DE2821167C3

DE2821167C3 - Membran zum Getrennthalten zweier benachbarter Räume

Info

Publication number: DE2821167C3
Application number: DE2821167A
Authority: DE
Inventors: Lothar Dipl.-Kfm. Dipl.- Hdl. Dr. 5030 Huerth Wurzer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-05-13
Filing date: 1978-05-13
Publication date: 1981-01-15
Also published as: ZA792132B; SU1179943A3; DE2821167B2; BE876190A; DE2821167A1; JPS552879A

Description

Membranen finden bekanntlich vielfache Anwendungen. Beim Kinsatz als Regelmembranen verwandeln sie den Stelldruck eires Steuermediums in eine Stangenkraft /ur Betätigung eines Schalt-, Regel oder Anzeigegerätes. Pumpenmembranen haben umgekehrt die Au'gabe. eine Stangenkraft in einen Flüssigkeitsdruck umzuwandeln. In Drückspeichern und Druckaus* gieichsgefäßen schließlich sollen elastische Trennmembranen eine Volurnenänderung zwischen zwei nahezu druckgleichen Räumen bei möglichst geringem Eigenwiderstand ermöglichen. Schließlich sind Membranen Bestandteile von Absperrarmaturen, z. B. Membranventilen Und Meffibrärischiebern. Jeder Anwendungsfall

stellt an die einzusetzende Membran spezifische Anforderungen — an die Form, die Festigkeit, die Flexibilität und den möglichen Hub.

Bei den bisher bekannten Membranen treten bei einem Arbeitshub erhebliche Formänderungen ein, die den Membranwerkstoff stark beanspruchen. Auch ist es bekannt, durch unterschiedliche Formgebung der Membran, z. B. Platten-, Sicken-, Teller- oder Hutform, die besonders schädliche Verformung durch Walken so gering wie möglich zu halten, um eine möglichst hohe Gebrauchsdauer zu erreichen. Diese in ihrer Grundform mehr oder weniger flachen Membranen lassen im allgemeinen nur einen sehr beschränkten Hub zu. Bei großen Hüben würde der Werkstoff gedehnt und dadurch zusätzlich beansprucht. Rollmembranen gestatten demgegenüber einen großen Hub, der Membrandikke und der Festigkeit des verwendbaren Werkstoffes sind jedoch wegen der starken Formänderungen Grenzen gesetzt.

Andere Membrankonstruktionen weisen eine verhältnismäßig große Dicke auf und zeigen im Querschnitt einen nach einer Richtung hin verlaufenden mehr oder weniger gekrümmten Bogenverlauf. Sie sind derart zwischen Gehäuseteilen eingespannt, daß zwischen der äußeren und der mittleren Einspannstelle in der obersten und untersten Eckstellung der bogenförmige Verlauf erhalten b'eibt. Sie leiden aöer unter dem Nachteil, daß zur Vermeidung eines Umschlagens nur ein geringer Hub ausgenutzt werden kann.

Alle bisherigen Membranen, die einen bogenförmigen Querschnitt eines Teils der Membranringfläche oder der gesamten Membranringfläche zwischen äußerer und mittlerer Einspannstelle aufweisen, beschränken den Bewegungsablauf auf diesen Membranbereich; die Mitte der Membran kann nicht an der Formänderung teilnehmen, da sie starr und zur festen Verbindung der Verstellelemente /ur Steuerung der Membran bestimmt ist. Von der gesamten Membranfläche wird also nur ein Teil, ein kreisringförmiger Abschnitt, für den Bewegungsablauf genutzt.

Die Erfindung betrifft eine Membran zum Getrennt halten zweier benachbarter Räume gleichen oder verschiedenen Druckes aus biegeelastischem Material von bleibender, definierter Grundform mit oder ohne Gewebeein- ode^r auflage, deren flanschartiger Rand zwischen zwei G^iäuseteilen eingespannt ist, wobei der unmittelbar sich daran anschließende Abschnitt an der zum Einspannrand gerichteten Seite in allen Stellungen der Bewegung ein umlaufendes Ringgewölbe bildet.

