DE19859507C2 - Kunststoffdruckmittler für Halbleiterindustrie - Google Patents
Kunststoffdruckmittler für HalbleiterindustrieInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Membrandruckmittler nach
dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Ein Membrandruckmittler dient dazu, einen zu messenden Druck
eines Meßstoffs auf ein Druckmeßgerät zu übertragen, wenn dieses
aus bestimmten Gründen nicht direkt mit dem Meßstoff in Kontakt
kommen soll.
Ein herkömmlicher Membrandruckmittler hat grundsätzlich zwei
durch eine Membran voneinander getrennte Räume oder Kammern, von
denen die eine zur Aufnahme des Meßstoffs ausgelegt ist und mit
dem Druck des Meßstoff beaufschlagt werden kann. Die andere
Kammer auf der anderen Seite der Membran ist mit einer
Füllflüssigkeit gefüllt und ist mit einer Druckmeßeinrichtung
verbunden. Ein auf den Meßstoff ausgeübter Druck wird durch eine
entsprechende Auslenkung der Membran auf die Füllflüssigkeit
übertragen, so daß der Druck in dem Meßstoff erfaßt werden kann,
ohne daß der Meßstoff unmittelbar mit der Druckmeßeinrichtung in
Kontakt kommt.
Zur Sicherheit gegen Bruch der Membran und zur Überwachung von
deren Zustand ist zudem bekannt, daß eine doppellagige Membran,
d. h. zwei im wesentlichen parallele Membranen, verwendet wird,
deren Zwischenraum einen Entlüftungsraum bildet.
Herkömmliche Membrandruckmittler sind üblicherweise aus Metall
bzw. aus Metallegierungen mit entsprechender
Korrosionsbeständigkeit. Darin werden üblicherweise elastische
Membranen verwendet, deren Arbeitsvolumen, d. h. das durch die
Verlagerung der Membran verdrängte Volumen, groß sein soll. Dies
liegt insbesondere bei mechanischen Druckmeßeinrichtungen daran,
daß für die Verformung eines Meßglieds, die als für den Druck
repräsentative Größe erfaßt und angezeigt wird, stets ein
Mindestarbeitsvolumen durch die Membran verdrängt und in die
Druckmeßeinrichtung verschoben werden muß. Dies gilt
insbesondere dann, wenn der Membrandruckmittler über eine
Fernleitung, die ebenfalls Elastizitäten hat, mit der
eigentlichen Druckmeßeinrichtung verbunden werden soll.
Es sind ferner Metallmembranen bekannt, die, ebenfalls zur
Erreichung eines größeren Arbeitsvolumens, konzentrisch gewellt
ausgeführt sind, d. h. diese Membranen haben im Radialschnitt
eine sinusförmige Wellenform.
In den meisten Fällen besteht das Problem bei der Auswahl der
geeigneten Materialien für den Membrandruckmittler darin, daß
eine Korrosion des Druckmittlers vermieden werden soll. Folglich
gibt es inzwischen für Sonderanwendungen ganz oder teilweise aus
Kunststoffen bestehende Membrandruckmittler.
Diese bekannten Druckmittler aus Kunststoff sind für einige
Sonderanwendungen, insbesondere in der Halbleiterindustrie, der
Kunststoffherstellung oder bei der Produktion technischer Gläser
nur bedingt anwendbar, da in diesen Fällen ein Eintrag von
Fremd-Metallionen in den Meßstoff, d. h. in Prozeßmedien oder -
stoffe bei den vorgenannten Anwendungen, strikt zu vermeiden
ist.
Die bekannten Membrandruckmittler aus Kunststoff verwenden
Elastomere für die Membranen. Aus diesen chemisch
hochbeständigen Elastomeren, beispielsweise Vinylidenfluorid-
Hexafluorpropylen-Kautschuk (FKM) werden jedoch Metallionen
ausgewaschen, die den Meßstoff verunreinigen. Es wurde
vorgeschlagen, diese Elastomermembranen mit
Polytetrafluorethylen (PTFE) zu kaschieren, um den vorgenannten
Auswaschungseffekt zu vermindern.
Um jedwede Auswaschung von Metallionen aus Elastomeren zu
vermeiden, ist ein Kunststoffdruckmittler bekannt, der eine
kugelsegmentförmige Membran aus Polytetrafluorethylen (PTFE)-
Vollmaterial hat. Diese Membran ist jedoch sehr steif, so daß
geringe Druckänderungen nicht mehr mit vernünftiger Genauigkeit
gemessen werden können. Hinzu kommt, daß das vorgenannte
Material (PTFE) zum Kriechen neigt und folglich starke
Hystereerscheinungen das Meßergebnis verfälschen. Zudem zeigt
eine solche Membran Temperaturabhängigkeiten, die das
Meßergebnis ebenfalls verfälschen.
Es werden auch Kunststoffdruckmittler mit einer plattenförmigen
Membran aus Perfluoralkoxy-Copolymer (PFA) hergestellt, die
jedoch wegen der hohen Steifigkeit der Membran lediglich ein
geringes Arbeitsvolumen und ein schlechtes Ansprechverhalten
zeigen.
Diese als Einzelmembranen ausgeführten Membrandruckmittler haben
zudem den Nachteil, daß Diffusion durch die Membran auftritt.
Dabei können in der Füllflüssigkeit gelöste Metallionen, die
dort wegen der mindestens teilweise aus Metall bestehenden
Druckmeßeinrichtung vorkommen, in den Meßstoff eindiffundieren
und so den Meßstoff beeinträchtigen. Der Diffusionseffekt ist
bei Elastomeren in beachtlichem Ausmaß vorhanden.
