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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Be- und Entlüftungsautomat
mit Membrantechnologie insbesondere für die Be- und Entlüftung kleiner
Anlagen und Systeme zum Gas-/Flüssigkeitsausgleich von
Druck-/Temperaturunterschieden zweier Räume, insbesondere für Ventile
von Heizungsanlagen, nach Hauptpatent, Patentanmeldung DE 10 2006
015 263.8. Besondere Ausführungsarten
der Erfindung sind in den abhängigen
Patentansprüchen
beansprucht.
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Entlüftungsautomaten
finden überall
dort Anwendung, wo Medien in geschlossenen Anlagen und Systemen,
Behältern,
Kesseln, Speichern oder Rohrleitungen der Thermik unterliegen und
Druckausgleich stattfinden muß.
Bekannte Anwendungen sind Druckluftanlagen, wasserführende Anlagen,
Kraftstoffsysteme und -behälter,
geschlossene Systeme in der Verkehrstechnik. Häufig sind Be- und Entlüftungsventile
für flüssige Stoffe
als Schwimmerventile mit Verschlußmechanismus ausgeprägt.
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In
der mehr spezifischen Anwendung der Warm-Brauchwasser- und Heizungsanlage übernehmen
die Be- und Entlüftungsautomaten
im wesentlichen drei Funktionen/Betriebsarten
- – Standhalten
der Druckprüfung
bis ca. 10 bar
- – Helfen
beim Befüll-
und Entleerungsvorgang, ca. 3 bar
- – Sicherstellen
der Automatikentlüftung,
ca. 3 bar.
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Die
Membrantechnik ist noch eine junge Technologie, unterliegt aber
wegen nahezu unbegrenzter Einsatzmöglichkeiten permanenter Erneuerung.
Der Einsatz von Membranen findet statt in unterschiedlichsten Disziplinen
der Technik, wie Medizin/Dialyse, Getränkeindustrie/Filterung und
Alkoholentzug, Brauchwasser/Reinigung und Filtration, Verkehrstechnik/Hohlraumentlüftung, etc.
Membrane werden als semipermeable Folien hergestellt und ihr Einsatzzweck
wird durch verschiedene Produktparameter bestimmt; sie halten hohen
Flüssigkeitsdrücken stand,
sind aber durchlässig
für gasförmige Medien.
Der Membranwerkstoff ist aus Kunststoff, wie z.B. Polytetrafluorethylen
(PTFE) oder Polypropylen (PP), ist oleophobisch und/oder hydrophobisch,
in weiten Bereichen chemisch kompatibel, sterilisationsgeeignet,
nicht benetzbar bei kleinsten Oberflächenspannungen.
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Gemäß der Hauptanmeldung
DE 10 2006 015 263.8 wird der Stand der Technik bezogen auf Be-
und Entlüftungsventile
der eingangs beschriebenen Art gewürdigt. Gemäß dem Stand der Technik sind,
je nach Anwendungsbezug, eine Vielzahl von Typen von Be- und Entlüftungsventilen
bekannt. Be- und Entlüftungen
für Hydraulik-Anlagen und Brennstofftanks
wurden im wesentlichen nicht berücksichtigt.
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Alle
vorgestellten Veröffentlichungen
eignen sich nur bedingt oder gar nicht als einfaches Be- und Entlüftungsventil
mit Membran für
die vorgesehene Applikation.
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Die
Hauptanmeldung DE 10 2006 015 263.8 offenbart ein Be- und Entlüftungsventil
einfacher Bauart mit semipermeabler Membran, welches die Funktionen/Betriebsarten
Druckprüfen,
Befüllen
und Entleeren und Automatikentlüften
erfüllt.
Das Ventil besteht im wesentlichen aus einer zylinderförmigen Anordnung
und kommt ohne bewegliche Teile aus. Das Membranelement stellt das
Bindeglied zwischen dem flüssigkeitsgefüllten Innenraum – der Heizungsanlage – und dem
Außenraum
dar, wobei sich im Innenraum aufgrund wechselnder Temperaturen und/oder
Drücke
Gase bilden können,
die die Wirkungsweise und den Betrieb der Anlage negativ beeinflussen.
Semipermeable Membranen halten je nach Aufbau Flüssigkeiten zurück – oder sind
für diese
undurchlässig – und lassen
gasförmige
Medien entweichen.