Eine Membran der vorbeschriebenen Ausbildung ist durch die DEAS 25 10 428 bekannt. Diese beinhaltet ein Absperrventil mit geradlinig durchflossenem und r.:it einem schräg zur Strömungsrichtung angeordneten, den Ventilsitz aufweisenden Ventilgehäuse mit einer zwischen Gehäuseunter- und -oberteil eingespannten, in ihrem mittleren Bereich als gleichfalls schrägliegendes, von der Offen- in die Schließstellung klappenartig schwenkbares Ventilverschlußstiick ausgebildeten Membran und mit einer schräg zur Strömungsrichtung angeordneten, mil der Mitte des Ventilverschliißstücke» gelenkig verbundenen Ventilspindel. Dabei hat die Merrmran zwischen ihrem eingespannten Rand und dem Ventilverschlüßstück eine in der Offenstjllung und Schließstellung vom Ventilsitz her gesehen rinnenförmige, konkave Wölbung. Dieso für" ein Absperrventil besonderer Ausbildung geschaffene Membran ist im Querschnitt oder in Oberansicht gesehen nicht symmetrisch, weil das Verschlußstück zur Einsoannebene

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schräg angeordnet ist und sich die Bogenlänge der Wölbung der Membran in Strömungsrichtung gesehen von dem einen Ende der Membran zum anderen stetig verkleinert.

Durch die US-PS 32 07 472 ist es bei einer Membran in einem Ventil für einen Zapfhahn bekannt, daß der flanschartige Einspannrand der Membran nach innen eingezogen und zwischen dem Deckel und dem metallischen Teil des Verschlußstückes eingespannt ist

Die vorliegende Erfindung geht von der Aufgabe aus, ι ο eine Membran zu schaffen, die bei einheitlicher Grundform vielfältige Anwendungen zuläßt, bei ihrer Bewegung nur geringen Formänderungen bei Wegfall fremder Bauteile und Abstützungsorgane unterliegt und im Verhältnis zu ihrem Durchmesser und ihrer Oberfläche einen großen, jeweils nach ihrer Verwendung modifizierten Hub ermöglicht. Insbesondere soll sie zuvn Abdichten von unter hohem Differenzdruck stehenden Medien geeignet und die Druckseite beliebig wählbar sein. Darüber hinaus sollen die die Elastizität und die Festigkeit der Membran herabsetzenden oder die Größe des Membranarbeitsbei eiches re'- jzierenden Durchbrüche für die Verstellelemente zur Steuerung vermieden werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Membran zum Getrennthalten zweier benachbarter Räume gleichen oder verschiedenen Druckes aus biegeelastiichem Material von bleibender, definierter Grundform mit oder ohne Gewebeein- oder -auflage, deren flanschartiger Rand zwischen zwei Gehäuseteilen 3<> eingespannt ist, wobei der unmittelbar sich daran anschließende Abschnitt an der zum Einspannranci gerichteten Seite in allen Stellungen der Bewegung ein umlaufendes Ringgewölbe bildet, erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß bei zunehmender Wanddicke der Ji Membran in Richtung vom Einspannrand zu dessen Mitte hin jeweils das Ringgewölbe der Membranunter leite und die konvexe Wölbung der Membranoberseite im mittleren Bereich der Membran in eine Umkehrkurve übergebt. ■">

Eine Membran mit diesen Merkmalen ist vielseitig anwendbar. So kann sie angewendet werden als Stabilisator zum Heben, Dämpfen oder Drücken. Auch ist sie anwendbar als Membran in einem Regelantrieb oder als Membran in einem Absperrventil. ⁴^

Eine Membran mit den erfindunk>gemäßen Merkma len hat folgende Eigenschaften:

1. Bei großem Hubvermögen hat sie bei ihrer Bewegung nur geringe Änderungen ihrer Raumform, so daß keine Abbiegungen oder Walkungen auftreten:

2. bei einer Beaufschlagung von oben werden die auf der Membran ruhenden Steuerdruckkräfte aufgrund der Gewölbeform zu einer außen ringförmig _w angreifenden Reaktionskraft und in der Mitte der Membran zu einer punktförmig wirkenden Reak tionskraft, so daß bei der Anwendung in einem Regelantrieb oder in einem Absperrventil cm geringfügig größerer Steuerdruck bereils ausreicht. _ho um im Bereich der Membranmitte die notwendigen höheren Druck- und Dichtkräfte zu erzeugen;

3. die Membran ist bei unmittelbarer pneumatischer oder hydraulischer Beaufschlagung auf ihrer gesamten Oberfläche gleichmäßig beaufschlagt, so daß dadurch die spezifische Beanspruchung pro Flächeneinheit ihr Minimum erreicht und somit eine örtlich starke Belastung wie bei Membranen mit in der Mitte angreifenden Verstelleinrichtungen vermieden wird;