Um einer Diffusion durch die Membran zu begegnen, ist ein
Druckmittler zwei hintereinander angeordneten
kugelsegementförmigen Membranen aus Polytetrafluorethylen
(PTFE)-Vollmaterial bekannt. Zwischen den mit großem Abstand
angeordneten Membranen ist ein Ringkörper ebenfalls aus
Polytetrafluorethylen (PTFE)-Vollmaterial zur Kraftübertragung
zwischen den Membranen eingelegt. Die Membranen sind bezüglich
ihrer jeweiligen Kammer über O-Ringe abgedichtet. Der von den
beiden Membranen gebildete Zwischenraum ist belüftet, so daß die
Diffusion verhindert ist. Zudem führt bei diesem System die
doppelte Auslegung der Membranen zu einer erhöhten
Prozeßsicherheit, da der Bruch einer Membran nicht zwangsläufig
zur Verunreinigung des Prozeßmediums mit Metallionen führt.
Dieser bekannte Druckmittler hat jedoch den Nachteil, daß die
doppelte Membran besonders steif ist, materialbedingt ein
ausgeprägtes Fließverhalten (Hystereseeffekte) zeigt,
Temperatureinflüssen unterworfen ist und zudem das Gewicht des
die Kraft übertragenden Ringkörpers das Ansprechverhalten des
Druckmittlers stark beeinträchtigt, so daß nur eine vernünftige
Meßgenauigkeit erst im Bereich höherer Drücke (ab etwa 2,5 bar)
erreicht werden kann. Zudem ist die meßstoffseitige Kammer an
der meßstoffseitigen Membran über eine Elastomerdichtung
(O-Ring) abgedichtet, so daß Auswaschungseffekte von Metallionen
aus dem Elastomer auch hier auftreten und den Meßstoff
verunreinigen können.
Aus der DE 42 35 684 A1 ist ein gattungsgemäßer Membrandruck
mittler bekannt, der zwei parallele Membranen hat, die unter
Einschluss eines Druckmittlergranulats zwischen den Membranen
einen Druckaufnahmeraum und einen Druckabgaberaum voneinander
trennen.
Ferner befasst sich die DE 31 21 799 A1 mit der Problematik der
Druckmediendiffusion und schlägt dafür eine Doppelmembran vor,
die dazwischen eine Siebmembran enthält, die einen Entlüftungs
raum zwischen den beiden Membranen offen hält.
Die DE 42 31 823 A1 lehrt den Einsatz von Kunststoffen zur Um
gehung des problematischen Kontakts zwischen metallischen Mess
armaturen und aggressiven Messstoffen.
Schließlich zeigt die EP-06 07 482 A1 einen Druckmittler, der
mit einer einzelnen Membran ausgestattet ist. Auch die US 47 68 382
zeigt einen Druckmittler mit einer einzelnen gewellten
Membran.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Membran
druckmittler dahingehend zu verbessern, dass das Ansprechver
halten und die Medienbeständigkeit verbessert ist und dass die
Herstellung bzw. Reparaturfreundlichkeit verbessert ist.
Die Aufgabe wird mit einem Membrandruckmittler mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß hat der Membrandruckmittler einen zwischen einem
Gehäuse und einem Deckel ausgebildeten Hohlraum, der von zwei
zueinander parallelen Membranen in einen Druckaufnahmeraum oder
-kammer zur Beaufschlagung mit einem Meßstoff mit zu messendem
Druck, in einen Entlüftungsraum zwischen den Membranen und in
einen mit einer Füllflüssigkeit füllbaren Druckabgaberaum oder -
kammer zur Druckweiterleitung an eine Druckmeßeinrichtung
unterteilt ist, wobei die Membranen aus einem Perfluoralkoxy-
Copolymer (PFA) bestehen und unter Zwischenschaltung einer
Kunststoffasereinlage deckungsgleich mit einer Profilierung
ausgebildet sind. Die druckaufnahmeseitige bzw. meßstoffseitige
Membran ist mit dem Deckel in unmittelbarer Anlage und es ist
ein O-Ring zur Abdichtung des Entlüftungsraums zwischen dem
Gehäuse und dem Deckel vorgesehen. Das Gehäuse und der Deckel
bestehen aus einem Fluorpolymer.
Durch die erfindungsgemäße Verwendung von profilierten, z. B.
gewellten, insbesondere konzentrisch gewellten Perfluoralkoxy-
Copolymer (PFA)-Membranen können die positiven
Stoffeigenschaften des chemisch neutralen, metallfreien und
thermisch formbaren PFA-Materials in einer Membran wirkungsvoll
eingesetzt werden. Durch die Profilierung der Membran ist diese
in Richtung ihrer Hauptebene auf vorteilhafte Weise elastisch
verformbar, so daß sich ein großes Arbeitsvolumen bei geringen
Ansprechdrücken erreichen läßt.
Bedingt durch den geringen E-Modul von Kunststoffen, ist deren
elastischer Verformungsbereich üblicherweise klein. Durch die
Profilierung, beispielsweise in Form einer sinusförmigen
konzentrischen Wellung, wird die bei ebenen Membranen zu deren
Auslenkung erforderliche Materialdehnung in eine Biegebelastung
in den Krümmungspunkten umgewandelt. Bei entsprechender Anzahl
der Biegungen in der Profilierung, d. h. bei einer in Richtung
der Hauptebene der Membran vergleichsweise großen Länge der
Membran, wird die Längung der Membran bei der Auslenkung auf
eine große Länge und geringe Verbiegungen an der Vielzahl von
Krümmungspunkten verteilt, so daß die Verformungen in dem
Membranmaterial trotz eines großen Arbeitsvolumens gering
bleiben. Dadurch bleiben die Deformationen der Membran innerhalb
des elastischen Bereichs des verwendeten Kunststoffs, so daß
Hystereeffekte vermieden sind.