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Der
Nachteil des obigen Be- und Entlüftungsventils
einfacher Bauart mit semipermeabler Membran und ohne bewegliche
Teile ergibt sich beim Schnellentlüften während des Befüllens oder
des Be- und Entlüftens
während
des Entleerens. Zu diesem Zweck wird das einfache Be- und Entlüftungsventil aus
seinem Ventilsitz soweit gelöst,
bis die zuvor gedichtete Durchgangsbohrung im Anschluß-Gewindezapfen
aussen sichtbar wird und die Gase entweichen können bzw. Luft angesaugt werden
kann. Jedoch wird nachfolgendes Wasser nicht zurückgehalten und dessen Austritt
kann nur durch manuelles Verschließen verhindert werden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen
Be- und Entlüftungsautomat
zum Gas-/Flüssigkeitsausgleich
von Druck-/Temperaturunterschieden zwischen dem Innenraum einer
Anlage – insbesondere
einer Heizungsanlage – und
einem Außenbereich
zu schaffen, der vielseitig einsetzbar ist, konstruktiv frei gestaltbar, fertigungstechnisch
möglichst
einfach herstellbar ist und eine hohe Betriebssicherheit gewährleistet.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Be- und Entlüftungsautomat
der eingangs genannten Art mit den in Anspruch 1 gegebenen Merkmalen
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen zeigen die Figuren und nehmen die Unteransprüche Bezug.
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Der
Be- und Entlüftungsautomat
verfügt – im Unterschied
zum einfachen, ohne bewegliche Teile auskommenden Be- und Entlüftungsventil – über eine
zusätzliche
Schwimmerventil-Einrichtung. Die Durchgangsbohrung im Gewindezapfen
des Be- und Entlüftungsventils
wird im Be- und Entlüftungsautomaten
nach oberhalb der Schwimmerventil-Einrichtung verlagert und kann
durch Drehen der Verschlußkappe
des Entlüftungsautomaten
geöffnet
oder verschlossen werden. Ein in der Verschluß kappe befestigter, durch
die Membran hindurch tretender – diese jedoch
dicht schließender – Führungsstift
wirkt ebenfalls durch die Drehbewegung auf den Schwimmer des im
Unterteil des Automaten angebrachten Schwimmerventils.
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Die
detaillierte Funktionsweise des Be- und Entlüftungsautomaten wird anhand
der Figuren ausführlich
erläutert.
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Der
Be- und Entlüftungsautomat
kann als Durchgangs- oder als Eckventil ausgeprägt sein. Weiterhin sind die
Ausführungsformen
mit Flachmembran/Membranscheibe oder Rohrmembran oder einer anders
geformten, mehrdimensionalen Membran möglich.
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Die
geometrischen Bauformen von Membranen – eben oder räumlich – können vielfältig sein.
Die Druckprüfung
setzt stabile mechanische Verhältnisse voraus;
daher wird vorgeschlagen, den Be- und Entlüftungsautomaten bei höhen Drücken vorzugsweise mit
einer Rohrmembran auszustatten. Diese Membran hat die Bauform eines
Hohlzylinders, der um der Stabilität willen, zusätzlich mit
einer porösen
Beschichtung oder Befüllung
ausrüstet
werden kann. Gasförmiges
Medium wird also durch die Seitenwandung der Rohrmembran – ggfs.
auch durch poröse Beschichtungen – geführt und über den – ggfs.
auch gefüllten – Innenzylinder
in den Außenraum
geleitet.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen – neben der Vermeidung von
Ansammlungen gasförmiger
Medien in flüssigkeitsbeinhaltenden
Behältnissen – in der
Einfachheit der Konstruktion, in den minimalen räumlichen und gewichtsmäßigen Abmessungen
und in der Handhabbarkeit der Montage und der Installation des Bauteils,
einschließlich
Wartung.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
des Erfindungsgegenstands sind in den Figuren dargestellt und werden
im folgenden näher
erläutert;
dabei werden weitere erfindungsgemäße Merkmale offenbart. Es zeigen
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1 Be-
und Entlüftungsautomat
als Durchgangsventil in Drauf-, Seiten- und perspektivischer Ansicht
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2 Be-
und Entlüftungsautomat
als Durchgangsventil mit Membranscheibe, zerlegt, in Seiten- und
perspektivischer Ansicht
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3 Be-
und Entlüftungsautomat
als Durchgangsventil mit Membranscheibe, teilgeschnitten, in Seiten-
und perspektivischer Ansicht, im Zustand Normalbetrieb
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4 Be-
und Entlüftungsautomat
als Eckventil in Drauf-, Seiten- und perspektivischer Ansicht
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5 Be-
und Entlüftungsautomat
als Eckventil mit Membranscheibe, zerlegt, in Seiten- und perspektivischer
Ansicht
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6 Be-
und Entlüftungsautomat
als Eckventil mit Membranscheibe, teilgeschnitten, in Seiten- und
perspektivischer Ansicht, im Zustand Normalbetrieb
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7 Funktionsweise
des Be- und Entlüftungsautomaten
als Eckventil mit Membranscheibe, hälftig, in Schnittdarstellung.