4. die Membran ist bei einer eingeleiteten Stelluugsänderung auf ihrer gesamten Oberfläche abgestützt;

5. bei Anwendung einer Flüssigkeit zur Betätigung der Membran tritt bei Wegfall eines Gegendruckes keine weitere oder zusätzliche Beanspruchung des Membranwerkstoffes auf;

6. der Membranwerkstotf, z. B. Gummi, wird unter Betriebsbeanspruchung in keiner Phase mehr auf Zug, sondern ausschließlich auf Druck beansprucht und somit auf die günstigste und schonenste Weise für ein Elastomer überhaupt;

7. es tritt keine Reibung zwischen Membran und Gehäuse auf, wodurch eine mechanische Zerstörung vermieden wird;

8. die Membran ist wegen der Gewölbewirkung ihrer Bögen geeignet, großem Druck ohne Formänderung standzuhalten;

9. ein F csiigkeitsabiaii des verwendeten Membranwerkstoffes bei höheren Temperaturen wegen der benötigten geringen Druckdifferenz zwischen Steuer- und Betriebsmedium macht sich nicht oder r cht störend bemerkbar,

10. die Membran übernimmt selbst die Führung und Positionierung des Verschlußstückes bzw. der Membranmitte und nicht eine auf der vom Ventils'tz gesehen abgewandten Membranseite liegende besondere bei bisherigen Membranventilen notwendige Führungseinrichtung;

11. bei einer Beaufschlagung der Membran durch eine inerte Hydraulikflüssigkeit ist gleichzeitig ein hochgradiger Alterungsschutz, zum Beispiel gegen atmosphärische Oxydation oder die unter Ozoneinwirkung unter statischer oder dynamischer Beanspruchung verursachte Rißbildung gegeben. Bekanntlich schreitet eine durch Alterung bedingte Zerstörung bei Membranen in Absperrarmaturen regelmäßig von außen nach innen voran, also zum Betriebsmedium hin. Dieser durch die erfindungsgemäße Anwendung der Membran erreichte Alterungsschutz ist auch deshalb von besonderer Bedeutung, weil dem Kautschuk beigefügte Alterungsschutzmittel lediglich unter statischer Beanspruchung, nicht aber unter dynamischer dem Gummi einen Schutz gewähren.

In weiterer ertindungsgemäßer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, daß im Querschnitt gesehen die bogenförmigen konvexen Wölbungskurven des Ringgewölbes sich in der Mitte der Membran schneiden. Durch diesen Vorschlag besteht die gesamte Membranoberseite aus dem Ringgewölbe. Darunter ist aber auch zu verstehen, daß sich die Kurven in Verlängerung der gewölbten Membranoberseite schneiden können und in mittleren Bereich eine konvexe Abrundung geringer Flächenbemessung vorhanden ist. Dazu wird in weiterer erfindunjsgemäP.T Ausgestaltung vorgeschlagen, daß an der Membranoberseite die konvexe Fläche des Ringgewölbes mehr als etwa 70%, insbesondere mehr als 90% der gesamten Membranobersfcite ausmacht Durch diese Maßgabe werden die weiteren Vorteile erreicht:

12. Die Membran hat bei gegebenem Durchmesser in all ihren Stellungen unter Beibehaltung der Gewölbeform wegen der größtmöglichen Auslegung der Membranbögen einen großen Hub, der

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nur zu einer sehr geringen Verformung oder Änderung der Raumform führt;

13. der Hub ist im Membranzentrum am größten und nimmt nach außen hin ständig ab. Arn Hub ist somit die gesamte Membranfläche beteiligt, aber jeder Punkt, der auf einem anderen konzentrisch um den Mittelpunkt der Membran beschriebenen Kreispunkt liegt, nach außen hin mit einem kleineren Weg. Die Membran verdrängt somit bei einem Arbeitshub nur ein verhältnismäßig kleines Volumen, das also auch nur zu einem gleich großen kleinen Verbrauchsvolurhen an Steuer- oder Arbeitsmedium führt. In dem Anwendungsfall eines Pneumatikantriebes wird daher weniger Luft verbraucht als bei einem Antrieb bei gleichem Hub. bei dem in bisheriger Weise ein zylindrischer Raum bei einem Arbeitshub gefüllt werden muß.

