DE19730035C2 - Membranventil - Google Patents
MembranventilInfo
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- F16K31/12—Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by fluid
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Membranventil nach
Oberbegriff von Anspruch 1.
Derartige Membranventile sind z. B. Gegenstand der DE-
OS 26 09 950 bzw. der US-PS 4,917,357 bzw. US-PS 3,405,907.
Solche Membranventile werden eingesetzt beispielsweise
in Spritzkabinen zur Steuerung des Durchflusses des Arbeits
fluids, zum Beispiel Lack mit einer Härterkomponente. Die
Membran liegt zwischen der ersten und der zweiten Seite und
dichtet diese gegeneinander ab. An der zweiten Seite, die ge
gen den Betriebsdruck, mit dem das Arbeitsfluid beaufschlagt
ist, abgedichtet ist, greift eine Steuerkraft an. Es kann
beispielsweise eine Spindel vorgesehen sein, welche die Kraft
auf das Membranventil ausübt. Das Membranventil kann auch
pneumatisch getrieben sein.
Der Ventilkörper steuert den Durchfluß des Arbeitsfluids
durch die Eintrittsöffnung. In einer Offenstellung des Ven
tilkörpers fließt das Arbeitsfluid über die Eintrittsöffnung
in den sich anschließenden Ringspaltraum, daraufhin in den
Ringsammelraum. Aus dem Ringsammelraum fließt das Arbeits
fluid dann über die Austrittsöffnung ab. Die Austrittsöffnung
ist dem Ringsammelraum nachgeordnet. Das Arbeitsfluid muß
demnach zuvor zumindest teilweise den Ring passieren und ge
langt dann an die Austrittsöffnung.
Ein solches Membranventil hat den Nachteil, daß während
des Betriebes Mengen des Arbeitsfluids so lange innerhalb des
Ventiles verbleiben, daß diese vercracken können. Dies hat
eine teilweise Verengung oder sogar die vollständige Verstop
fung von Teilen des Förderweges des Arbeitsfluids zur Folge.
Wenn Teile von vercracktem Arbeitsfluid sich lösen und dann
gefördert werden, können - beispielsweise bei einer Lackier
vorrichtung - Teile der Anlage verstopfen und dadurch un
brauchbar werden. Weiterhin hat dies zur Folge, daß ein
etwaiger Sprühstrahl dadurch Inhomogenitäten aufgeprägt be
kommt. Schließlich wird vercracktes Material auf die zu lac
kierenden Oberflächen aufgebracht und diese dadurch unregel
mäßig bearbeitet. Besonders problematisch ist die Vercrackung
innerhalb des Membranventils, falls dieses nacheinander zur
Steuerung des Durchflusses unterschiedlicher Arbeitsfluide
verwendet wird. Die verklumpten und festgesetzten Anteile des
zuerst verwendeten Arbeitsfluids werden dann mit den darauf
folgend verwendeten Arbeitsfluid vermischt. Dies resultiert
in unterschiedlichen Farbanteilen bei der Lackierung. Eine
solche Lackierung ist grundsätzlich unbrauchbar und bedeutet
einen hohen Ausschußanteil.
Auch bei nicht stattfindender Vercrackung bedeutet das
Verbleiben von Mengen des Arbeitsfluids im Membranventil
einen großen Nachteil: Bei einem Wechsel des Arbeitsfluids,
wie oben erwähnt, vermischen sich nämlich diese verbleibenden
Mengen des erstmalig verwendeten Arbeitsfluids mit dem später
verwendeten und führen zu den oben genannten Schäden. Um die
verbleibenden Mengen zu entfernen, muß also stets ein ent
sprechend lange andauernder Spülungsvorgang zwischengeschal
tet werden. Bei einem konventionellen Membranventil ist je
doch selbst nach lange andauerndem Spülvorgang niemals si
chergestellt, daß das Arbeitsfluid vollständig aus dem Mem
branventil entfernt ist, da es vercrackt sein und sich an den
Wänden abgelagert haben kann. Das Spülfluid geht stets den
Weg des geringsten Widerstands. Folglich werden die ver
crackten Partien nicht oder nur unvollständig gespült.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Membranventil der eingangs genannten Art so auszubilden, daß
es im kontinuierlichen Betrieb praktisch allerorts von dem
Arbeitsfluid durchströmt ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des ersten
Patentanspruchs.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die zu
lange Verweildauer des Arbeitsfluids in herkömmlichen Mem
branventilen durch die Ausbildung von zu schwach durchström
ten Zonen oder gar von Totzonen ohne nennenswerte Strömung
bedingt ist. Die im wesentlichen symmetrische Ausbildung von
Ringspaltraum und Ringsammelraum hat nämlich im Zusammenwir
ken mit der meist asymmetrisch auf einer Seite des Ringes an
geordneten Austrittsöffnung ein stark ungleichmäßiges Strö
mungsprofil entlang des Umfangs des Ringsammelraums zur Fol
ge. Das Arbeitsfluid fließt nämlich entlang der Wege mit dem
geringsten Strömungswiderstand ab. Bei einheitlichem Quer
schnitt des Ringsammelraums und damit gleichem Strömungswi
derstand der Umfangsabschnitte fließt es bevorzugt über den
kürzesten Weg von der Einlaßöffnug zur Austrittsöffnung.
Der Strömungswiderstand ist sowohl in der Umfangsrich
tung des Ringspaltraumes als auch des Ringsammelraums bei
herkömmlichen Membranventilen gleichförmig. Das Arbeitsfluid
strömt dann hauptsächlich über den der Austrittsöffnung am
nächsten gelegenen Durchbruch vom Ringspaltraum in den Ring
sammelraum und von dort über den Weg des gerinsten Widerstan
des direkt in die Austrittsöffnung. Ein Durchbruch, welcher
in Umfangsrichtung weiter von der Austrittsöffnung entfernt
liegt, ist vom Strömungsverlauf weniger begünstigt. Daher
fließt über einen solchen Durchbruch weniger des Arbeits
fluids oder gar kein Arbeitsfluid ab. Dies bedingt notwendi
gerweise eine Verlangsamung beziehungsweise einen Stillstand
der Strömung des Arbeitsfluids in den Bereichen des Ring
spaltraums und des Ringsammelraums, die in Umfangsrichtung
weiter entfernt von der Austrittsöffnung angeordnet sind.
Durch die Erweiterung des Querschnittes des Ringsammel
raums von einem der Durchbrüche in Richtung zur Austrittsöff
nung wird eine in diese Richtung verlaufende Abnahme des
Strömungswiderstandes erzielt. Ein solcher Ringspaltraum be
günstigt daher die Strömung des Arbeitsfluids von weiter von
der Austrittsöffnung entfernt liegenden Durchbrüchen zur Aus
trittsöffnung hin. Der Anteil des an den Wandungen haftenden
Fluidums bei geringerem Querschnitt ist größer als bei größe
rem Querschnitt des Ringspaltraums. Dieser Effekt kann da
durch unterstützt werden, daß die umfangsmäßig nahe an der
Austrittsöffnung liegenden Bereiche einen geringeren Strö
mungswiderstand aufweisen, z. B. aus demselben Material wie
der Rest des Ringsammelraums bestehen mit demgegenüber glat
teren Wänden. Der Effekt wird zumindest in der Richtung er
zielt, in der sich der Querschnitt des Ringsammelraums erwei
tert. Auf diese Weise wird eine Strömung auch von entfernte
ren Durchbrüchen hin zur Austrittsöffnung erzwungen. Diese
erzwungene Strömung führt dazu, daß in jedem Fall das Ar
beitsfluid in allen Umfangsabschnitten des Ringsammelraumes
fließt. Es vermeidet die Bildung von Totzonen und von Zonen,
in denen das Fluid sehr langsam fließt.