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Gleiche
und gleichwirkende Bestandteile der Ausführungsbeispiele sind in den
Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die
Beschreibung der erfindungsgemäßen Einrichtung
und seiner Funktionsweise wird fortgesetzt anhand der Erläuterungen
der Figuren.
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Wie
aus 1 ersichtlich, besteht der Be- und Entlüftungsautomat
als Durchgangsventil aus im wesentlichen aus drei Teilen, dem Oberteil 1,
dem Mittelteilen 2 und 4 und dem Unterteil 3 bzw. 5.
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2 zeigt
den Be- und Entlüftungsautomat als
Durchgangventil mit Membranscheibe, zerlegt, in Seiten- und perspektivischer
Ansicht.
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Das
Oberteil bildet eine mit Durchbrüchen und
Außengewinde
versehene Schraubkappe 11, die auch die Verbindung zum
Außenraum
herstellt. Aufnahmen 12 ermöglichen eine Positionierung
für die Membranhalterung,
bestehend aus Führungsstift 13 mit
Dicht- und Federring 14.
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Das
Mittelteil setzt sich aus einem Sandwich bestehend aus einem Trag-
und Führungsteil 26,
einer Membranscheibe 25 und wiederum einem Trag- und Führungsteil 26 zusammen;
die Teile können auch
als Baugruppe vorkonfektioniert sein. Die Baugruppe kann auch zum
Unterteil hin mit einem Dichtring 24 abgeschlossen werden.
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Bei
Anwendung der Rohrmembran kommt ein Sandwich bestehend aus Lochscheibe 21,
Rohrmembran 22 und Aufnahmering 23 zur Anwendung (nicht
dargestellt).
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Die
sich anschließende
Schwimmerbaugruppe 4 besteht aus dem Schwimmerventilkörper 41 und dem
Schwimmer 42.
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Das
Unterteil, Anschlußstopfen 31,
bildet mit seinem Außengewinde 34 den
Anschluß zum
Behältnis,
z.B. einem Heizkörper,
hat ein Innengewinde 35 zur Aufnahme des Oberteils 1 und
eine Innenaufnahme für
die Membranbaugruppe 2. Die Membranbaugruppe muß in dem
Unterteil dichtend gefügt
sein und wird mittels der Schraubkappe verpreßt und kann mittels Drehbewegung
an der Schraubkappe über
den Führungsstift
mit Dicht- und Federring geführt
werden. Die Durchgangsbohrung 32 dient der Schnellentlüftung. Das
Unterteil ist weiterhin Träger eines
O-Rings 33 zwecks Abdichtung zum Behältnis hin. Der Anschlußstopfen
ist mit einem Sechskant versehen, alternativ ist auch ein an zwei
Seiten abgeflachter Zylinder zur Aufnahme des Schraubschlüssels oder
eine optisch ansprechendere Rändelung möglich.
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Der
Weg entweichender Gase – in
der Betriebsart Automatikentlüften – aus dem
Behältnis
gestaltet sich wie folgt: Behältnis – Unterteil,
innen – Schwimmerventilkörper – Schwimmer – Führungsstift mit
Dicht- und Federring – Trag-
und Führungsteil – Membranscheibe – Trag-
und Führungsteil – Schraubkappe,
Durchbrüche.
Entsprechendes gilt bei Ausstattung mit einer Rohrmembran.
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Gemäß des zu
erwartenden Durchflusses sind die betreffenden Teile zu dimensionieren.
Die Membranbaugruppe ist weiterhin so zu gestalten, daß sie der
vorgegebenen Druckprüfung
der Anlage standhält.
Die Membranscheibe erhält
unterstützende
Trag- und Führungsteile.
Weiterhin ist es ebenfalls möglich,
die Membranscheibe zwecks Festigung mit einer weiteren hydrophoben
porösen
Schicht zu umspritzen, wie z.B. mit hydrophobem porösem Polystyrol.