Die erfindungsgemäße Lösung ist besonders vorteilhaft angewendet als Ventil, bei dem die Membran durch eine Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt wird. Bei diesem Ventil arbeitet ein Verdrängerkolben gegen den oberhalb der Membran liegenden mit einer Flüssigkeit gefüllten Raum. Wegen des zur Mitte der Membran immer größer werdenden Bogenschubes wird bereits durch eine verhältnismäßig kleine Volumenverdrängung ein großer Hub erreicht. Auch sind die benötigten Betätigungskräfte äußerst gering, da die Fläche von Verdrängerkolben und Membran in einem Untersetzungsverhältnis stehen.

Die bereits erwähnten Vorteile der unmittelbaren druckbeaufschlagten Membran können nunmehr erstmals bei einem Membranventil genutzt werden. Die üblicherweise mehr oder weniger großen punktuell angreifenden Betätigungskräfte werden ersetzt durch eine über die gesamte Membranfläche sich verteilende Kraft mit pro Flächeneinheil minimaler Beanspruchung; in jeder Betätigungsphase treten im Membranwerkstoff ausschließlich Druckspannungen auf — keine Zugspannungen mehr; durch den zur Mitte hin wirksam werdenden Bogenschub werden alle auf der Membranfläche angreifenden Kräfte, je nach Angriffspunkt, ganz oder teilweise für die Schließbewegung und die erforderlichpn nirhtträftp aiicoronij*^;; «j;>E Membran ventil eignet sich als Hochdruckventil, da die Membran ständig auf ihrer gesamten Fläche durch die Hydraulikflüssigkeit abgestützt ist und die Membran aufgrund ihrer Gewölbeform immer so stabil ist, um die Dichtkräfte übertragen zu können.

In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung beginnen die inneren und äußeren Begrenzungskurven des Ringgewölbes vom äußeien Rand aus mit einem steilen (mehr als 45° betragenden) Winkel.

In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung ist die gesamte Oberseite der Membran als Arbeitsfläche ausgebildet. Sie ist frei von mit der Membran verbundenen Betätigungseinrichtungen oder Teilen davon. Dadurch nimmt die gesamte Oberseite der Membran an der Formänderung teil, so daß sich die Wölbung wirkungsgemäßig unbehindert bis zur Mitte der Membran erstreckt und auch zur Betätigung der Membran im mittleren Bereich der Membran wirksam wird.

Um eine zusätzliche Verringerung der Verformung der Membran bei ihrer Betätigung zu erreichen, aber auch um diese mit einem kleinen Außendurchmesser durchführen zu können, ferner, um die Membran in Verbindung mit einer hydraulischen Betätigung zwischen Gehäuseoberteil und Gehäuseunterteil verbessert einspannen und abdichten zu können, wird in weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung vorgeschlagen, daß der flanschaftige Einspannrand nach innen eingezogen ist und zusätzlich um ein geringes Maß f<ach außen vorsteht.

Bei einer⁴ Membran, die als Ventil zwischen einem vom Medium durchströmten Gehäüseuritefteil und einem die Ventilbetätigung aufnehmenden Gehäuseoberteil eingespannt ist, wird in weiterer erfihdurigsgema'ßer Ausgestaltung vorgeschlagen, daß zwischen der Membranseite und der Innenfläche des Gehäuseoberteils ein mit einem Druckmittel gefüllter Raum vorhanden ist, das die Membran unmittelbar betätigt. Bei diesem Druckmittel kann es sich um Druckluft handeln. Besonders vorteilhaft ist als Druckmittel jedoch eine Flüssigkeit, so beispielsweise Glyzerin, Wasser oder öl. Bei der Ausübung von Druck wirkt sich dann die Druckflüssigkeit auf die gesamte Membranoberfläche aus und betätigt die Membran. Der Druck

m kann durch sin? druckerzsu^snds Vorrichtung über eine Leitung in den Raum zwischen Gehäuseoberteil und Oberseite der Membran eingebracht sein. Besonders vorteilhaft ragt in den Raum zwischen Membranoberseite und Innenfläche des Gehäuseoberteils ein axial verschiebbarer Kolben hinein, der bei seiner Bewegung in Richtung zur Membran den Druck der Flüssigkeit erhöht und somit die Membran mittelbar über die Flüssigkeit betätigt. Diese Lösung ist besonders vorteilha^r\ weil der Kolben durch eine Spindel, aber auch durch einen Elektromagneten betätigt sein kann, da die auszuübenden Kräfte nur gering zu sein brauchen. Die Lösung, die Membran über eine Flüssigkeit zu steuern, macht es nunmehr möglich, daß der mit dem Druckmedium gefüllte Raum zwischen Membranoberseiite und Innenfläche des Gehäuseoberteils mit einem Manometeranschluß für Druck- und Stellungsanzeige versehen ist.

Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen

Fig. IA bis ID die Membran im vertikalen Schnitt in verschiedenen Stellungen,

F i g. 2 einen horizontalen Schnitt durch die Membran nach 11 g. l b entsprechend der dortigen Linie 11-11,

F i g. 3 die Ansicht der Membranoberseite,

Fig.4 eine Membran nach Fig. 1 als Teil eines Regelantriebes,

F i g. 5 zwei Membranen nach F i g. 1 als Hubkissen,
F i g. 6 eine Membran in Verbindung mit einem Schubantrieb,

F i g. 7 einen vertikalen Schnitt durch eine Membran in Verbindung mit einem Hubkissen,

F i g. 8 einen vertikalen Schnitt durch zwei Membranen als Hubkissen,

F i g. 9 einen vertikalen Schnitt durch zwei Membranen ebenfalls als Hubkissen,

F i g. 10 im vertikalen Schnitt eine Membran als Ventil in einem Ventilgehäuse.
Nach F i g. 1A besteht die Membran 10 aus Elastomeren, insbesondere Gummi. Die Fig. IA zeigt die obere Stellung, F i g. 1B die Grundstellung. Die Grundstellung hat die Raumform der Herstellung und somit die Vulkanisationsform. Fig. IC zeigt die untere Stellung. Fig. ID zeigt in voll ausgezogenen Linien die obere Stellung nach Fi ^. IA und in gestrichelter Linie die untere Stellung nach Fig. IC Aus den Fig. IA und ID geht hervor, daß die Mernbranunterseite 11 in allen Stellungen ihrer Bewegung in dem Bereich zwischen

ihrem Einspannrand 12 und der Mitte 11 ein obe'fltälb des Einspannrahdes liegendes umlaufendes konkaves Rifiggewolbe R hat UiId die Wänddicke des Ringgewölbes in Richtung vcun Einspannrand 12 zur Mitte M der Membran hin auf dem Weg zunimmt. Aus der Darstellung in den Fig. IA bis ID geht hervor,daß die Membran 10 während ihrer Betätigung nur geringen Forriiäoiiefuhgeri ausgesetzt ist, insbesondere Walköder Rölibewegungeri vermieden werdeni Auch findet keine Abbiegung in der Nähe des Einspanrifandes statt, ίο Dies zeigt besonders deutlich Fig.- ID mit der Darstellung der beiden Extremstellungen. F i g. 1D zeigt ebenfalls, daß die Membran trotz geringer Verformung bei ihrer Betätigung einen großen Hub zuläßt.

Die Fig. 1 zeigt ebenfalls, daß die Wanddicke des Ringgewölbes in Richtung vom Einspannrand zur Mitte der Membran hin ständig zunimmt.

In Fig. IC ist dargestellt, daß die obere äußere Ringgewölbefläche Fl. deren Durchmesser eingezeichnet ist. in der Projektion um mehr als 20% größer ist als die untere bzw. innere Ringgewölbefläche F2, deren Durchmesser ebenfalls dargestellt ist.

F i g. 2 zeigt, daß bei der Raumform der hergestellten Membran nach Fig. IB in einem Schnitt H-II parallel und im Anschluß an den Flansch 12 als Einspannrand die Fläche F3 des Kreisringes mit der Fläche FA des in der Mitte M der Membran 10 befindlichen Kreises gleich oder annähernd gleich ist. Durch diese Maßgabe wird erreicht, daß die Membran bei ihren Bewegungen sich selbst stabilisiert und keine besondere Führung der Membran notwendig ist.