Wegen der Warmformbarkeit des PFA-Materials können die Membranen
vorzugsweise heißgeprägt werden, d. h. mit einer entsprechenden
Kombination aus erhitzter Matrize/Patrize gepreßt werden, so daß
die Membranen bleibend in die vorgegebene Profilform überführt
werden können. Es ist auch möglich, die Membranen im
Spritzgußverfahren herzustellen; die Wahl des geeigneten
Verfahren hängt von den gewünschten Abmessungen der Membranen,
den Stückzahlen etc. ab.
Zur Verhinderung von Diffusion durch die Membran sowie zur
Verbesserung der Sicherheit gegen Verunreinigungen des Meßstoffs
bei Membranbruch, sind erfindungsgemäß zwei wellenförmige
Membranen deckungsgleich unter Zwischenschaltung einer
Kunststoffaserlage vorgesehen. Zwischen den beiden Membranen ist
ein Entlüftungsraum gebildet. Die Kunststoffaserlage verhindert
einen innigen Kontakt der beiden Membranen, so daß der
Entlüftungsraum stets von einem Fluid durchströmbar ist, während
eine gute Druckweiterleitung über die Membranen, d. h. eine
exakte Parallelbewegung der beiden Membranen, aufrechterhalten
bleibt. Die zwischen den Membranen vorgesehene Faserlage ist
sehr leicht und biegsam, so daß das Gewicht der Faserlage sowie
ein ggf. von der Zwischenlage zu erwartender Versteifungseffekt
keine Auswirkungen auf das Ansprechverhalten des Druckmittlers
zeigen.
Durch den Entlüftungsraum können evtl. durch die Membranen
diffundierende Stoffe entfernt werden, bevor diese die jeweils
gegenüberliegende Membran erreichen. Dadurch ist ein
Stoffaustausch zwischen der Druckaufnahmekammer und der
Druckabgabekammer sicher verhindert. Zudem ist im Falle des
Bruchs einer der Membranen stets die zweite Membran als Sperre
zwischen dem Meßstoff und der Füllflüssigkeit noch vorhanden, so
daß eine Notsicherheit gegen Verunreinigung des Meßstoffs
gegeben ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Druckmittler ist die meßstoffseitige
Membran mit dem zugehörigen Deckel in unmittelbarer Anlage.
Dadurch kann auf eine elastische Dichtung verzichtet werden, die
dem Meßstoff ausgesetzt ist.
Vorzugsweise ist dazu am Deckel ein Ringwulst mit beispielsweise
halbkreisförmigem Querschnitt ausgebildet, so daß eine schmale
Auflagefläche für die Membran gebildet wird. Dadurch ergibt sich
eine vergleichsweise hohe Flächenpressung mit einer entsprechend
verbesserten Abdichtung. Zudem dient der Ringwulst als ein
Widerlager für die Membran, das wegen der schmalen Auflagefläche
der Auslenkbewegung der Membran wenig Widerstand bietet.
Elastomere zeigen, wie bereits eingangs diskutiert, eine
Auswaschung von Metallionen. Durch die erfindungsgemäß direkte
Anordnung der Membran an dem Deckel ist sichergestellt, daß aus
dieser Verbindungsstelle keine Metallionen in dem Meßstoff
übergehen können. Eine zusätzliche Verbindung der Membran mit
dem Deckel kann wahlweise durch Kleben oder, bei einer
geeigneten Materialpaarung z. B. Membran PFA/Deckel PFA, durch
Schweißen dauerhaft erfolgen. Dabei kommen thermische
Schweißverfahren, Kaltschweißverfahren oder Ultraschallverfahren
in Betracht.
Für den Fall des Bruchs einer der Membranen ist für die
Abdichtung Deckels gegenüber dem Gehäuse zur Begrenzung des
Entlüftungsraums ein O-Ring vorgesehen, der einen
Flüssigkeitsaustritt aus dem Entlüftungsraum verhindert, wenn
eine der beiden Membranen brechen sollte. Gleichzeitig
verhindert der O-Ring den Eintritt von Fremdmaterialien in den
Meßstoff, weil er das Eindringen von Staub oder dergleichen in
den Entlüftungsraum zuverlässig verhindert, dessen Inhalt bei
Bruch der meßstoffseitigen Membran in den Meßstoff gespült
werden könnte. Vorzugsweise ist der O-Ring aus einem Material,
das selbst keine Fremd-Metallionen abgibt.
Wegen der chemischen und thermischen Beständigkeit ist
erfindungsgemäß der Deckel aus einem Fluorpolymer, das sich auch
mit dem Material der Membranen (PFA) gut verträgt. Obwohl das
Gehäuse lediglich den Druckabgaberaum, d. h. die
Füllflüssigkeitsseite und den Entlüftungsraum begrenzt, ist für
den Fall des Bruchs der meßstoffseitigen Membran das Gehäuse
erfindungsgemäß ebenfalls aus einem Fluorpolymer. In diesem Fall
des Membranbruchs könnte andernfalls der Meßstoff mit dem
Gehäuse in Berührung kommen und Fremd-Metallionen eintragen.
In der Halbleiterindustrie und in der Kunststoffindustrie sind
bestimmte Prozeßstoffe typische Meßstoffe, so daß nachfolgend
einige besonders bevorzugte Materialzusammenstellungen für den
erfindungsgemäßen Membrandruckmittler für diese typischen
Anwendungsfälle angegeben sind.
Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Membrandruckmittlers bei
hochkonzentrierten Säuren denen der Druckaufnahmeraum ausgesetzt
ist, ist das Fluorpolymer für das Gehäuse und den Deckel aus der
Gruppe: Perfluoralkoxy-Copolymer (PFA), Polytetrafluorethylen
(PTFE) und Polyvinylidenfluorid (PVDF) ausgewählt. Dabei ist der
O-Ring vorzugsweise aus mit Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-
Copolymer (FEP) ummanteltem Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen-
Kautschuk (FKM; Handelsname "Viton").
Diese Kombination eignet sich besonders für die Reinigung von
Rohsilikatbrocken mit hochkonzentrierten Säuren (HF + HCl + H2O)
als Prozeßstoff (Meßstoff).
Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Membrandruckmittlers bei
Reinstwasser in dem Druckaufnahmeraum, ist das Fluorpolymer für
das Gehäuse und den Deckel aus der Gruppe: Perfluoralkoxy-
Copolymer (PFA), Polytetrafluorethylen (PTFE) und
Polyvinylidenfluorid (PVDF) ausgewählt, wobei der O-Ring aus
Material besteht, das aus der Gruppe: mit Tetrafluorethylen-
Hexafluorpropylen-Copolymer (FEP) ummantelter Vinylidenfluorid-
Hexafluorpropylen-Kautschuk (FKM; Handelsname "Viton"),
Tetrafluorethylen-Perfluormethylvinylether-Copolymer (TFE-PMVE;
Handelsname "Kalrez") und Polysilikon ausgewählt ist.
Diese Materialkombination ist besonders für einen Floatingprozeß
zerkleinerter Silikatkörner geeignet, bei dem der
Prozeßhilfsstoff (Meßstoff) Reinstwasser ist.
Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Membrandruckmittlers bei
Anwesenheit von Basen zur alkalischen Hydrolyse in dem
Druckaufnahmeraum, ist das Fluorpolymer für das Gehäuse und den
Deckel aus der Gruppe: Perfluoralkoxy-Copolymer (PFA) und
hochdichtes Reinst-Polytetrafluorethylen (PTFE) ausgewählt,
während der O-Ring aus Material besteht, das aus der Gruppe: mit
Reinst-Polytetrafluorethylen (PTFE) ummantelter
Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen-Kautschuk (FKM; Handelsname
"Viton") und Tetrafluorethylen-Perfluormethylvinylether-
Copolymer (TFE-PMVE; Handelsname "Kalrez") ausgewählt ist.
In diesem Fall der alkalischen Hydrolyse sind als Prozeßstoff
und als Meßstoff besonders NaOH und KOH anzuführen; es können
aber auch andere Basen sein.
Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Membrandruckmittlers bei
Anwesenheit von mineralischen Säuren oder Übergangsmetallsäuren
zur säurekatalytischen Polymerisation in dem Druckaufnahmeraum,
ist das Fluorpolymer für das Gehäuse und den Deckel aus der
Gruppe: Perfluoralkoxy-Copolymer (PFA) und hochdichtes Reinst-
Polytetrafluorethylen (PTFE) ausgewählt. Ein geeigneter O-Ring
besteht aus einem Material, das aus der Gruppe: mit Reinst-
Polytetrafluorethylen (PTFE) ummantelter Vinylidenfluorid-
Hexafluorpropylen-Kautschuk (FKM; Handelsname "Viton"),
Tetrafluorethylen-Perfluormethylvinylether-Copolymer (TFE-PMVE;
Handelsname "Kalrez") und Polysilikon ausgewählt ist.
In den vorgenannten Fälle ist die Kunststoffasereinlage
vorzugsweise aus Polytetrafluorethylen (PTFE). Dies kann ein
Netz, ein Gewebe oder auch ein Vlies aus diesen Fasern sein.
Eine vorteilhafte konstruktive Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Druckmittlers hat eine das Gehäuse
durchgreifende, abgestufte Bohrung. Diese Durchgangsbohrung
bildet, in dieser Reihenfolge, folgende Abschnitte in dem
Gehäuse aus:
einen Gewindeabschnitt zur Aufnahme des Deckels, einen Deckeldichtungsabschnitt zur Abdichtung mit einem an dem Deckel vorgesehenen O-Ring, einen Druckabgabekammerabschnitt, einen Dichtungsabschnitt zur Abdichtung mit einem an der einzusetzenden Druckmeßeinrichtung vorgesehenen O-Ring und einen Gewindeabschnitt zur Aufnahme der Druckmeßeinrichtung.
einen Gewindeabschnitt zur Aufnahme des Deckels, einen Deckeldichtungsabschnitt zur Abdichtung mit einem an dem Deckel vorgesehenen O-Ring, einen Druckabgabekammerabschnitt, einen Dichtungsabschnitt zur Abdichtung mit einem an der einzusetzenden Druckmeßeinrichtung vorgesehenen O-Ring und einen Gewindeabschnitt zur Aufnahme der Druckmeßeinrichtung.
Der Deckel hat seinerseits an seinem Außenumfang einen
Gewindeabschnitt zum Eingriff mit dem Gehäuse und hat in seiner
dem Gehäuse in Einbaulage zugewandten Stirnseite eine
Ausnehmung, die von einem ringförmigen Rand umgeben ist. Die
Ausnehmung bildet die meßstoffseitige Druckaufnahmekammer und
ist mit einer den Deckel in Axialrichtung durchdringenden
Anschlußbohrung verbunden. Mit dem dem ringförmigen Rand, der
vorzugsweise mit einem schmalen Ringwulst versehen sein kann,
wird die Doppelmembran fixiert, wobei lediglich die
meßstoffseitige Membran unmittelbar und dicht mit dem Deckel in
Anlage ist. In Axialrichtung des Deckels zwischen dem Rand und
dem Gewindeabschnitt ist in Gegenüberlage zum
Deckeldichtungsabschnitt eine Aufnahmenut zur Aufnahme eines O-
Rings ausgebildet.