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In
der Betriebsart Befüllen
und Entleeren wird die Membranbaugruppe soweit aus dem Unterteil
gelöst,
bis die im Anschlußstopfen
sichtbare Durchgangsbohrung als Schnellbe- und -entlüftung wirkt.
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In 3,
Be- und Entlüftungsautomat
mit Membranscheibe, teilgeschnitten, in Seitenansicht, läßt den Zusammenbau
der Einzelteile und Baugruppen deutlich werden. In der perspektivischen
Darstellung wird der Sitz der Membranbaugruppe hervorgehoben. Außerdem macht
die Darstellung des Teilschnitts das Wirkprinzip der Schwimmerbaugruppe deutlich
(wird in einer späteren
Figur vertieft). Darüber
hinaus läßt sich
hier sehr gut der Verlauf der Strömungslinien ausmachen.
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Wie
oben dargestellt, enthält
die Schraubkappe eine Aufnahme für
die Halterung des Führungsstifts
mit einem Dicht- und Federring für
die Membranbaugruppe; dabei wird dasselbe oberhalb des Dicht- und
Federrings positioniert. Neben der Führung und Positionierung der
Membranbaugruppe bringt diese Anordnung Vorteile bei Wechseleinsätzen der
Baugruppe bei Wartungsaufgaben.
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4 zeigt
den Be- und Entlüftungsautomat in
Eckventilausführung
in Drauf-, Seiten- und perspektivischer Ansicht, wobei die Baugruppe
Oberteil Schraubkappe 11 ein Wiederverwendungsteil darstellt.
Das Unterteil dieser Ausführung
besteht aus dem Anschlußstopfen 51,
der in seinem Hohlraum das Innengewinde 55 trägt, eine
Durchgangsbohrung 52 für
die Schnellentlüftung
besitzt und einen Anschlußzapfen
mit Außengewinde 54 hat,
versehen mit einem O-Ring 53. Der Außenraum, z.B. ein Heizkörper, ist über die
Anschlußbohrung 56 mit
dem Automaten verbunden.
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Den
Be- und Entlüftungsautomat
als Eckventil mit Membranscheibe, zerlegt, in Seiten- und perspektivischer
Ansicht zeigt 5. Der Aufbau von Schraubkappe,
Membran- und Schwimmerbaugruppe entspricht der Darstellung und Beschreibung
des Automaten als Durchgangsventil.
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6 zeigt
den Be- und Entlüftungsautomat in
Eckventilausführung
mit Membranscheibe, teilgeschnitten, in Seiten- und perspektivischer
Ansicht. Diese Darstellungen lassen den Aufbau und die Wirkungsweise
des Automaten deutlich werden. Auch wird in der Perspektive die
Einzelheit Membranbaugruppe, Positionierung und Füh rung derselben,
deutlich sichtbar. Die Arbeitsweise der Schwimmerbaugruppe kann
ebenfalls deutlich nachvollzogen werden. Der Verlauf des Strömungsfeldes
ist hier verdeutlichend dargestellt.
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Der
Weg entweichender Gase – in
der Betriebsart Automatikentlüften – aus dem
Behältnis
entspricht der Darstellung Be- und Entlüftungsautomat in Durchgangsventil-Ausführung. Entsprechendes gilt
bei Ausstattung mit einer Rohrmembran.
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Gemäß des zu
erwartenden Durchflusses sind die betreffenden Teile zu dimensionieren.
Die Membranbaugruppe ist weiterhin so zu gestalten, daß sie der
vorgegebenen Druckprüfung
der Anlage standhält.
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7 beschreibt
die Funktionsweise des Be- und Entlüftungsautomaten als Eckventil
mit Membranscheibe, hälftig,
in Schnittdarstellung; drei unterschiedliche Betriebszustände, Bild
1 ... 3, sind dargestellt.
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Bild
1 zeigt den Betriebszustand 'Entlüftung':
Schwimmerventil
geöffnet
und Schnellentlüftung
geöffnet.
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In
diesem Zustand ist die Schraubkappe nach oben herausgedreht, wodurch
die Durchgangsbohrung für
die Schnellentlüftung
durch die ebenfalls nach oben – mittels
des Führungsstifts
mit Dicht- und Federring – verfahrene
Membranbaugruppe freigegeben ist. Weiterhin ist auch der Schwimmer
der Schwimmerbaugruppe entlastet; der Schwimmer liegt schwerkraftbedingt
unten im Schwimmerventilkörper
auf. Angesammelte Gase können
aus dem Behältnis
entweichen.