Um in dem den Durchbrüchen vorgeschalteten Ringspaltraum
die Bildung von Totzonen oder gering bewegten Zonen zurückzu
drängen, können insbesondere mehr als zwei Durchbrüche vom
Ringspaltraum in den Ringsammelraum vorgesehen sein. Dadurch
wird das Arbeitsfluid an drei oder mehr Stellen aus dem Ring
spaltraum abgezogen. Gleichzeitig wird der Zwischenraum zwi
schen zwei benachbarten Durchbrüchen dadurch verringert. Ins
gesamt strömt das Arbeitsfluid dann schneller und gleichmäßi
ger aus dem Ringspaltraum ab. In diesem Fall jedoch entsteht
in dem Ringsammelraum bei einem herkömmlichen Membranventil
ein Stau des Arbeitsfluids. Dieser wird dadurch verursacht,
daß bei über den gesamten Umfang gleichmäßigem Querschnitt
des Ringsammelraumes das Arbeitsfluid sich ausgehend von dem
von der Austrittsöffnung am weitesten entfernten Durchbruch
bis hin zu der Austrittsöffnung ansammelt. Im kontinuierli
chen Betrieb ist jedoch der Ringsammelraum an jeder Stelle
mit dem Arbeitsfluid ausgefüllt. Bei mehr als zwei Durchbrü
chen kann zudem beispielsweise ein Durchbruch zwischen dem am
weitesten von der Austrittsöffnung entfernten Durchbruch und
der Austrittsöffnung liegen. Bei gleichmäßiger Strömung in
Umfangsrichtung müßte folglich das sich bereits in dem Ring
sammelraum befindliche Medium komprimiert werden, damit durch
diesen Durchbruch noch zusätzlich in den bereits gefüllten
Ringsammelraum Arbeitsfluid hinzufließen kann. Dies wirkt
einer Strömung, die den gesamten Ringsammelraum gleichförmig
ausfüllt, entgegen. Wie oben dargelegt ist nämlich eine
gleichmäßige Strömung durch einen Ringsammelraum mit mehr als
zwei Durchbrüchen schon nach dem Prinzip der Erhaltung der
Masse jedenfalls dann ausgeschlossen, wenn keine Kompression
stattfindet. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen,
daß bereits eine Flüssigkeit wie Wasser praktisch inkompres
sibel ist. In einem herkömmlichen Membranventil wird daher
bei mehr als drei Durchbrüchen praktisch niemals eine gleich
mäßige Strömung herzustellen sein, die den gesamten Ringsam
melraum erfaßt.
Dieses Problem wird durch die Erfindung gelöst. Durch
die Erweiterung des Querschnittes des Ringsammelraums wird
der Zustrom über alle Durchbrüche gleichzeitig und mit prak
tisch vergleichbarer Durchflußrate durch jeden Durchbruch ge
währleistet. Der Ansammlung der durch die Durchbrüche zuge
führten Masse wird durch die Erweiterung des Querschnittes
Rechnung getragen.
In einem so ausgebildeten Membranventil bildet sich eine
Strömung aus, die im wesentlichen den gesamten Ringspaltraum
und den gesamten Ringsammelraum erfüllt. Die Strömung ist
auch nicht lokal so langsam, daß etwa ein organisches Ar
beitsfluid aufgrund zu langer Verweildauern vercrackt. Dies
gilt jedenfalls für in Spritzkabinen für Lackieranwendungen
übliche Betriebsbedingungen, das heißt übliche Temperaturen,
Drücke etc.. Durch die günstigen Strömungsverhältnisse wird
der gesamte Arbeitsraum des Membranventils für das Arbeits
fluid erfaßt und durchspült. Bei einem Wechsel des Arbeits
fluids wird das vorherige Arbeitsfluid daher in kurzer Zeit
vollständig aus dem Arbeitsraum des Membranventils entfernt.
Dabei bleiben die günstigen Eigenschaften des Membranventils,
wie beispielsweise die gute Dichtigkeit sowie Verzicht auf
sämtliche mechanischen Durchführungen zur Steuerung des Ven
tils, die druckdicht sein müßten, erhalten.
Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung
werden durch die Unteransprüche beschrieben.
Die oben beschriebenen Effekte werden dadurch optimiert,
daß der Größtquerschnitt im Bereich der Austrittsöffnung
eingenommen wird. Der Größtquerschnitt wird dabei in dem Um
fangsbereich des Ringsammelraums angenommen, welcher der
Austrittsöffnung in Flußrichtung des Arbeitsfluids gesehen
am nächsten liegt. Dann nimmt nämlich der Strömungswiderstand
in beiden Umfangsrichtungen zur Austrittsöffnung hin ab. Des
gleichen nimmt in beiden genannten Richtungen das Volumen des
Ringsammelraums zu. Daher wird der gesamte Umfang des Ring
sammelraums zur Erzielung der erwünschten Effekte ausgenutzt.
Es entsteht ein insgesamt geringerer Strömungswiderstand
der Austrittsöffnung, wenn die Austrittsöffnung den Ringsam
melraum mit größtmöglicher Durchdringungskurve im Bereich des
Größtquerschnittes schneidet. Diese Ausbildung der Austritts
öffnung begünstigt die gleichmäßige Entnahme des Arbeits
fluids über die Austrittsöffnung. Hierdurch wird insbesondere
die Ausbildung von Tot- und Wirbelzonen, bedingt durch in das
Strömungsprofil hineinragende Kanten, verhindert. Die Zahl
solcher Kanten beziehungsweise Hindernisse, die in die Strö
mung hineinragen wird durch obige Anordnung minimiert.
Eine definierte Strömung wird dadurch erzeugt, daß der
Ringsammelraum bezüglich einer Symmetrieachse zwischen einem
der Durchbrüche und der Austrittsöffnung symmetrisch ist. Der
Ringsammelraum kann beispielsweise die Form eines sich quer
schnittsmäßig in Umfangsrichtung erweiternden Torus oder
eines solchen, halbierten Torus aufweisen. Ein solcher wird
im wesentlichen durch Rotation eines sich entsprechend erwei
ternden Voll- bzw. Halbkreises um die Torusachse gebildet.
Wenn der Durchbruch und die Austrittsöffnung sich um 180 Grad
um die Torusachse gedreht gegenüber liegen, kann bei entspre
chendem Verlauf der Querschnittserweiterung zumindest die
Spiegelsymmetrie des Ringsammelraums bezüglich der Symmetrie
achse zwischen dem Durchbruch und der Austrittsöffnung ver
bleiben. Durch eine solche Symmetriebedingung werden die
Strömungsverhältnisse stark vereinfacht und damit leichter
vorhersagbar. Der Ringsammelraum ist dann auf einfache Weise
zu dimensionieren. Beispielsweise ist bei der Konfiguration,
bei der ein Durchbruch der Austrittsöffnung gegenüber liegt
(siehe oben) sofort ersichtlich, daß ein Ringsammelraum, der
sich von diesem Durchbruch ausgehend in Umfangsrichtung in
Richtung zur Austrittsöffnung querschnittsmäßig erweitert,
den gewünschten Strömungswiderstand aufweist. Dieser fällt in
derselben Richtung ab. Wäre keine derartige Symmetrieeigen
schaft vorhanden, so müßten zur Einschätzung des Strömungswi
derstandes quantitative Berechnungen angestellt werden unter
genauer Kenntnis aller Systemgrößen, wie beispielsweise Rei
bungswiderstand, Geometrie des Ringspaltraums, des Durch
bruchs und der Austrittsöffnung, Viskosität des Arbeitsfluids
und so weiter. Die symmetrische Anordnung von Durchbruch und
Austrittsöffnung ermöglicht daher auf einfachste Weise die
Vorhersage und Vorausbestimmung des Strömungsprofils. Dadurch
wird die Konstruktion eines solchen Membranventils erheblich
vereinfacht.
Die Symmetrieachse verbindet einen der Durchbrüche mit
der Austrittsöffnung. Es ist dann stets ein Durchbruch vor
handen, welcher der Austrittsöffnung gegenüberliegt. Dadurch
wird sichergestellt, daß am umfangsmäßig am weitesten von der
Austrittsöffnung entfernten Punkt stets Arbeitsfluid zuge
führt wird. An diesem Punkt zugeführtes Arbeitsfluid hat bis
zur Austrittsöffnung den weitesten Weg zurückzulegen. Demnach
ist in diesem Bereich auch die Gefahr einer zu geringen Strö
mung oder der Ausbildung einer Totzone besonders hoch. Liegt
in diesem Bereich kein Durchbruch, so ist die Ausbildung sol
cher Zonen dort besonders begünstigt.
Es ist bevorzugt, daß eine gerade Anzahl von Durchbrü
chen vorhanden ist. Wenn der Ringsammelraum symmetrisch ist
(wie oben beschrieben) wird dadurch die Ausbildung von vor
herbestimmbaren Strömungen bewirkt. Dies gilt für den Fall,
daß im Bereich der Austrittsöffnung auch ein Durchbruch vor
gesehen ist. Dann liegen sich zwei Durchbrüche gegenüber. Ein
weiterer Durchbruch würde zu einer Asymmetrie der Anordnung
führen. Auch wenn kein der Austrittsöffnung gegenüberliegen
der Durchbruch vorhanden ist, führt dies unweigerlich zur
Ausbildung von Totzonen oder von Zonen geringster Strömung,
nämlich beispielsweise in dem direkt der Austrittsöffnung ge
genüberliegenden Umfangsabschnitt des Ringsammelraums.