In dem Gehäuse ist ferner, auf der Füllflüssigkeitsseite, ein
Druckabgabekammerabschnitt der im wesentlichen eben oder
alternativ passend zur Profilierung der Membran geformt
ausgebildet ist. Durch die profilierte Ausgestaltung der Kammer
kann die Überdruckfestigkeit bei einer profilierten Membran
erhöht werden. Der Kammerabschnitt hat einen im wesentlichen
ebenen und zur Axialrichtung der Durchgangsbohrung senkrechten
umlaufenden Auflageabschnitt für einen O-Ring zur Abdichtung der
füllflüssigkeitsseitigen Membran. In Einbaulage ist die Membran
von dem ringförmigen Rand des Deckels gegen den O-Ring
vorgespannt, so daß eine Abdichtung durch axialen Andruck
erfolgt. Im Unterschied dazu erfolgt die Abdichtung zwischen dem
Deckel und dem Gehäuse an einem O-Ring, der in Radialrichtung
des Deckels bzw. Gehäuses dichtet. Diese Dichtung ist sehr
zuverlässig und vom Anzugsdrehmoment des Deckels unabhängig.
Im weiteren Verlauf der Durchgangsbohrung des Gehäuses ist ein
Dichtungsabschnitt für die einzusetzende Druckmeßeinrichtung
ausgebildet. Der Durchmesser des Dichtungsabschnitts ist so
bemessen, daß der O-Ring, der vorzugsweise in einer Nut auf
einem Fortsatz der Druckmeßeinrichtung angeordnet ist, mit einer
vorbestimmten Flächenpressung in Radialrichtung der Bohrung
angepreßt wird. Dadurch ist eine zuverlässige Abdichtung der
Druckmeßeinrichtung erreicht, die von der Einschraubtiefe bzw.
dem Anzugsdrehmoment unabhängig ist, wenn die
Druckmeßeinrichtung in den Gewindeabschnitt eingeschraubt ist.
Insbesondere bei den erfindungsgemäß verwendeten Materialien für
das Gehäuse kann es zum Fließen der Materialien kommen. Dadurch
kann es bei einer axial wirkenden Dichtung, deren Anpreßkraft
von dem Anzugsdrehmoment der Verschraubung abhängt, dazu kommen,
daß sich die Druckmeßeinrichtung durch Fließen des im Bereich
der Gewindegänge sehr dünnwandigen Materials lockert und die
Verbindung mit einer Axialdichtung undicht wird. Bei der
vorliegenden Ausgestaltung wird der Anpreßdruck des O-Rings in
einem Bereich hoher Materialdicke aufgebracht, so daß das
Fließen des Gehäusematerials in wesentlich geringerem Maße
auftritt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher
erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines Gehäuses eines
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Membrandruckmittlers;
Fig. 2 eine Schnittansicht eines montierten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Membrandruckmittlers; und
Fig. 3 eine vergrößerte Einzelheit X aus Fig. 2.
In Fig. 1 ist ein Gehäuse 1 mit einer das Gehäuse in Fig. 1 von
oben nach unten durchgreifenden gestuften Durchgangsbohrung
gezeigt. Die Durchgangsbohrung hat, von unten nach oben in Fig.
1 gesehen, einen Gewindeabschnitt 11, an den sich über eine
Schräge 121 ein Deckeldichtungsabschnitt 12 anschließt. Im
Anschluß an den Deckeldichtungsabschnitt ist ein Kammerabschnitt
13 ausgebildet, an den sich ein Dichtungsabschnitt 14
anschließt. Der Dichtungsabschnitt 14 geht über eine Schräge 141
in einen Anschlußgewindeabschnitt 15 über. Ferner sind in dem
Gehäuse 1 quer zu der Durchgangsbohrung Entlüftungsbohrungen 16
und 17 eingebracht, die jeweils mit Gewinden versehen sind.
Ferner hat das Gehäuse 1 auf der anschlußseitigen Stirnfläche
Gewindebohrungen 18, die als Sacklöcher ausgebildet sind.
In Fig. 2 ist ein montiertes Ausführungsbeispiel des
Membrandruckmittlers gezeigt, der auf dem in Fig. 1 gezeigten
Gehäuse 1 basiert. In Fig. 2 ist ein Deckel 2 in das Gehäuse 1
von unten eingesetzt. Ein Deckelgewinde 23 ist mit dem in Fig.
1, gezeigten Deckelgewindeabschnitt 11 in Eingriff. Der Deckel 2
hat eine Anschlußbohrung 22, die mit einem üblichen Gewinde zum
Anschluß an die Prozeßarmaturen versehen ist; es sind aber auch
andere Anschlußformen, wie Kleben, Schweißen oder dergleichen
möglich. Der Deckel 2 hat ferner eine Mehrzahl von Sacklöchern
21, die ein Einschrauben des Deckels mit einem geeigneten
Werkzeug ermöglichen. Der Deckel 2 kann auch mit anderen
geeigneten Mittel zum Einschrauben, z. B. Außensechskant etc.,
versehen sein, jedoch bietet diese Form der Sacklöcher einen
größeren Schutz gegen unbeabsichtigtes Lösen, weil hierzu ein
besonderes Werkzeug (Stiftschlüssel) erforderlich ist. Zudem
kann ein bündiger Abschluß des Deckels 2 mit dem Gehäuse 1
erreicht werden.