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Bild
2 macht ebenfalls den Betriebszustand 'Entlüftung' – jedoch nach erfolgter Entgasung – deutlich:
Schwimmerventil
geschlossen und Schnellentlüftung geöffnet.
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Durch
den Wasserdruck von Innen wird der Schwimmer dichtend gegen die
Oberkante des Schwimmerventilkörpers
gedrückt.
Die Durchgangsbohrung der Schnellentlüftung liegt zwar noch offen vor,
jedoch ist in diesem Zustand weder ein Gasnoch ein Wasseraustritt
aus dem Behältnis
möglich.
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Bild
3 zeigt den Zustand 'Normalbetrieb':
Schwimmerventil
geöffnet
und Schnellentlüftung
geschlossen.
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In
dieser Betriebsart ist die Schraubkappe fest eingedreht, wodurch
- – einerseits
die Membranbaugruppe die Durchgangsbohrung der Schnellentlüftung über den Führungsstift
mit Dicht- und Federring dichtend verschließt und
- – anderseits
der Schwimmer der Schwimmerbaugruppe über den Führungsstift so nach unten gedrückt wird,
daß das
Schwimmerventil geöffnet ist,
der Wasserdruck des Behältnisses
auf der Membranbaugruppe ruht und in der Flüssigkeit enthaltene Gase über die
Membranscheibe bzw. Rohrmembran entweichen.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Be-
und Entlüftungsautomat
sich an den Normreihen derartiger Bauelemente orientiert. Das vorgesehene
metrische Norm-Gewinde kann aus Gründen der Verwendung als Ersatz-/Ergänzungsbauteil
auch ein nichtmetrisches Gewinde sein.
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Eine
weitere Ausprägungsform
der erfinderischen Neuheit ist dadurch gegeben, daß die Schraubkappe
zur Rastkappe wird, in dem das Schraubgewinde durch Rastnasen ersetzt
wird – mit entsprechenden
Vorkehrungen im Unterteil – und
die Dichtung über
einen weiteren Dichtring erfolgt.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung, weist das semipermeable Membranventil unterschiedliche
Porosität/Durchgangszahlen
auf und ist damit für
unterschiedliche Stoffe wirksam.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausprägung
der Erfindung ist dadurch gegeben, daß der Be- und Entlüftungsautomat
hinsichtlich seiner Montage keiner Lageeinbauvorschrift unterliegt.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Be- und Entlüftungsautomat
mit Membranbaugruppe kostengünstig
in Serie hergestellt werden; Einzelteile oder Baugruppen des Automaten
sind innerhalb der Typisierung wiederverwendungsfähig.
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Eine
Außenummantelung
und/oder eine Innenfüllung
der Scheiben-/Rohrmembran mit einem hydrophoben porösen Material,
wie z.B. Polystyrol, erhöht
die Druckfestigkeit des Membranaufbaus und verhindert Feuchtigkeitsansammlungen.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die
zahlreichen Möglichkeiten
und Vorteile der Ausgestaltung der Erfindung spiegeln sich in der
Anzahl der Schutzrechtsansprüche
wider.
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- 1
- Oberteil
- 11
- Schraubkappe
- 12
- Aufnahme
- 13
- Führungsstift
- 14
- Dicht-
und Federring
- 15
- Außengewinde
- 2
- Mittelteil/Membranbaugruppe
- 21
- Lochscheibe
(nicht dargestellt)
- 22
- Rohrmembran
(nicht dargestellt)
- 23
- Aufnahmering
(nicht dargestellt)
- 24
- Dichtring
(nicht dargestellt)
- 25
- Membranscheibe
- 26
- Trag-
und Führungsteil
- 3
- Unterteil
Durchgangsventil
- 31
- Anschlußstopfen
- 32
- Durchgangsbohrung
- 33
- O-Ring
- 34
- Außengewinde
- 35
- Innengewinde
- 4
- Mittelteil/Schwimmerbaugruppe
- 41
- Schwimmerventilkörper
- 42
- Schwimmer
- 5
- Unterteil
Eckventil
- 51
- Anschlußstopfen
- 52
- Durchgangsbohrung
- 53
- O-Ring
- 54
- Außengewinde
- 55
- Innengewinde
- 56
- Anschlußbohrung