Bei der oben beschriebenen symmetrischen Ausgestaltung
des Ringsammelraums wird vorgeschlagen, daß der Umfangsab
schnitt des Ringsammelraums mit dem größten und der Umfangs
abschnitt mit dem kleinsten Querschnitt sich bezüglich der
Symmetrieachse diametral gegenüberliegen. Um dabei eine wohl
definierte Strömung zu erzeugen, wird vorgeschlagen, daß aus
gehend von dem Umfangsabschnitt mit dem kleinsten Querschnitt
sich der Ringsammelraum in beiden Umfangsrichtungen bis zu
dem Umfangsabschnitt des Ringsammelraums mit dem größten
Querschnitt gleichmäßig und/oder symmetrisch erweitert. Durch
oben bezeichnete Ausgestaltungen wird eine gleichmäßige und
eine den gesamten Ringsammelraum erfüllende Strömung gewähr
leistet; dies besonders dann, wenn der Umfangsabschnitt mit
dem größten Querschnitt im Bereich der Austrittsöffnung liegt
(siehe oben).
Es wird vorgeschlagen, daß der Ringsammelraum einen aus
gerundeten Querschnitt aufweist. Dabei ist besonders bevor
zugt, daß der Ringsammelraum in Umfangsrichtung keinerlei
Sprünge im Verlauf seiner Wandung aufweist. Dadurch wird eine
hohe Stabilität der erzeugten Strömung auch bei hohen Durch
satzraten erzeugt, da keinerlei Turbulenzen oder anderweitige
Störungen des Strömungsverlaufs auftreten. Bekanntermaßen
sind die Beiträge von turbulenten Strömungsbereichen zum ge
samten Strömungswiderstand extrem hoch. Durch eine wie oben
geschilderte Ausgestaltung wird die Strömung über einen mög
lichst großen Parameterbereich laminar gehalten. Dadurch ist
die Strömung einfach vorhersagbar und weist einen geringeren
Strömungswiderstand auf. Durch solche Ausgestaltung wird die
Reynolds-Zahl, welche ein Maß für den Stabilitätsbereich der
Strömung ist, erhöht. Es entfallen insbesondere überflüssige
Fließstrecken des Arbeitsfluids, welche die erwünschten Ef
fekte verwässern oder ausschalten könnten. Es entstehen keine
Unregelmäßigkeiten des Ringsammelraums, die bei der Formge
bung eines erfindungsgemäßen Ringsammelraumes berücksichtigt
werden müßten. Dies ermöglicht die vorzugsweise einfache Geo
metrie eines sich umfangsmäßig erweiternden Ringsammelraums
bei optimaler Funktionalität.
Es ist vorteilhaft, wenn der Ringsammelraum einen ausge
rundeten Querschnitt aufweist. Dies verringert nämlich den
Gesamtströmungswiderstand des Ringsammelraums, da ein ausge
rundeter Querschnitt einen kleineren Bereich hat, in welchem
das Arbeitsfluid an der Wandung haftet. In Ecken im Quer
schnitt bildet sich nämlich ein besonders tief in das Strö
mungsprofil hineinragender Haftungsbereich aus. Desweiteren
hat ein ausgerundeter Querschnitt - beispielsweise ein kreis
förmiger Querschnitt - im allgemeinen gegenüber einem eckigen
Querschnitt - beispielsweise einem Quadrat - bei gleichgro
ßer, durchströmter Fläche einen geringeren Umfang und damit
ein solcher Ringsammelraum geringeren Wandungsanteil, an dem
die Strömung haftet. Damit ist der Druckabfall im Ringsammel
raum gering, so daß ein großer Restdruck nach Passage des
Ringsammelraums vorhanden ist. Dann kann ein Teil dieses
Restdrucks für die Abschnitte mit geringem Querschnitt ge
nutzt werden. Die relative Querschnittserweiterung kann dann
bei ausreichendem Austrittsdruck größer bemessen sein. Da
durch werden die erfindungsgemäßen Effekte verstärkt.
Es wird vorgeschlagen, daß der Ringsammelraum erodiert
ist. Der Ringsammelraum kann beispielsweise elektroerodiert
sein. Er kann auch dadurch hergestellt werden, daß ein Ring
sammelraum gleichmäßigen Querschnitts erosiv erweitert wird.
Erosionstechniken lassen eine besonders genaue Formgebung des
Ringsammelraums zu. Sie sind besonders gut zur Erosion von
vergleichsweise unregelmäßigen Geometrien. Daher können auch
die Geometrien gemäß der Erfindung einfach verwirklicht wer
den. Darüber hinaus werden bei der Erosion die obersten
Schichten der Wandungen des Ringsammelraumes kaum oder gar
nicht beschädigt. Dies bedingt einen geringeren Verschleiß
des Membranventils, so daß dieses in Kombination mit dem Er
findungsgedanken eine hohe Lebensdauer hat.
Eine gleichmäßige Strömung wird dadurch gefördert, daß
die Durchbrüche an tiefster Stelle des Ringsammelraums ange
ordnet sind. Die Durchbrüche sind dann in Querschnittsberei
chen des Ringsammelraums angeordnet, die dem Querschnittsbe
reich, an welchem die Austrittsöffnung angeordnet ist, gegen
überliegen. Dadurch wird eine Strömung direkt von den Durch
brüchen entlang des Querschnittes zu der Austrittsöffnung un
terstützt. Eventuelle Reflektionen von einströmendem Arbeits
fluid entfallen. Diese treten nämlich nur dann auf, wenn die
Durchbrüche beispielsweise im selben Quadranten des Quer
schnitts liegen wie die Austrittsöffnung. Das Arbeitsfluid
tritt dann mit einer Strömungskomponente in den Ringsammel
raum ein, die entgegengesetzt zur Ausströmrichtung durch die
Austrittsöffnung liegt. In Kombination mit einem sich quer
schnittsmäßig erweiternden Ringsammelraum hat das den Vor
teil, daß die gleichmäßige Strömung stets erhalten bleibt.
Bevorzugt wird vorgeschlagen, daß mehrere Durchbrüche in
Umfangsrichtung aufeinanderfolgen. Dies ist insbesondere im
Hinblick auf den dem Ringsammelraum vorgeschalteten Ring
spaltraum wesentlich. Da das Arbeitsfluid aus dem Ringspalt
raum über die Durchbrüche in den Ringsammelraum gelangt, wird
durch die Anordnung mehrerer Durchbrüche in Umfangsrichtung
des Ringsammelraums ein gleichmäßiges Abfließen des Arbeits
fluids aus dem Ringspaltraum erreicht. Andernfalls würden im
Bereich des Ringspaltraums Totzonen begünstigt. Solche Totzo
nen im Ringspaltraum führen ebenfalls zu der Vercrackung von
beispielsweise organischem Arbeitsfluid und zu einer unvoll
ständigen Durchspülung des Arbeitsraumes des Membranventils.
Wenn mehrere Durchbrüche vorhanden sind, kann insgesamt das
Membranventil mit einer höheren Durchflußrate des Arbeits
fluids betrieben werden. Dazu ist das Volumen des Ringsammel
raumes entsprechend groß. Zudem weist die Austrittsöffnung
einen vorzugsweise größeren Durchmesser beziehungsweise eine
größere Durchströmfläche auf als die Summe der Durchströmflä
chen aller Durchbrüche. Dann resultiert für ein Membranventil
der vorgeschlagenen Art eine gleichmäßige Strömung in dem
Ringsammelraum.
Die Durchbrüche weisen vorzugsweise gleiche Winkelab
stände bezüglich eines Zentrums des Ringsammelraums auf. Da
durch wird ein wohldefiniertes Abfließen des Arbeitsfluids
erzielt. Die Durchbrüche können auch unterschiedliche Winkel
abstände aufweisen. Wesentlich ist jedoch, daß die Anordnung
der Durchbrüche und der Austrittsöffnung mit der Symmetrie
des Ringsammelraums korreliert ist. Bevorzugt sind die Durch
brüche derart angeordnet, daß sich zusammen mit der Quer
schnittserweiterung eine raumerfüllende Durchströmung des
Ringsammelraums ausbildet. Hierzu gibt es eine Vielzahl von
Möglichkeiten, auf die später noch näher eingegangen wird.