Die F i g. 1A bis 1D zeigen, daß an der Membranoberseite 13 der Membran die gekrümmte Fläche 14 des Ringgewölbes R nahezu 100% der gesamten Oberfläche der Oberseite ausmacht. Die Fig. 1 zeigt, daß sich, in dem dort dargestellten Querschnitt gesehen, die obere linke Begrenzungskurve 14Z. und die obere rechte Begrenzungskurve 14/? in der Mitte der Membran unter einem spitzen Winkel schneiden. Die Fig. IA bis ID zeigen weiterhin, daß die äußeren Begrenzungskurven 14 und die inneren Begrenzungskurven 15 des Ringgewölbes eine Spiralabschnittsform haben. Dies

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eine Kreisbogenform vorhanden ist, wobei der aufsteigende Membranbogen in der Nähe des Einspannrandes 12 nur geringfügig seine Richtung ändert. Diese der Idealform einer druckbeaufschlagten Fläche entsprechende Form wird sowohl bei einer Druckbeaufschlagung von unten als auch von oben durch die etwas größere Elastizität des äußeren Bereiches ermöglicht Beim Übergang in die untere Endstellung verhindert der steilere Ast des Membranbogens auch umgekehrt ein stärkeres Abbiegen, weil die Länge des steilen Bogenastes zu einer örtlichen geringeren Richtungsänderung führt, insgesamt aber die zulässige Bewegung des Membranzentrums ermöglichen wird- Die wiederum entweder unterhalb oder oberhalb der Membran bestehende Druckbelastung wirkt weiterhin einem Abbiegen entgegen, weil auch bei diesem Hub nach unten die Membran im äußeren Bereich eine Kreisform einzunehmen bestrebt ist, der mittlere Teil demgegenüber aufgrund seiner größeren Dicke und damit größeren Steifigkeit die Beibehaltung einer flacheren Form begünstigt.

Gegenüber einer Formgebung des Membranbogens als Halbkreis oder Kreisabschnitt in der Vulkanisationsstellung ist durch den Vorschlag der Spiralform mit steilem äußeren Ast der Kurven 14 und 15, die in Bogenförrn irr den oberen Teil 16 des EiiTspaftnraiides 12 übergehen, die Formänderung in diesem Übefgangsbefeich, der bekanntlich bei änderen Lösungen einer besonderen Beanspruchung unterliegt, auf ein Minimum beschränkt.

Fig; IB mit der Darstellung der Vulkanisationsstel· lung der Membran zeigt₍ daß sich die oberen BegfenzUhgskUfven 14L und 14R in der Höhe def Oberseite 16 des Einspannfaiides 12 im Punkt 18 schneiden. Dieser Schnittpunkt 18 soll bei der nachfolgenden Betrachtung als Merribranzentrum ange^ geben werden. Fig. IA mit der oberen Stellung der Membran zeigt, daß der vorgenannte Schnittpunkt 2/3 höher liegt als der Schnittpunkt bei der Darstellung in Fig. IC. Die beiden Endsteilungen werden auch aus Fig. ID deutlich. Durch die Maßgabe, daß sich der Hub des Membranzentrums in bezug auf die durch den inneren Einspannrand bestimmte Einspannebene bei der Schließbewegung nach Fig. IC zu einem Drittel unterhalb der F.inspannebene und bei der oberen Endstellung nach Fig. IA zu zwei Dritteln oberhalb der Einspannebene verteilt, werden zusätzlich die Biegespannungen im Membranwerkstoff, insbesondere im äußeren Bereich, stärker reduziert als bei einem Hub, der sich hälftig oberhalb und hälftig unterhalb der Einspannebene abspielen würde.

Die Fig. IA bis ID zeigen ebenfalls,daß kein starrer mittlerer Bereich vorhanden ist. Bisherige vorbekannte Membranen haben ein ausgeprägtes formsteifes Mittelstück, so daß deren mittlerer Bereich nicht an der den Membranhub ermöglichenden Formänderung mitwirken kann, sondern die Formänderung sich ausschließlich in dem kleineren kreisringförmigen Membranarbeitsbereich abspielt.

Bei der vorliegenden Membran ist die gesamte Fläche der Membran Membranarbeitsbereich. Jede Stellungsänderung der Membran führt somit zu einer gleichzeitigen Formänderung der gesamten Membranfläche. Den größten Hub führt dabei das Membranzentrum aus. während sich der Hub nach außen hin ständig weiter verkleinert. Nach der vorliegenden Lösung wird somit ein großer Hub des Membranzentrums bei kleinem

Membran führt zu deren vielseitigen Anwendung, so beispielsweise für einen Membranstellantrieb. Auch wird beispielsweise bei einer pneumatischen Betätigung für einen Hub wesentlich weniger Luft benötigt als bei bisherigen Membranantrieben, bei denen der mittlere Teil der Membran als starrer Teller ausgebildet ist und damit eine Verdrängung eines zylindrischen Raumes stattfinden muß.