Der Deckel 2 ist gegenüber dem Gehäuse 1 mit einem O-Ring 3
abgedichtet, der mit dem Deckeldichtungsabschnitt 12 in Anlage
ist und in einer Aufnahmenut gehalten ist. Der Deckel 2 hat in
seiner dem Gehäuse 1 in Einbaulage zugewandten Stirnseite eine
Ausnehmung 24, die von einem ringförmigen Rand 25 umgeben ist.
Die Ausnehmung 24 bildet die meßstoffseitige Druckaufnahmekammer
und ist mit der Anschlußbohrung 22 verbunden. Mit dem
ringförmigen Rand 25 ist die Doppelmembran 6 fixiert, wobei die
meßstoffseitige Membran unmittelbar und dicht mit dem Deckel 2
in Anlage ist.
Um die Verbindungsstelle zwischen der füllflüssigkeitsseitigen
Membran 6 (Druckabgabeseite) und dem Gehäuse abzudichten, bzw.
um die Membran 3 gegen den ringförmigen Rand zu drücken, ist ein
O-Ring 5 zwischen der Membran 6 und dem Gehäuse 1 vorgesehen.
Der O-Ring 5 ist von dem Rand 25 des Deckels 2 in Axialrichtung
des Deckels 2 beaufschlagt; er ist zwischen der Membran 6 und
dem füllflüssigkeitsseitigen Kammerabschnitt 13 eingespannt.
Dieser O-Ring 5 dichtet die Druckabgabekammer 13
(Füllflüssigkeitsseite) gegenüber dem Entlüftungsraum ab, der
zwischen den O-Ringen 5 und 3 und dem Gehäuse 1 und dem Deckel 2
begrenzt ist.
Der O-Ring 5 ist lediglich der Füllflüssigkeit ausgesetzt, so
daß dessen Material keinen Metallioneneintrag in den Meßstoff
bedingt. Das Material des O-Rings 5 ist jedoch so zu wählen, daß
er gegen die Füllflüssigkeit und in den angestrebten
Temperaturbereichen beständig ist.
Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, sind die Abmessungen des O-Rings
5 und des Kammerabschnitts 13 so gewählt, daß der O-Ring 5 an
die den Kammerabschnitt 13 in Radialrichtung begrenzende Wand
des Gehäuses 1 gedrückt wird. Dadurch ist der Montagevorgang
erleichtert, weil der O-Ring 5 auf diese Weise stets bezüglich
der Membran 6 bzw. des ringförmigen Rands 25 des Deckels 2
passend positioniert ist.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist das Gehäuse 1 mit zwei
Entlüftungsbohrungen 16 und 17 versehen, die sich quer zu der
Durchgangsbohrung in das Gehäuse 1 erstrecken und in der Nähe
des Deckeldichtungsabschnitts 12, zwischen dem O-Ring 3 des
Deckels 2 und dem ringförmigen Rand 25 des Deckels 2 münden.
Die eine Entlüftungsbohrung 17 ist mit einem Entlüftungsstopfen
8 versehen, der in die Bohrung 17 dichtend eingeschraubt ist.
Vorzugsweise erfolgt die Abdichtung im Gewinde selbst, indem ein
Schräggewinde (NPT-Gewinde) verwendet wird. Der Stopfen 8 hat
eine ihn durchgreifende Bohrung 81, die mit einer porösen PTFE-
Membran 82 verschlossen ist. Die PTFE-Membran 82 ist
gasdurchlässig, jedoch flüssigkeitsdicht. Auf diese Weise kann
ein Ausgleich eines Gasdrucks in der Entlüftungskammer durch die
Membran 82 erfolgen, wenn die Temperatur, der der Druckmittler
ausgesetzt ist, erhöht bzw. erniedrigt wird, so daß keine
nachteilige Beeinflussung des Meßergebnisses durch eine
Druckänderung im Gaspolster zwischen den Membranen 6
hervorgerufen wird.
In die andere Entlüftungsbohrung 16 ist ein Sensor 7 ebenfalls
dichtend eingeschraubt (NPT-Gewinde) und ist mit dem
Entlüftungsraum verbunden. Der Sensor 7 ist ein kapazitiver
Sensor, der geringe, in dem Entlüftungsraum vorhandene
Flüssigkeitsmengen erfassen kann, so daß ein Bruch einer der
beiden Membranen über den Austritt von Flüssigkeit durch diesen
Sensor 7 schnell erfaßt werden kann.
In diesem Zusammenhang wird auf die Fig. 3 verwiesen, die einen
vergrößerten Ausschnitt aus der Doppelmembran 6 zeigt. In Fig. 3
ist eine erste Membran 61, die in der in Fig. 2 gezeigten
Einbaulage die meßstoffseitige Membran bildet, und eine zweite
Membran 62 gezeigt, die entsprechend die füllflüssigkeitsseitige
Membran bildet. Um einen dichtenden Anlagekontakt der beiden
Membranen insbesondere an der Einspannstelle der Membranen
zwischen dem O-Ring 5 und dem Rand 25 zu verhindern und dennoch
eine Kraftübertagung auf die meßstoffseitige Membran zu
ermöglichen, ist zwischen den beiden Membranen eine Faserlage 63
eingelegt, so daß der Entlüftungsraum zwischen den Membranen
stets von einem Fluid durchströmbar ist, während eine gute
Druckweiterleitung über die Membranen, d. h. eine exakte
Parallelbewegung der beiden Membranen, aufrechterhalten bleibt.
Die in dem Entlüftungsraum angeordnete Faserlage 63, die ein
Netz, ein Gewebe oder auch ein Vlies sein kann, unterstützt die
bei einem Membranbruch austretende Flüssigkeit darin, zu dem
Sensor 7 zu gelangen. Dadurch ist ein schnelles Ansprechen bei
einem Membranbruch erreicht. Die Fasern der Faserlage 63 sind
üblicherweise aus hochreinem PTFE gemacht, das chemisch inert
ist und hier keinen hohen Festigkeitsanforderungen ausgesetzt
ist.
