Verriegelungsflanken 54a, 54b der Verriegelungsvorsprünge 46a, 46b zumindest teilweise bezogen auf die Umfangswand des zugeordneten Tragabschnittes 47a, 47b mit einer Steigung versehen sein. Das Ausführungsbeispiel kommt ohne derartige Zusatzmaßnahmen aus, indem hier die Verriegelungsflanken 54a, 54b sämtlicher Verriegelungsvorsprünge 46a, 46b ohne Steigung in einer zur Längsachse 3 des Gehäuses 2 rechtwinkeligen Ebene verlaufen.
Um zu gewährleisten, dass die beiden Gehäuseteile 5, 6 bei Herstellung der Bajonettverbindung in die korrekte relative Drehwinkellage verdreht werden, sind an den beiden ringförmigen Seitenwänden 5b, 6b zweckmäßigerweise geeignete Anschlagmittel 66 angeordnet.
Die Anschlagmittel 66 enthalten einen exemplarisch an der Seitenwand 6b des zweiten Gehäuseteils 6 angeordneten Anschlagstift 67, der in eine axiale Gewindebohrung 68 des Abdeckabschnittes 56 eingeschraubt ist. Er steht in axialer Richtung über die Stirnfläche 57 des Abdeckabschnittes 56 vor. Zweckmäßigerweise befindet er sich in einem sich in der Umfangsrichtung des zweiten Tragabschnittes 47b unmittelbar an einen der inneren Verriegelungsvorsprünge 46b anschließenden Bereich.
Weiterer Bestandteil der Anschlagmittel 66 ist eine an der Seitenwand 5b des ersten Gehäuseteils 5 angeordnete Anschlagfläche 72. Sie liegt bezogen auf die Längsachse 3 als Zentrum auf der gleichen Kreislinie wie der Anschlagstift 67. Sie befindet sich zweckmäßigerweise unmittelbar anschließend an einen der äußeren Verriegelungsvorsprünge 46a.
Wenn die beiden Gehäuseteile 5, 6 zusammengesteckt werden, taucht der Anschlagstift 67 in denjenigen äußeren Zwischenraum 48a ein, der auf einer Seite von der Anschlagfläche 72 begrenzt ist. Die beiden Gehäuseteile 5, 6 können nun so weit gegeneinander verdreht werden, bis der Anschlagstift 67 auf die Anschlagfläche 72 aufläuft. Dann ist die gewünschte relative Drehposition zwischen den beiden Gehäuseteilen 5, 6 gefunden, in der die Bajonettverbindungseinrichtung 45 korrekt wirksam ist.
Der Bajonettverbindungseinrichtung 45 sind zweckmäßigerweise auch noch Sicherungsmittel 73 zugeordnet, mit denen sich nach hergestellter Bajonettverbindung eine Rückdrehsicherung zwischen den beiden Gehäuseteilen 5, 6 verwirklichen lässt. Es kann auf diese Weise ein unbeabsichtigtes Lösen der Bajonettverbindung verhindert werden.
Exemplarisch sind die Sicherungsmittel 73 zumindest teilweise von den Anschlagmitteln 66 gebildet. Genauer gesagt fungiert der Anschlagstift 67 auch als Sicherungsstift 74, der in eine der Anschlagfläche 72 in Achsrichtung der Längsachse 3 benachbarte Verriegelungsausnehmung 75 des ersten Gehäuseteils 5 formschlüssig einführbar ist, wenn die angestrebte Drehwinkellage zwischen den beiden Gehäuseteilen 5, 6 erreicht ist. Die Verriegelungsausnehmung 75 schließt sich insbesondere in axialer Verlängerung an die Anschlagfläche 72 an.
Der Sicherungsstift 74 ist insbesondere ein Gewindestift, der in der Gewindebohrung 68 veschraubbar aufgenommen ist. Zum Verriegeln und Sichern der relativen Drehposition zwischen den beiden Gehäuseteilen 5, 6 kann er von außen her mit einem geeigneten Schraubwerkzeug verschraubt werden, so dass er in die Verriegelungsausnehmung 75 eintaucht.
Es versteht sich, dass die Sicherungsmittel 73 auch unabhängig von den Anschlagmitteln 66 ausgebildet sein können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1426452 A [0002]
US 7048342 B1 [0004]

Claims

Fluidbetätigter Membranantrieb, mit einem eine Längsachse (3) aufweisenden Gehäuse (2), das über zwei jeweils eine von zwei sich in Achsrichtung der Längsachse (3) mit Abstand gegenüberliegenden stirnseitigen Abschlusswänden (5a, 6a) bildende haubenförmige Gehäuseteile (5, 6) verfügt, die jeweils eine von einer ringförmigen Seitenwand (5b, 6b) umrahmte Öffnung (7a, 7b) aufweisen und die unter gemeinsamer Begrenzung eines Gehäuseinnenraumes (8) mit einander zugewandten Öffnungen (7a, 7b) koaxial aneinander angesetzt und im Bereich der ringförmigen Seitenwände (5b, 6b) durch eine aus sich hintergreifenden Verriegelungsvorsprüngen (46a, 46b) der Gehäuseteile (5, 6) gebildete Bajonettverbindungseinrichtung (45) aneinander befestigt sind, und mit einer Antriebseinheit (4) umfassend eine zwischen den beiden Gehäuseteilen (5, 6) fixierte und axial auslenkbare Membran (13), die antriebsmälig mit einem wenigstens eine der Abschlusswände (5a, 6a) gleitverschieblich durchsetzenden Stangenkörper (17) verbunden ist und die den Gehäuseinnenraum (8) fluiddicht in zwei axial benachbarte Arbeitskammern (15a, 15b) unterteilt, von denen wenigstens eine fluidbeaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungsvorsprünge (46a, 46b) der Bajonettverbindungseinrichtung (45) durch die beiden Gehäuseteile (5, 6) von außen her aus jedem Blickwinkel unsichtbar verdeckt sind.
Membranantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden ringförmigen Seitenwände (5b, 6b) axial ineinander eintauchen, wobei die radial außen liegende Seitenwand (5b) nach radial innen ragende äußere Verriegelungsvorsprünge (46a) und die radial innen angeordnete Seitenwand (6b) nach radial außen ragende innere Verriegelungsvorsprünge (46b) aufweist und wobei sich die äußeren und inneren Verriegelungsvorsprünge (46a, 46b) mit einander axial zugewandten Verriegelungsflanken (54a, 54b) radial überlappen.
Membranantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden ringförmigen Seitenwände (5b, 6b) unter Bildung einer an der Außenfläche (61) des Gehäuses (2) liegenden und zu der Längsachse (3) konzentrischen Fügelinie (55) aneinander angesetzt sind, wobei sich die Verriegelungsvorsprünge (46a, 46b) beider Seitenwände (5b, 6b) im Bereich der der Außenfläche (61) des Gehäuses (2) entgegengesetzten Innenseite der Fügelinie (55) befinden und von den sich an der Fügelinie (55) gegenüberliegenden Abschnitten der beiden Seitenwände (5b, 6b) nach außen hin abgedeckt sind.
Membranantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügelinie (55) von zwei sich axial gegenüberliegenden und einander zugewandten ringförmigen Stirnflächen (52a, 57) der beiden Seitenwände (5b, 6b) gebildet ist.
Membranantrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Verriegelungsvorsprünge (46a) radial innen an einem ringförmigen Tragabschnitt (47a) der einen Seitenwand (5b) angeordnet sind und die die inneren Verriegelungsvorsprünge (46b) tragende andere Seitenwand (6b) einen flanschartig ausgebildeten und radial nach außen ragenden ringförmigen Abdeckabschnitt (56) aufweist, der vor die Stirnfläche (52a) des Tragabschnittes (47a) ragt.
Membranantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Verriegelungsvorsprünge (46b) radial außen an einem ringförmigen Tragabschnitt (47b) der einen Seitenwand (6b) angeordnet sind, der koaxial in den ringförmigen Tragabschnitt (47a) der anderen Seitenwand (5b) hineinragt, wobei er von dem ringförmigen Abdeckabschnitt (56) radial nach außen hin konzentrisch überragt wird.
Membranantrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verriegelungsflanken (54a, 54b) sämtlicher Verriegelungsvorsprünge (46a, 46b) ohne Steigung in einer zur Längsachse (3) des Gehäuses (2) rechtwinkeligen Ebene erstrecken.
Membranantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an den beiden Seitenwänden (5b, 6b) den relativen Drehwinkel der Gehäuseteile (5, 6) bei der Herstellung der Bajonettverbindung begrenzende Anschlagmittel (66) angeordnet sind, die zweckmäßigerweise auch eine Rückdrehsicherung bei hergestellter Bajonettverbindung bewirken.
Membranantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlagmittel (66) einen an der einen Seitenwand (6b) angeordneten Anschlagstift (67) enthalten, der zur Drehwinkelbegrenzung mit einer an der anderen Seitenwand (5b) angeordneten Anschlagfläche (72) zusammenwirkt, wobei der Anschlagstift (67) zur absoluten Verdrehsicherung der durch die Bajonettverbindung untereinander verbundenen Gehäuseteile (5, 6) in eine Verriegelungsausnehmung (75) der die Anschlagfläche (72) aufweisenden Seitenwand (6b) einführbar ist.
Membranantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) einen außen kreiszylindrisch konturierten Mittelabschnitt (62) aufweist, an den sich axial beidseits je ein kegelstumpfförmig konturierter Außenflächenabschnitt (65a, 65b) anschließt.
Membranantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (13) zwischen den beiden Seitenwänden (5b, 6b) unter axialer Vorspannung eingespannt ist.
Membranantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass beide durch die Membran (13) voneinander getrennten Arbeitskammern (15a, 15b) fluidbeaufschlagbar sind und/oder dass in einer der Arbeitskammern (15a) eine die Membran (13) in eine Grundstellung vorspannende Rückstellfedereinrichtung (33) angeordnet ist.
Membranantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens ein bevorzugt ringförmiges Hubbegrenzungselement (36) aufweist, das in mindestens einer Arbeitskammer (15a) an der Innenfläche der zugeordneten Abschlusswand (5a) fixierbar oder fixiert ist und das den maximalen Hubweg der Membran (13) begrenzt.
Membranantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Gehäuseteile (5, 6) außen mittig an einer stirnseitigen Abschlusswand (6a) eine insbesondere von einem zur Längsachse (3) des Gehäuses (2) koaxialen Gewindeloch gebildete zentrale Befestigungsschnittstelle (35) aufweist.
Membranantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass er mit Positionserfassungsmitteln (37) zur Erfassung mindestens einer bezüglich des Gehäuses (2) eingenommenen Relativposition einer die Membran (13) und den Stangenkörper (17) umfassenden Antriebseinheit (4) ausgestattet ist.