Die Membran, bei der in jeder Betriebsstellurig die Bogenform bzw. das Ringgewölbe erhalten bleibt, läßt auch Druckbelastungen von mehr als 10 bar zu. Es sei bemerkt, daß bei bisherigen Membranen regelmäßig 10 bar die oberste Druckbelastung darstellen.

Fig.3 zeigt eine Membranoberseite, bei der im Bereich der Mitte der Membran die oberen in gestrichelten Linien dargestellten Begrenzungskurven 14L und 14Ä in einen konkaven Bogen 17 übergehen. Bei dieser Lösung ergibt sich, daß die äußere gekrümmte Fläche des Ringgewölbes den größten Teil der Oberfläche der Membran ausmacht und die Fläche F6, die durch die Kurve 17 entgegengesetzter Neigung bestimmt wird, im Vergleich zur Fläche F5 sehr gering ist

Die Fig. 1 zeigt weiterhin, daß an der Unterseite der Membran die vom Rand ausgehenden Begrenzungskur-

ven 15Z, und 157? im mittleren Bereich der Membran in eine Umkehfkufve 20 übergehen, die im mittleren Bereich der Membran einen Kreisabschnitt darstellt. Weiterhin zeigt die Fig. 1 wie auch alle anderen Figuren, daß der flanschartige Einspannrand 12 nach innen eingezogen ist und zusätzlich um ein geringes Maß nach auDän vorsteht. Auch ist, wie Fig. IB zeigt, der fianschartige Rand 12 mit einem eingebetteten Armierungsring 21 versehen.

F i g. 4 zeigt, daß die Membran nach F i g. 1 Anwendung findet als Regelantrieb. Dazu ist die Membran eingespannt zwischen einem oberen Gehäuse 21 und einem unteren Gehäuse 22 mit der Maßgabe, daß die beiden Gehäuse ί!1 und 22 den flanschartigen Rand 12 der Membran an vier Seiten umgreifen, so daß eine besonders gute Einspannung und Abdichtung des Einspannrandes stattfindet. Zwischen der Membranoberseite und dem Gehäuse 21 wird über den Anschluß 23 ein Druckmedium eingeleitet, das die Membran Kptäticrt c£\ dsß über 2!Γΐ£Γΐ sr! der Membruiiuiitcrseiic anliegenden Schuh 24 gegen den Druck einer Schraubenlinienfeder 25 der Stößel 26 betätigt wird. Mit 27 ist eine Entlüftungsöffnung bezeichnet.

F i g. 5 zeigt die Anordnung von zwei Membranen 10, tieren Unterseiten gegenüberliegen. Beide Membranen IO sind durch einen gemeinsamen Ring 28 gehalten, wobei einer jeden Membran zugeordnete Rohrschellen 29 und 30 die notwendige Sicherung geben. In dem Raum zwischen den beiden Membranen wird über den Anschluß 31 ein Druckmedium eingefüllt. Dies kann auch Druckluft sein. Die Anordnung nach Fig. 5 kann dazu dienen, daß ein auf der oberen Membran 10 aufliegender Gegenstand 32 angehoben wird oder dessen Schwingungen gedämpft werden. Die untere Membran 10 stützt sich an einem Hocker 32 ab, der über ein Flacheisen 33 mit einem Fundament 34 verbunden ist.

Fig.6 zeigt einen weiteren Regelantrieb vergleichbar mit dem nach F i g. 4, jedoch mit der Maßgabe, daß die untere Seite der Membran 10 im Bereich ihrer Mitte !wischen den Gewölbebögen R eine im Querschnitt annähernd elliptische Verdickung 35 hat, deren äußerer Rand 36 im Bereich odc unterhalb des Einspannrandes 12 liegt und nngsumlaufend seitlich in einen Teil der Wölbung R hineinragt, so daß eine Hinterschneidung ■Vorhanden ist. Die Verdickung 35 ist mit einer inneren metallischen Armierung 37 versehen, die linsenförmig ausgebildet ist und nach der Darstellung in F i g. 6 einstückig mit einem Stößel 38 ist Die Einspannung der Membran erfolgt zwischen den beiden Gehäuseteilen 21 •nd 22 in prinzipiell gleicher Weise, wie das zu F i g. 4 beschrieben worden ist Auch bei der Anordnung nach F i g. 6 sind zwei Druckräume 39 und 40 vorhanden, die wahlweise mit einem Druckmedium über zugeordnete Anschlüsse 23 und 27 beaufschlagt werden.