Ein metallischer oder keramischer Ventilkörper hat eine
vergleichsweise hohe Festigkeit. Er ist daher besonders gut
geeignet zur Daueranwendung bei hohen Drücken. Dabei sind ho
he Anpreßkräfte des Ventilkörpers gegen den Ventilsitz erfor
derlich. Der Ventilkörper darf sich hierbei nicht wesentlich
plastisch verformen. Hierfür ist die besonders hohe Fließ
grenze bei metallischen oder keramischen Ventilkörpern vor
teilhaft, besonders im Hinblick auf die vergleichsweise lange
Lebensdauer eines erfindungsgemäßen Membranventils. Ein sol
ches Membranventil kann auch dauerhaft zusammen mit chemisch
aggressiven Arbeitsfluiden verwendet werden. Hiermit sind we
niger Säuren als vielmehr organische Lösungsmittel gemeint,
welche in Farben und Lacken zum Einsatz kommen. Hiergegen
weisen metallische oder keramische Ventilkörper eine beson
ders hohe Stabilität auf. Diese werden von organischen Lö
sungsmitteln chemisch praktisch nicht angegriffen.
Bevorzugt ist das Membranventil als Sitzventil ausgebildet.
Der Ventilkörper kann dabei als Kugel, als Kegelmantel, na
delförmig oder plattenförmig mit korrespondierendem Ventil
sitz ausgebildet sein. Ein Sitzventil erlaubt im allgemeinen
eine genauere, kontinuierliche Einstellung des Durchflusses.
Außerdem wird ein Sitzventil in seinem Sitz gehalten, was im
Hinblick auf Hochdruckanwendungen, insbesondere Anwendungen
bis 150 bar, von Bedeutung ist. Es entfallen dadurch Ver
schiebungen des Ventilkörpers aus der Sollposition. Der Ven
tilkörper eines Sitzventils ist mit einer verhältnismäßig
kleinen Angriffsfläche für den hydrostatischen Druck auszu
bilden. Dies bedingt eine hohe Lebensdauer eines erfindungs
gemäßen Membranventils. Ein Sitzventil erzeugt eine gleichmä
ßigere und symmetrische Öffnung, sodaß die gleichmäßige
Durchströmung des Ringsammelraums unterstützt wird.
Um das Membranventil zu steuern, wird vorgeschlagen, daß
das Membranventil von der zweiten Seite mit einem Steuerfluid
druckbeaufschlagt ist, welches die Steuerkraft ausübt. Das
Membranventil kann auf seiner zweiten Seite einen Druckraum
aufweisen, in welchem der benötigte hydrostatische Druck er
zeugt wird. Dann ist die Steuerkraft abhängig von dem hydro
statischen Druck und von der von dem Druck beaufschlagten zu
der Steuerkraft senkrechten Flächenkomponente der zweiten
Seite des Membranventils. Damit nicht im direkt an die erste
Seite, die mit dem Arbeitsfluid beaufschlagt ist, angrenzen
den Druckraum an der zweiten Seite des Membranventils ein Ge
gendruck aufgebaut werden muß, kann die zweite Seite auch in
direkt mit einer Druckkraft, die aus einem hydrostatischen
Druck resultiert, beaufschlagt werden. Hierzu kann ein zwei
ter Druckraum vorgesehen sein, der über eine mechanische
Durchführung die zweite Seite des Membranventils mit seiner
Kraft beaufschlagt. Dazu kann in diesem zweiten Druckraum ein
Stempel mit der Druckkraft beaufschlagt sein. Dieser Stempel
arbeitet dann lediglich gegen den Druck in dem ersten Druck
raum, der von der zweiten Seite des Membranventils durch die
Membran getrennt ist.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, daß das
Membranventil einen an der zweiten Seite angreifenden Antrieb
aufweist. Der Antrieb kann beispielsweise aus einer Spindel
bestehen, die an der zweiten Seite des Membranventils an
greift. Dann ist keine weitere Dichtung erforderlich, da
durch die Membran bereits eine ausreichende Abdichtung gege
ben ist. Es kann aber auch direkt eine von einem Motor er
zeugte Kraft an der zweiten Seite des Membranventils angrei
fen.
Die Erfindung wird anhand von in den Zeichnungen darge
stellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Lackierroboter in einer Spritzkabine mit di
versen Zuführeinrichtungen als möglichen Anwen
dungsfall der Erfindung,
Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Membranventil geschnitten,
Fig. 3 ein Zwei-Wege-Ventil geschnitten,
Fig. 4 ein Membranventil mit einem Stempel zur Übertra
gung der Steuerkraft eines Motors,
Fig. 5a eine Draufsicht auf einen Einsatzring mit dem
Ringsammelraum,
Fig. 5b eine Draufsicht auf denselben Einsatzring von der
gegenüberliegenden Seite gesehen,
Fig. 6 Ringsammelräume gemäß der vorliegenden Erfindung
mit unterschiedlichen Geometrien.
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren stets
dieselben konstruktiven Merkmale.
Fig. 1 zeigt eine Spritzkabine 101 mit einem Roboter 102
als möglichen Anwendungsfall für die vorliegende Erfindung.
Der Roboter 102 besteht aus einem Roboterarm 103 aus zwei
Segmenten 103.1, 103.2. Das erste Segment 103.1 ist über ein
Fußteil 104 fest mit dem Boden der Spritzkabine 101 veran
kert. Das Fußteil 104 ermöglicht die Drehung des gesamten Ro
boterarms 103 in die Drehrichtungen 105. Am 1. Segment 103.1
ist das 2. Segment 103.2 über das Drehgelenk 107 beweglich
angekoppelt. Ein Sprühkopf 138, der im Betrieb einen Sprüh
strahl 137 erzeugt, sitzt an dem freien Ende des 2. Segments
103.2. Der Roboterarm hat die Drehgelenke 106, 107, eine Dreh-
Schwenklagerung 108 für den Sprühkopf 138 sowie eine Dreh
plattform zwischen Fußteil 104 und einem Gelenkflansch, so
daß dieser insgesamt um 5 Achsen drehbar ist.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel hat der Roboter 102
drei Zuleitungen 111, 112, 113, davon eine Zuleitung 111 für
VE(vollentsalztes)-Wasser, eine Zuleitung 112 für Härter und
eine Zuleitung 113 für Farbe. Diese Zuleitung 113 wird von
einem Farbwechsler 130 mit Pneumatikzylindern 131 zur Steue
rung des Zuflusses gespeist. Der Farbwechsler 130 befindet
sich im Inneren der Spritzkabine 101. Die einzelnen Pneuma
tikzylinder 131 des Farbwechslers 130 werden über eine
Schottplatte 129 mit Farbleitungen 115, 117, 119, 121, 123 beauf
schlagt. Beispielhaft sind hier alternativ verschiedene Zu
führeinrichtungen für die Farbe gezeigt: Die Farbleitungen
115, 117, 119, 121, 123 werden von einer 1. Dosieranlage 114,
einer 2. Dosieranlage 116, einem Materialdruckgefäß 118,
einer Pumpe 120 sowie von einem Farbversorgungslager über
eine Ringleitung 122 und über ein federbelastetes Ventil 124
gespeist. Die Ringleitung 122 dient der Rückführung nicht be
nötigter Farbmengen in das Farbversorgungslager. Zu Reini
gungszwecken ist zusätzlich eine Reinigungsmittelleitung 126
sowie eine Druckluftleitung 128 vorhanden, die mit einem Rei
nigungsmitteltank 125 bzw. mit einer Druckluftquelle 127 ver
bunden ist. Der Farbwechsler 130 verbindet alternativ jede
einzelne der Zuführeinrichtungen mit der Zuleitung 113, wel
che das jeweilige Medium (z. B. die Farbe) einem Schlauchan
schlußteil 110 zuführt.
Das Schlauchanschlußteil 110 ist außen an dem 2. Segment
103.2 des Roboterarms 103 befestigt. Es besteht aus einem
Rückenteil 140, in welches die Zuleitungen 111, 112, 113 mün
den, und aus einem Kopfteil 141. An diesem ist der Schlauch
144 an dem Schlauchanschlußteil 110 angeschlossen. In dem
gezeigten Beispiel ist lediglich ein Schlauch 144 vorhanden.