Die Faserlage 63 unterstützt den Gasaustausch mit der Umgebung
durch den Entlüftungsstopfen 8, weil sie eine dichtende Anlage
bzw. ein Verkleben der Membranen 61, 62 miteinander verhindert.
In Fig. 2 ist ferner eine in den Druckmittler eingesetzte
Druckmeßeinrichtung 10 zu erkennen. Die Druckmeßeinrichtung 10
hat einen Stutzen zum Einsatz in den Druckmittler. Der Stutzen
hat eine Nut zur Aufnahme eines O-Rings 4. Im eingesetzten
Zustand, d. h. ein Gewindeabschnitt 101 der Druckmeßeinrichtung
10 ist in den Anschlußgewindeabschnitt 15 eingeschraubt, liegt
der O-Ring 4 nach Passieren der Schräge 141 an dem
Dichtungsabschnitt 14 des Gehäuses 1 an. Bei dieser Ausbildung
der Dichtung ist die Anpreßkraft des O-Rings 4 durch die
Abmessungen des O-Rings 4 und des Dichtungsabschnitts 14
maßgeblich bestimmt. Natürlich sind auch die Schnurdicke, die
Härte etc. des O-Rings zu berücksichtigen. Wesentlich ist, daß
die Anpreßkraft im vorliegenden Fall nicht von der Axialkraft
abhängig ist, die beim Einschrauben des Gewindeabschnitt 101 der
Druckmeßeinrichtung 10 in den Anschlußgewindeabschnitt 15
erzeugt wird.
Dadurch läßt sich einerseits der Vorteil erreichen, daß die
Langzeitdichtigkeit der Verbindung des Druckmittlers mit der
Druckmeßeinrichtung 10 verbessert ist, weil das bei den
verwendeten Kunststoffmaterialien insbesondere an den Gewinden
mit geringer Materialstärke in den Gewindegängen auftretende
Fließen des Material keinen Einfluß auf die Dichtkraft mehr hat.
Der die Dichtkraft aufnehmende Abschnitt des Gehäuses 1 hat eine
große Materialdicke, so daß das Fließen hier wegen der
geringeren Materialbelastung kaum auftritt. Folglich zeigt die
vorliegende Radialdichtung ein größere Zeitstandsfestigkeit.
Durch die gewählte Radialabdichtung läßt sich noch der
zusätzliche Vorteil erreichen, daß die Druckmeßeinrichtung mit
einer Verdrehsicherung 102 über Bolzen 9 in den Gewindebohrungen
18 verdrehsicher festgelegt werden kann. Durch die
Radialabdichtung ist es möglich, die Druckmeßeinrichtung dicht
einzuschrauben, ohne daß dazu die exakte Winkelstellung der
Druckmesseinrichtung 10 festgelegt ist d. h. es ist kein
Festziehen der Verschraubung erforderlich und folglich ist auch
kein Anzugsdrehmoment vorzugeben.
Ist die Druckmeßeinrichtung 10 eingeschraubt, so kann sie
verdreht werden, bis die Löcher der Verdrehsicherung 102 den
Gewindebohrungen 18 in einer gewünschten Ablesestellung der
Druckmeßeinrichtung gegenüberliegen. Dann werden die Bolzen 9
eingesetzt und die Druckmeßeinrichtung 10 ist gegen
unbeabsichtigtes oder unbefugtes Lösen gesichert. Bei
entsprechender Länge des Dichtungsabschnitts 14, d. h. größer als
die Ganghöhe oder der Hub des Gewindes bei einer Umdrehung, kann
auf diese Weise die Druckmeßeinrichtung über 360° in einer
beliebigen Ablesestellung positioniert werden, wobei dennoch die
Dichtung sichergestellt ist.
Claims (16)
1. Membrandruckmittler mit einem zwischen einem Gehäuse
(1) und einem Deckel (2) ausgebildeten Hohlraum, der von
zwei zueinander parallelen Membranen (6; 61, 62) in einen
Druckaufnahmeraum (24) zur Beaufschlagung mit einem Fluid
mit zu messendem Druck, in einen Entlüftungsraum zwischen
den Membranen (6; 61, 62) und in einen messfluidgefüllten
Druckabgaberaum (13) zur Druckweiterleitung an eine Druck
messeinrichtung (10) unterteilt ist, wobei die Membranen
(6; 61, 62) zwischen dem Gehäuse (1) und dem Deckel (2)
eingespannt sind und die druckaufnahmeseitige Membran (61)
mit dem Deckel (2) unmittelbar in Anlage ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Membranen (6; 61, 62) aus einem Perfluoralkoxy- Copolymer (PFA) bestehen und unter Zwischenschaltung einer Kunststofffasereinlage (63) deckungsgleich profiliert sind,
sich die Kunststofffasereinlage (63) an der Einspann stelle zwischen den Membranen (6; 61, 62) befindet und sich darüber hinaus erstreckt, um den Entlüftungsraum zwischen den Membranen (6; 61, 62) mit dem Entlüftungsraum zwischen dem Gehäuse (1) und dem Deckel (2) zu verbinden,
ein O-Ring (3) zur Abdichtung des Entlüftungsraums zwischen dem Gehäuse (1) und dem Deckel (2) vorgesehen ist, und
das Gehäuse (1) und der Deckel (2) aus einem Fluorpo lymer bestehen.
die Membranen (6; 61, 62) aus einem Perfluoralkoxy- Copolymer (PFA) bestehen und unter Zwischenschaltung einer Kunststofffasereinlage (63) deckungsgleich profiliert sind,
sich die Kunststofffasereinlage (63) an der Einspann stelle zwischen den Membranen (6; 61, 62) befindet und sich darüber hinaus erstreckt, um den Entlüftungsraum zwischen den Membranen (6; 61, 62) mit dem Entlüftungsraum zwischen dem Gehäuse (1) und dem Deckel (2) zu verbinden,
ein O-Ring (3) zur Abdichtung des Entlüftungsraums zwischen dem Gehäuse (1) und dem Deckel (2) vorgesehen ist, und
das Gehäuse (1) und der Deckel (2) aus einem Fluorpo lymer bestehen.