Es können auch mehrere Schläuche 144 vorgesehen sein. Hierauf
wird unten noch ausführlicher eingegangen. Der Schlauch 144
ist durch ein Durchgangsloch 142 in das Innere des 2. Segmen
tes 103.2 bis zu dem Sprühkopf 138 geführt.
Ein erfindungsgemäßes Membranventil 1 ist der ersten Do
siereinrichtung 114 nachgeschaltet angeordnet. Es dient zur
Steuerung des Durchflusses eines aus der Dosieranlage 114
strömenden Arbeitsfluids 4.
In der Teilansicht der Fig. 2 ist ein Ventilgehäuse 31
geschnitten gezeigt, welches das Membranventil 1 aufnimmt.
Eine Abdeckplatte 32, die mit Schrauben 35 an dem Gehäuse 31
befestigt ist, deckt das Membranventil 1 ab. Es hat eine Mem
bran 26, einen Haltekörper, einen Ventilkörper 6 und einen
Einsetzring 49. Die äußeren Ringabschnitte der Membran 26
sind zwischen einem Einsetzring 49 und der Abdeckplatte 32
eingeklemmt. Dadurch wird die Abdichtung des Membranventils 1
erzielt. Das Membranmaterial ist vorzugsweise ein weichela
stisches Material, beispielsweise Viton, welches eine gute
Abdichtung gewährleistet. Über eine Zuleitung 36 in Form
eines zylindrisch aus dem Ventilgehäuse 31 herausgearbeiteten
Kanals wird das Arbeitsfluid 4 dem Membranventil 1 zugeführt.
Das Membranventil 1 ist von einer ersten Seite 2 mit
einem Arbeitsfluid 4 und mit einer an einer zweiten Seite 3
angreifenden Steuerkraft 5 beaufschlagt. Es hat einen Ventil
körper 6, im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Kugel. Diese
Kugel verschließt in der gezeigten Stellung eine ventilge
steuerte Eintrittsöffnung 7 für das Arbeitsfluid 4. Das Mem
branventil 1 setzt sich zusammen aus einem Haltekörper, der
aus der ersten Halteplatte 24 und zweiten Halteplatte 25 be
steht. Diese beiden Halteplatten 24, 25 schließen zwischen
sich die Membran 26 ein, wobei sie diese festklemmen, um die
Dichtwirkung zu erzielen. Die Halteplatten 24, 25 sind mittels
Gewindestange 27 verbunden, die in das Innengewinde der Hal
teplatten 24, 25 eingeschraubt ist. Das der zweiten Seite 3
des Membranventils 1 zugewandte Ende der Gewindestange 27 ist
abgetrennt, so daß auf dieser Seite 3 die Gewindestange 27
bündig mit der zweiten Halteplatte 25 abschließt. Aus dem Ma
terial der eingeschraubten Gewindestange 27 und der ersten
Halteplatte 24 ist auf der ersten Seite 2 des Membranventils
1 eine Ausnehmung herausgearbeitet, in der der Ventilkörper 6
sitzt. Der Ventilkörper 6 kann in dieser Ausnehmung bei
spielsweise mit einem chemisch stabilen Kleber festgeklebt
sein. Die Klebung ist dichtend ausgeführt. Durch die Klebung
und das Herausarbeiten der Ausnehmung sitzt die Gewindestange
7 in dem Haltekörper aus erster und zweiter Halteplatte 24, 25
fest und hält diese untrennbar zusammen.
An die Eintrittsöffnung 7 schließt sich ein Ringspalt
raum 8 an, in welchen das Arbeitsfluid 4 in der Offenstellung
des Membranventils 1, das heißt, wenn der Ventilkörper 6 die
Eintrittsöffnung 7 freigibt, einströmt. Der Ringspaltraum 8
entsteht zwischen einem kegelmantelförmigen Ringabschnitt der
ersten Halteplatte 24 und einem korrespondierendem Ringab
schnitt des Einsetzrings 49. Er hat eine ausreichende Spalt
breite, so daß das Arbeitsfluid 4 praktisch ungehindert durch
den Ringspaltraum 8 fließen kann. Der Einsetzring 49 sitzt in
dem Ventilgehäuse 31. Die Membran 26 wird durch die Abdeck
platte 32 gegen den Einsetzring 49 gepreßt. Der Innenbereich
des Einsetzrings 49 ist mittels eines Dichtringes 28, der
zwischen dem Ventilgehäuse 31 und einer Fase 45 (s. Fig. 5a)
am Außenumfang des Einsetzringes 49 sitzt, gegenüber dem Ven
tilgehäuse 31 abgedichtet.
Der Ringspaltraum 8 hat Durchbrüche 9.1 bis 9.4 in einen
Ringsammelraum 10. Das Arbeitsfluid 4 fließt über die Durch
brüche 9.1 bis 9.4, von denen hier nur 9.1 und 9.3 zu sehen
sind, in den Ringsammelraum 10. Dieser wird durch das Ventil
gehäuse 31 und eine entsprechende ringförmige Ausnehmung des
Einsetzrings 49 begrenzt. Der Ringsammelraum 10 erweitert
sich von einem Kleinstquerschnitt 14 ausgehend in beiden Um
fangsrichtungen 12 bis zum Größtquerschnitt 13. Zur Verdeut
lichung dieses Sachverhaltes ist die Einhüllende 23 der der
Austrittsöffnung 11 im Einbaufall abgewandten Seite des Ring
sammelraums gezeigt. Der Größtquerschnitt 13 des Ringsammel
raums 10 wird im Bereich einer Austrittsöffnung 11 eingenom
men. Dadurch wird eine gleichmäßige Strömung des Arbeits
fluids 4 durch das Membranventil 1 ohne Totzonen gefördert.
Auf die nähere Ausgestaltung des Ringsammelraums 10 wird spä
ter noch ausführlicher eingegangen.
Der Ringsammelraum 10 kommuniziert mit der Austrittsöff
nung 11 für das Arbeitsfluid 4. Er erweitert sich ausgehend
von dem Durchbruch 9.1 in Richtung zur Austrittsöffnung 11
querschnittsmäßig in beiden Umfangsrichtungen 12. Die erste
Seite 2 und die zweite Seite 3 sind durch die Membran 26 ge
trennt. Die Membran 26 bewirkt die Abdichtung zwischen den
beiden Seiten 2, 3 des Membranventils 1.
Der Ventilkörper 6 des Membranventils 1 sitzt auf einem
Ventilsitzring 29, der aus Keramik oder aus Metall, vorzugs
weise Hartmetall besteht. Der Ventilsitzring 29 ist an seiner
dem Ventilkörper 6 abgewandten Seite mittels Teflonring 30
gegen das Ventilgehäuse 31 abgestützt. Der Ventilsitzring 29
und der Teflonring 30 sitzen in einer zylindrischen Ausneh
mung des Ventilgehäuses 31. Der Teflonring 30 sitzt mit Über
gangspassung oder gleichwirkender Passung in der Ausnehmung.
Er dichtet die Fuge zwischen der äußeren Mantelfläche des
Ventilsitzrings 29 und der Wandung der zylindrischen Ausneh
mung des Ventilgehäuses 31 gegen das Arbeitsfluid 4 ab, so
daß kein Arbeitsfluid 4 über diese Fuge - insbesondere bei
geschlossenem Membranventil 1 - in den Bereich des Einsetz
rings 49 gelangen kann. Das Membranventil 1 ist als Sitzven
til ausgebildet, dessen kugelförmiger Ventilkörper 6 in dem
Ventilsitzring 29 sitzt.
Das Membranventil 1 wird durch die Steuerkraft 5 gesteu
ert, welche an der zweiten Seite 3 des Membranventils 1 an
greift. Es ist von der zweiten Seite 3 mit einem Steuerfluid
21 druckbeaufschlagt. Dieses Steuerfluid 21 gibt die Steuer
kraft 5. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die zweite
Seite 3 direkt mit dem Druck des Steuerfluids 21 beauf
schlagt. Das Membranventil 1 wird somit gegen die entgegen
der Steuerkraft 5 wirkende Druckkraft des Arbeitsfluids 4
ausgelenkt. Übersteigt der hydrostatische Druck des Steuer
fluids 21 den des Arbeitsfluids 4, wird der Ventilkörper 6
gegen den Ventilsitzring 29 gepreßt und somit das Membranven
til 1 verschlossen. Das Steuerfluid 21 wird über eine Druck
gasleitung 50 zugeführt. Geeignete Steuerfluide 21 sind zum
Beispiel Druckluft, Stickstoff, Kohlendioxid sowie andere,
vorzugsweise inerte Gase.
Das Arbeitsfluid 4 tritt aus der Austrittsöffnung 11
über das Rückschlagventil 37 aus. Das Rückschlagventil 37 hat
ebenfalls einen Ventilkörper 6, der mittels einer Schrauben
feder 58 gegen den Ventilsitzring 29 gepreßt wird. Die
Schraubenfeder 58 ist derart dimensioniert, daß die Feder
kraft ausreicht, um den Ventilkörper 6 des Rückschlagventils
37 dauerhaft in seiner Sperrposition zu halten. Dabei ist die
Federkraft durch den Betriebsdruck des Arbeitsfluids 4 zu
überwinden, so daß der Ventilkörper 6 des Rückschlagventils
37 durch den Betriebsdruck in Freigabestellung getrieben
wird.
Das Membranventil 1 kann bidirektional arbeiten. Die
Funktionalität ist durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung
dabei unabhängig von der Durchströmungsrichtung erhalten. Im
oben beschriebenen Fall tritt das Arbeitsfluid 4 durch die
Eintrittsöffnung 7 ein und fließt über die Austrittsöffnung
11 ab. Ein Dosierventil kann auch in umgekehrter Richtung
betrieben werden.
Fig. 3 zeigt zwei 2/2-Wege-Sitzventile. Dies sind die
Membranventile 1, 51. Die gezeigte Einheit ist ein Doppelven
til und dient zum Befüllen und zum Dosieren. Zur Befüllung
eines Behälters wird das Arbeitsfluid 4 dem Membranventil 1
über eine Leitung 36 zugeführt. Zum Anschluß eines Schlauchs
mit einem Anschlußstutzen ist eine Anschlußbuchse 33 vorge
sehen, die ein Innengewinde 34 zur Aufnahme eines korrespon
dierenden Außengewindes eines Anschlußstutzens aufweist. Das
Arbeitsfluid 4 strömt dann beispielsweise durch die Leitung
36 in der Fließrichtung 67 in das geöffnete Membranventil 1
ein und fließt dort über den Ringspaltraum 8 durch die Durch
brüche 9.1, 9.3 in den Ringsammelraum 10 des Membranventils 1.
Von dort fließt das Arbeitsfluid 4 bei geöffnetem Membranven
til 1 über das Rückschlagventil 37 in die Leitung 52. Beim
Befüllen ist das Membranventil 51 noch geschlossen. Das Ar
beitsfluid 4 kann dann über einen Schlauch, welcher an der
Anschlußbuchse 33, die an die Leitung 52 anschließt, ange
schlossen ist, in die Fließrichtung 69 zum Behälter fließen.
Das 2×2/2-Wege-Sitzventil kann auch zum Dosieren eines
Arbeitsfluids 4 verwendet werden. In diesem Fall ist das Mem
branventil 1 geschlossen. Das Arbeitsfluid 4 tritt dann in
der Fließrichtung 68 in die Leitung 52 ein. Bei geöffnetem
Membranventil 51 fließt das Arbeitsfluid 4 dann über die Ab
leitung 54 weiter. Diese kann beispielsweise über ein Mem
branventil 1 zur Dosierung, welches mittels Elektromotors ge
steuert ist, zu dem Roboter 102 führen. Eine Farbwechselein
richtung 130 kann von mehreren solcher Ventile beaufschlagt
werden. Die Förderrate wird dann mittels eines der Farbwech
seleinrichtung 130 nachgeschaltet angeordneten Membranventils
1, wie oben beschrieben, eingestellt.
Das Membranventil 1 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist mit einem Druckstempel 39 beaufschlagt, welcher durch die
Andruckfeder 40 unter Vorspannung steht, die das Membranven
til 1 nach Maßgabe der Federkraft zuhält. Der Druckstempel 39
sowie die Andruckfeder 40 befinden sich in einem Stempelge
häuse 38, welches mit Schrauben 35 an der Abdeckplatte 32 des
Ventilgehäuses 31 festgeschraubt ist. Das Innere des Stempel
gehäuses 38 ist gegenüber der zweiten Seite 3 des Membranven
tils 1 über den Dichtring 41 abgedichtet. Der Druckstempel 39
sitzt trotzdem verschieblich entlang der Ventilmittellinie 65
in dem Stempelgehäuse 38. Er weist eine vorzugsweise zylin
drische Form auf, die beispielsweise mit Übergangspassung an
der Innenwandung des Stempelgehäuses 38 anliegt. Dadurch ist
der Druckstempel 39 in dem Stempelgehäuse 38 entlang der Ven
tilmittellinie 65 geführt. Die Gewindestange 27 verbindet die
erste Halteplatte 24, die zweite Halteplatte 25 und den
Druckstempel 39 starr miteinander.
Über hier nicht gezeigte Druckgasleitungen kann der
Druck in dem Stempelgehäuse 38 eingestellt werden. Während
die Andruckfeder 40 den spielfreien Sitz des Ventilkörpers 6
gewährleistet, kann durch die Einstellung des Drucks die
Stellung des Membranventils 1 gesteuert werden. Ist der Druck
in dem Innenraum des Stempelgehäuses 38 gegenüber dem Druck,
welcher an der zweiten Seite 3 des Membranventils 1 herrscht
erhöht, so verschiebt der Druckstempel 39 das Membranventil
1 in Richtung auf die Verschlußstellung.
Fig. 4 zeigt eine Ausführung der Erfindung mit einem Mem
branventil 1. Das Membranventil 1 ist oberseitig ebenfalls
mit einem Stempelgehäuse 38 abgeschlossen, welches das Mem
branventil 1 vollständig einschließt und über die Membran 26
abdichtet. Das Membranventil 1 ist mittels einer Gewindespin
del 56, die von einem Motor 55, vorzugsweise von einem Elek
tromotor, angetrieben wird, stufenlos verstellbar. Dazu ist
ein Stempel 39 vorhanden, welcher mittels des Gleitlagers 57
gleitverschieblich entlang der Ventilmittellinie 65 gelagert
ist. Der Stempel kontaktiert an seiner Unterseite die erste
Halteplatte 25. Der Stempel wird von einem Motor 55 über die
Gewindespindel 56 angetrieben. Dadurch ist das Membranventil
1 mittels Motorkraft stufenlos steuerbar. Wenn der Stempel 39
nicht lediglich auf der ersten Halteplatte 25 aufliegt, son
dern an dieser festgeschraubt oder sonstwie befestigt ist,
kann das Membranventil 1 nach Maßgabe der entsprechenden
freien Weglängen geöffnet oder in die Verschlußstellung ge
fahren werden. Durch die Befestigung des Druckstempels 39
wird die Mitnahme der ersten Halteplatte 25, und damit des
gesamten Membranventils 1 in beide Richtungen entlang der
Ventilmittellinie 65 gewährleistet.
Fig. 5a und b zeigen den Einsetzring 49 jeweils in Drauf
sicht von beiden Seiten. Fig. 5a zeigt die der Austrittsöff
nung 11 im Einbaufall zugewandte Seite des Einsetzrings 49.
Der Einsetzring 49 hat eine Zentralbohrung 42, deren Mittel
punkt mit dem Zentrum 20 des Ringsammelraums 10 zusammen
fällt. In diese Zentralbohrung 42 ragt im Einbaufall der Ven
tilkörper 6 (hier nicht gezeigt) teilweise hinein. Zwischen
der Zentralbohrung 42 und einer Fase 45 für den Dichtring 28
liegt der Ringsammelraum 10. Der Ringsammelraum 10 erweitert
sich ausgehend von dem Durchbruch 9.1 in Richtung zur Aus
trittsöffnung 11 in beiden Umfangsrichtungen 12 querschnitts
mäßig. Dabei wird der Größtquerschnitt 13 im Bereich der Aus
trittsöffnung 11 eingenommen. Die Austrittsöffnung 11 fluch
tet mit einem Umfangsabschnitt 16 mit größtem Querschnitt.
Sie schneidet daher den Ringsammelraum mit praktisch größt
möglicher Durchdringungskurve.