2. Druckmittler nach Anspruch 1 zur Anwendung bei hoch
konzentrierten Säuren oder Reinstwasser in dem Druckaufnah
meraum (24), dadurch gekennzeichnet, dass das Fluorpolymer
für das Gehäuse (1) und den Deckel (2) aus der Gruppe:
Perfluoralkoxy-Copolymer (PFA), Polytetrafluorethylen
(PTFE) und Polyvinylidenfluorid (PVDF) ausgewählt ist.
3. Druckmittler nach Anspruch 1 zur Anwendung bei Anwe
senheit von Basen zur alkalischen Hydrolyse, oder minerali
schen Säuren oder Übergangsmetallsäuren zur säurekatalyti
schen Polymerisation in dem Druckaufnahmeraum (24), dadurch
gekennzeichnet, dass das Fluorpolymer für das Gehäuse (1)
und den Deckel (2) aus der Gruppe: Perfluoralkoxy-Copolymer
(PFA) und hochdichtes Reinst-Polytetrafluorethylen (PTFE)
ausgewählt ist.
4. Druckmittler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dass der O-Ring (3) zur Anwendung bei hochkonzentrierten
Säuren aus mit Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-
Copolymer (FEP) ummanteltem Vlnylidenfluorid-
Hexafluorpropylen-Kautschuk (FKM) besteht.
5. Druckmittler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dass der O-Ring (3) zur Anwendung bei Reinstwasser aus Ma
terial besteht, das aus der Gruppe: mit Tetrafluorethylen-
Hexafluorpropylen-Copolymer (FEP) ummantelter Vinylidenflu
orid-Hexafluorpropylen-Kautschuk (FKM), Tetrafluorethylen-
Perfluormethylvinylether-Copolymer (TFE-PMVE) und Polysili
kon ausgewählt ist.
6. Druckmittler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
dass der O-Ring (3) zur Anwendung bei Anwesenheit von Basen
zur alkalischen Hydrolyse aus Material besteht, das aus der
Gruppe: mit Reinst-Polytetrafluorethylen (PTFE) ummantelter
Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen-Kautschuk (FKM) und Tetrafluorethylen-Perfluormethylvinylether-Copolymer
(TFE-
PMVE) ausgewählt ist.
7. Druckmittler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
dass der O-Ring (3) zur Anwendung bei Anwesenheit von mine
ralischen Säuren oder Übergangsmetallsäuren zur säurekata
lytischen Polymerisation aus Material besteht, das aus der
Gruppe: mit Reinst-Polytetrafluorethylen (PTFE) ummantel
ter Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen-Kautschuk (FKM),
Tetrafluorethylen-Perfluormethylvinylether-Copolymer (TFE-
PMVE) und Polysilikon ausgewählt ist.
8. Druckmittler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Kunststofffasereinlage aus Polytetrafluorethylen
(PTFE) ist.
9. Druckmittler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass das Gehäuse (1) eine das Gehäuse durchgreifende ge
stufte Bohrung hat, die einen Gewindeabschnitt (11) zum
Eingriff mit einem Gewinde (23) an dem Deckel (2), einen
Dichtungsabschnitt (12) für den O-Ring (3), einen Druckab
gabekammerabschnitt (13), einen Durchlass zu der anzuset
zenden Druckmesseinrichtung (10), einen Dichtungsabschnitt
(14) für die Druckmesseinrichtung (10) und einen Befesti
gungsabschnitt (15) für die Druckmesseinrichtung (10) aus
gebildet hat.
10. Druckmittler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der Entlüftungsraum zwischen den Membranen (61, 62)
mit einer Entlüftungsbohrung (17) im Gehäuse (1) verbunden
ist, die von einem Entlüftungsstopfen (8) mit einer Membran
(82) aus Polytetrafluorethylen (PTFE) flüssigkeitsdicht und
gasdurchlässig verschlossen ist.
11. Druckmittler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
dass der Entlüftungsraum zwischen den Membranen (61, 62)
mit einer Leckagebohrung (16) in dem Gehäuse (1) verbunden
ist, in die ein Sensor (7) zur Erfassung von Flüssigkeit
eingesetzt ist, um einen Bruch einer der Membranen (61, 62)
zu erfassen.
12. Druckmittler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
dass der Sensor (7) ein kapazitiver Sensor ist.
13. Druckmittler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsabschnitt (14)
für die Druckmesseinrichtung (10) eine Zylinderfläche mit
einer Schräge (141) ist, die mit einem radial dichtenden O-
Ring (4) an der Druckmesseinrichtung (10) zusammenwirkt.
14. Druckmittler nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch
eine Verdrehsicherung (102), die mit der Druckmesseinrich
tung (10) in Eingriff ist und mittels Bolzen (9) an dem Ge
häuse (1) festgelegt ist.
15. Druckmittler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Druckabgaberaumabschnitt
(13) des Gehäuses (1) zumindest teilweise kongruent mit der
ihm zugewandten Oberflächenform der Membranen (6) ausgebil
det ist.
16. Druckmittler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Profilierung der Membranen
eine sinusförmige konzentrische Wellung ist.
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