Der Ringsammelraum 10 hat Durchbrüche 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 in
den Ringspaltraum 8. Der Ringsammelraum 10 ist bezüglich einer
Symmetrieachse 15 zwischen dem Durchbruch 9.1 und der Aus
trittsöffnung 11 symmetrisch. Im gezeigten Ausführungsbei
spiel hat die Austrittsöffnung 11 einen kreisförmigen Quer
schnitt und ist konzentrisch mit dem kreisförmigen Durchbruch
9.3 angeordnet. Der Umfangsabschnitt 16 des Ringsammelraums
10 mit dem größten und der Umfangsabschnitt 17 mit dem klein
sten Querschnitt liegen sich bezüglich der Symmetrieachse 15
diametral gegenüber.
Der Ringsammelraum 10 wird von in Umfangsrichtung 12
durchgehend in gleichem Sinn gekrümmten Wänden 18 begrenzt.
Zusammen mit Fig. 2 ergibt sich, daß der Ringsammelraum 10
einen ausgerundeten Querschnitt aufweist. Der Querschnitt ist
nämlich halbkreisförmig in dem den Durchbrüchen 9.1 bis 9.4
zugewandten Bereich. Er wird gegenüberliegend von einer ebe
nen Fläche begrenzt. Er weist insgesamt die Kontur eines ge
schlossenen Halbkreises auf. Der Ringsammelraum 10 ist vor
zugsweise erodiert. Die Durchbrüche 9.1 bis 9.4 sind an tief
ster Stelle des Ringsammelraums 10 angeordnet. Es folgen meh
rere Durchbrüche 9.1 bis 9.4 in Umfangsrichtung 12 aufeinan
der. Benachbarte Durchbrüche 9.1, 9.4 weisen gleiche Winkelab
stände 19 bezüglich des Zentrums 20 des Ringsammelraums 10
auf. Im gezeigten Fall sind insgesamt vier Durchbrüche
9.1, 9.2, 9.3, 9.4 vorhanden, welche jeweils um etwa 90 Grad be
züglich des Zentrums 20 des Ringsammelraums 10 beabstandet
angeordnet sind.
Die Durchbrüche 9.1 bis 9.4 korrespondieren mit der Sym
metrie des Ringsammelraums 10. Sie sind bezüglich der glei
chen Symmetrieachse 15 wie der Ringsammelraum 10 symmetrisch,
im gezeigten Fall spiegelsymmetrisch. Zwei Durchbrüche
9.1, 9.3 liegen praktisch auf der Symmetrieachse 15.
Fig. 5b zeigt in Draufsicht die der Austrittsöffnung 11
im Einbaufall abgewandte Seite des Einsetzrings 49. Strich
punktiert ist wiederum der Kreisumfang 46 angedeutet, der in
etwa die Mittelpunkte der Durchbrüche 9.1 bis 9.4 miteinander
verbindet und dessen Mittelpunkt im gezeigten Fall mit dem
Zentrum 20 des Ringsammelraums 10 zusammenfällt. Mit der er
sten Seite 2 des Membranventils 1 bildet im Einbaufall die
Kegelmantelfläche 44 den Ringspaltraum 8. In radialer Rich
tung auswärts an die Kegelmantelfläche 44 angrenzend ist eine
Ringnut 43 vorgesehen. Im Einbaufalle wird diese Ringnut 43
gegen die Membran 26 gepreßt. Die Ringnut 43 verbessert die
Dichtwirkung des Membranventils 1.
Fig. 6a bis e schließlich zeigen verschiedene Ringsammel
räume 10, die jeweils unterschiedliche Konturen aufweisen.
Fig. 6a zeigt den Ringsammelraum 10. Dieser ist bezüglich der
Symmetrieachse 15, wie bereits oben erwähnt, symmetrisch. Im
gezeigten Falle liegt eine Spiegelsymmetrie bezüglich der
Symmetrieachse 15 vor. Der Ringsammelraum 10 der Fig. 6a hat
vier Durchbrüche 9.1 bis 9.4, welche wie in Fig. 5a gezeigt
angeordnet sind. Der Ringsammelraum 10 ist in einen ersten
Halbring 61 und einen zweiten Halbring 62 aufgeteilt. Der er
ste Halbring 61 weist einen gleichbleibenden Querschnitt auf,
der dem Kleinstquerschnitt 14 entspricht. Von der Mittellinie
66, die durch die beiden Durchbrüche 9.2, 9.4 verläuft ausge
hend, erweitert sich dieser Ringsammelraum querschnittmäßig
bis zum Durchbruch 9.3, der mit der Austrittsöffnung 11
fluchtet. Im Bereich der Austrittsöffnung 11 wird auch der
Größtquerschnitt 13 des Ringsammelraums 10 eingenommen.
Fig. 6b zeigt einen Ringsammelraum 10, der im wesentli
chen den gleichen Querschnittsverlauf wie der Ringsammelraum
10 der Fig. 5a hat. Im Unterscheid dazu sind hier lediglich
zwei Durchbrüche 9.1, 9.2 vorhanden. Diese sind um 180 Grad
bezüglich des Zentrums 20 des Ringsammelraums 10 zueinander
beabstandet angeordnet. Dies entspricht dem Winkelabstand 19
der benachbarten Durchbrüche 9.1, 9.2. Bei der gezeigten Aus
führungsform fließt das Arbeitsfluid 4, das über den Durch
bruch 9.1 in den Ringsammelraum 10 eintritt, gleichmäßig in
beide Umfangsrichtungen 12. Der Zustrom teilt sich dort in
zwei gleichmäßige Strömungen auf. Für jede dieser beiden
Strömungen wird der Strömungswiderstand gegenüber einem her
kömmlichen Ringsammelraum durch die Querschnittsverengung
verringert. Dadurch fließt das Arbeitsfluid 4 insgesamt
schneller ab.
Fig. 6c zeigt einen Ringsammelraum 10 mit ebenfalls im
wesentlichen dem gleichen Querschnittsverlauf wie das voran
gehende Ausführungsbeispiel. Im Gegensatz zu diesen sind hier
acht Durchbrüche 9.1 bis 9.4 sowie 59.1 bis 59.4 vorhanden.
Diese sind um einen Winkelabstand 19 zueinander beabstandet
angeordnet. Dieser Winkelabstand 19 beträgt in etwa 40 Grad.
Auch diese Anordnung ist spiegelsymmetrisch bezüglich der
Symmetrieachse 15. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß
das Arbeitsfluid 4 dem Ringsammelraum 10 im wesentlichen
gleichmäßiger über den Umfang verteilt zugeführt wird.
Fig. 6d zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Ringsammelraums 10 mit ebenfalls vier Durchbrüchen 9.1 bis
9.4. Dieser Ringsammelraum 10 erweitert sich von dem Durch
bruch 9.4 ausgehend in der Umfangsrichtung 12 querschnittsmä
ßig von dem Kleinstquerschnitt 14 bis auf den Größtquer
schnitt 13. Der Querschnitt des Ringsammelraums 10 erweitert
sich praktisch über den gesamten Umfang des Ringsammelraums
in etwa gleichmäßig. Zur Rückführung des Durchmessers auf
den Kleinstdurchmesser 14 vom Größtdurchmesser 13 ist die
halsförmige Verengung 63 vorhanden. Das Arbeitsfluid 4 fließt
dann von dem Durchbruch 9.4 ausgehend auch in die Umfangs
richtung 12. Auch dieses Ausführungsbeispiel verfügt über
eine bessere Durchströmung als Ausführungsbeispiele des Stan
des der Technik.
Als letztes Beispiel schließlich ist ein Ringsammelraum
gezeigt, dessen Querschnitt sich praktisch diskontinuier
lich erweitert. Der Ringsammelraum 10 hat im Bereich des
Durchbruchs 9.1 seinen Kleinstquerschnitt 14. In Umfangsrich
tung 12 folgt eine Stufe 64 im Bereich des Durchbruchs 9.4.
Dort erweitert sich der Querschnitt auf den Mittelquerschnitt
60. Im Bereich des Durchbruches 59.1 folgt eine weitere Stufe
64, wodurch der Querschnitt von dem Mittelquerschnitt auf den
Größtquerschnitt 13 erweitert wird. Diese Ausführung ist be
züglich der Symmetrieachse 15 spiegelsymmetrisch. Hier sind
die Strömungsverhältnisse innerhalb des Ringsammelraums be
sonders günstig:
Das Arbeitsfluid 4 strömt über die Durchbrüche 9.1 bis 9.4, 59.1, 59.2 ein. Da sich im Bereich jedes der Durchbrüche not wendigerweise das Volumen erhöhen muß, damit die Strömung gleichbleibend sein kann, ist dort eine Querschnittserweite rung vorgesehen. Dadurch wird eine Vergleichmäßigung der Strömung erreicht.
Das Arbeitsfluid 4 strömt über die Durchbrüche 9.1 bis 9.4, 59.1, 59.2 ein. Da sich im Bereich jedes der Durchbrüche not wendigerweise das Volumen erhöhen muß, damit die Strömung gleichbleibend sein kann, ist dort eine Querschnittserweite rung vorgesehen. Dadurch wird eine Vergleichmäßigung der Strömung erreicht.
1
Membranventil
2
erste Seite
3
zweite Seite
4
Arbeitsfluid
5
Steuerkraft
6
Ventilkörper
7
Eintrittsöffnung
8
Ringspaltraum
9.1
Durchbruch
9.2
Durchbruch
9.3
Durchbruch
9.4
Durchbruch
10
Ringsammelraum
11
Austrittsöffnung
12
Umfangsrichtung
13
Größtquerschnitt
14
Kleinstquerschnitt
15
Symmetrieachse
16
Umfangsabschnitt mit Größtquerschnitt
17
Umfangsabschnitt mit Kleinstquerschnitt
18
Wand
19
Winkelabstand
20
Zentrum des Ringsammelraums
21
Steuerfluid
23
Einhüllende
24
erste Halteplatte
25
zweite Halteplatte
26
Membran
27
Gewindestange
28
Dichtring
29
Ventilsitzring
30
Teflonring
31
Ventilgehäuse
32
Abdeckplatte
33
Anschlußbuchse
34
Innengewinde
35
Schraube
36
Zuleitung
37
Rückschlagventil
38
Stempelgehäuse
39
Druckstempel
40
Andruckfeder
41
Dichtring
42
Zentralbohrung
43
Ringnut
44
Kegelmantelfläche
45
Fase
46
Kreisumfang
49
Einsetzring
50
Druckgasleitung
51
Membranventil
52
Zuleitung
53
Rückschlagventil
54
Ableitung
55
Motor
56
Gewindespindel für Längshub
57
Gleitlager
58
Schraubenfeder
59.1
Durchbruch
59.2
Durchbruch
59.3
Durchbruch
59.4
Durchbruch
60
Mittelquerschnitt
61
erster Halbring
62
zweiter Halbring
63
halsförmige Verengung
64
Stufe
65
Ventilmittellinie
66
Mittellinie
67
Fließrichtung
68
Fließrichtung
69
Fließrichtung
101
Spritzkabine
102
Roboter
103
Roboterarm
103.1
1. Segment
103.2
2. Segment
104
Fußteil
105
Drehrichtungen
106
1. Drehgelenk
107
2. Drehgelenk
108
Dreh-Schwenklagerung
110
Schlauchanschlußteil
111
Zuleitung VE-Wasser
112
Zuleitung Härter
113
Zuleitung Farbe
114
1. Dosieranlage
115
1. Farbleitung
116
2. Dosieranlage
117
2. Farbleitung
118
Materialdruckgefäß
119
3. Farbleitung
120
Pumpe
121
4. Farbleitung
122
Ringleitung
123
5. Farbleitung
124
federbelastetes Ventil
125
Reinigungsmitteltank
126
Reinigungsmittelleitung
127
Druckluftquelle
128
Druckluftleitung
129
Schottplatte
130
Farbwechsler
131
Pneumatikzylinder
137
Sprühstrahl
138
Sprühkopf
139
Lagergehäuse
140
Rückenteil
141
Kopfteil
142
Durchgangsloch
144
Schlauch
Claims (16)
1. Membranventil (1), welches von einer ersten Seite (2)
mit einem Arbeitsfluid (4) unter Druck und von einer
zweiten Seite (3) mit einer Steuerkraft (5) beaufschlagt
ist, mit einem Ventilkörper (6) zur Steuerung des Quer
schnitts der Eintrittsöffnung (7) für das Arbeits
fluid (4), mit einem an die Eintrittsöffnung (7) an
schließenden Ringspaltraum (8), der über einen Ringsam
melraum mit der Austrittsöffnung kommuniziert, dadurch
gekennzeichnet, daß der Ringspaltraum Durchbrüche (9.1
bis 9.4) in den Ringsammelraum (10) hat, und daß der
Ringsammelraum (10) sich ausgehend von einem der Durch
brüche (9.1 bis 9.4) in Richtung zur Austrittsöff
nung (11) zumindest in einer Umfangsrichtung (12) quer
schnittsmäßig erweitert.
2. Membranventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß der Größtquerschnitt (13) im Bereich der Aus
trittsöffnung (11) eingenommen wird.
3. Membranventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Austrittsöffnung (11) den Ringsammelraum
(10) mit größtmöglicher Durchdringungskurve im Bereich
des Größtquerschnittes (13) schneidet.
4. Membranventil nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Ringsammelraum (10) bezüglich einer
Symmetrieachse (15) zwischen einem der Durchbrüche (9.1)
und der Austrittsöffnung (11) symmetrisch ist.
5. Membranventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich
net, daß der Umfangsabschnitt (16) des Ringsammelraums
(10) mit dem größten und der Umfangsabschnitt (17) mit
dem kleinsten Querschnitt sich bezüglich der Symmetrie
achse (15) diametral gegenüber liegen.
6. Membranventil nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Ringsammelraum (10) von in Umfangs
richtung (12) durchgehend in gleichem Sinn gekrümmten
Wänden (18) begrenzt wird.
7. Membranventil nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Ringsammelraum (10) einen ausgerunde
ten Querschnitt aufweist.
8. Membranventil nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Ringsammelraum (10) erodiert ist.
9. Membranventil nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Durchbrüche (9.1 bis 9.4) an tiefster
Stelle des Ringsammelraums (10) angeordnet sind.
10. Membranventil nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß mehrere Durchbrüche (9.1 bis 9.4) in Um
fangsrichtung (12) aufeinander folgen.
11. Membranventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich
net, daß die Durchbrüche (9.1 bis 9.4) gleiche Winkelab
stände (19) bezüglich eines Zentrums (20) des Ringsam
melraums (10) aufweisen.
12. Membranventil nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Ventilkörper (6) metallisch oder ke
ramisch ist.
13. Membranventil nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Membranventil (1) als Sitzventil aus
gebildet ist.
14. Membranventil nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Membranventil (1) von der zweiten
Seite (3) mit einem Steuerfluid (21) druckbeaufschlagt
ist, welches die Steuerkraft (5) ausübt.
15. Membranventil nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Membranventil (1) einen an der zwei
ten Seite (3) angreifenden Verstellantrieb aufweist.
16. Membranventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich
net, daß das Membranventil (1) mittels einer Gewinde
spindel (56), die von einem Motor (55) angetrieben wird,
stufenlos verstellbar ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1997130035 DE19730035C2 (de) | 1997-07-14 | 1997-07-14 | Membranventil |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1997130035 DE19730035C2 (de) | 1997-07-14 | 1997-07-14 | Membranventil |
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---|---|
DE19730035A1 DE19730035A1 (de) | 1999-02-18 |
DE19730035C2 true DE19730035C2 (de) | 1999-10-14 |
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ID=7835595
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---|---|---|---|
DE1997130035 Expired - Fee Related DE19730035C2 (de) | 1997-07-14 | 1997-07-14 | Membranventil |
Country Status (1)
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---|---|
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Families Citing this family (1)
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---|---|---|---|---|
DE102014006651A1 (de) * | 2014-05-07 | 2015-11-12 | Dürr Systems GmbH | Beschichtungsanlage zur Beschichtung von Bauteilen, insbesondere zur Lackierung von Kraftfahrzeugkarosseriebauteilen |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3405907A (en) * | 1964-05-08 | 1968-10-15 | Lutz T. Kayser | Venturi arrangement |
DE2609960A1 (de) * | 1975-03-26 | 1976-10-07 | Canadian Patents Dev | Vorrichtung zur regelung des durchflusses eines fluids |
US4917357A (en) * | 1988-09-26 | 1990-04-17 | Nupro Company | Diaphragm valve |
-
1997
- 1997-07-14 DE DE1997130035 patent/DE19730035C2/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3405907A (en) * | 1964-05-08 | 1968-10-15 | Lutz T. Kayser | Venturi arrangement |
DE2609960A1 (de) * | 1975-03-26 | 1976-10-07 | Canadian Patents Dev | Vorrichtung zur regelung des durchflusses eines fluids |
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Publication number | Publication date |
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DE19730035A1 (de) | 1999-02-18 |
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