F i g. 6 zeigt besonders deutlich, daß die Verdickung 35, in der die Armierung 37 vorhanden ist, in einem Bereich außerhalb des Wirkungsbereiches des Ringgewölbes R liegt so daß die Membran die Eigenschaften hat die zu F i g. 1 beschrieben worden sind.

F i g. 7 zeigt daß die Membran als Schubkissen ausgebildet ist und innerhalb des Gehäuses 21 in Verbindung mit einem Ring 41 befestigt ist Die linsenförmige Armierung 37 ist mit einem nach außen vorstehenden, mit Gewinde versehenen Zapfen 42 versehen, der in einen am Fundament 34 aufliegenden Tragkörper 43 eingeschraubt ist Durch Einleiten eines Druckmediums über den Anschluß 23 in den Raum 39 kann der Gegenstand 32 angehoben oder entsprechend abgesenkt werden. Aber auch ohne Anordnung eines Druckmediums im Raum 39 kann die Membran als Dämpfer dienen,

F i g. 8 zeigt, daß in Abwandlung von F i g. 5 zwei mit ihren Unterseiten gegenüberliegende Membranen 10 in einer Verdickung 35, wie das zu Fig.6 beschrieben worden ist, jeweils eine linsenförmige Armierung 37 haben, die allseitig Vom Werkstoff der Membran

ίο umgeben sind. Somit können die Verdickungen einander anstoßen.

Fig.9 zeigt, daß — abweichend von der Darstellung in F i g. 8 — die beiden Membranen zu ihrer Funktion als Schubkissen oder Dämpferkissen mit ihren Oberseiten einander gegenüberliegen. Sie sind gehalten von dem gemeinsamen Ringgehäuse 28 in Verbindung mit einem jeder Membran zugeordneten Ring 41, der außen e!:ie umlaufende Nut hat, die den nach innen vorstehenden Flansch 12 der Membran sowie die untere Ringfläche 44

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beiden Stirnseiten mit einer nach innen gerichteten Umbördelung 45 versehen. In gleicher Weise, wie zu Fig. 7 beschrieben, haben die Verstärkungen 37 in der Verdickung unterhalb des Einspannrandes eine linsenförmige Armierung 37, die sich nach außen hin in einen mit Gewinde versehenen Zapfen 42 fortsetzt, der in einen Fuß 43 eingeschraubt ist.

Fig. 10zeigt die Membran 10 indem Anwendungsfall eines Ventils mit dem Ventilgehäuse, bestehend aus dem vom Medium durchflossenen Gehäuse 45 und dem Gehäuseoberteil 46, das die Betätigung mit dem Handrad 47 trägt. Die Verbindung mit dem Gehäuseoberteil erfolgt in üblicher, in der Zeichnung nicht dargestellten Weise. Das Gehäuse 45 hat einen Ringteil 48 mit einer nach außen offenen Nut 49, die den nach innen vorstehenden Flansch 12 der Membran sowie deren Unterseite 44 umgreift. Der untere innere Rand 50 des Gehäuseoberteiles 46 umgreift den um ein geringes Maß nach außen über die Membran vorstehenden Flanschteil 51. Der nach innen hineinragende Befestigungsflansch der Membran führt zunächst zu geringen Baumaßen des Gehäuses.

Auch leidet Gummi unter der Erscheinung des Kriechens, d. h. es verformt sich unter Druck- oder Zugbeanspruchung in Abhängigkeit von der Zeit. Bei einer Außenkammerung fallen die Zugrichtung der vom Medium beaufschlagten Membran und Kriechrichtung zusammen. Bei der dargestellten Innenkammerung dagegen nicht. Hier muß das Medium gewissermaßen erst um eine Ecke herumkriechen, was durch die erheblich größeren Reibungskräfte stark vermindert wird. Die mit dem nach innen vorstehenden Flansch erreichbare Innenkammerung hat somit große Vorteile.

Das Ventil hat in seiner Mitte die zu Fig.8 beschriebene Verdickung linsenförmigen Querschnitts 35 mit der inneren linsenförmigen Armierung 37, wobei jedoch bemerkt wird, daß — abweichend von der Membranform in F i g. 8 — diese Verdickung in Höhe des Flansches 12 der Membran 10 vorhanden ist Auch bei dieser Ausbildung wird die Funktionsfähigkeit dei Membran nicht beeinträchtigt da das Ringgewölbe nur einen Teilhub, nämlich den Hub nach oben, ermöglichen muß und die Verdickung 35 mit der Armierung 37 die Verformung des Ringgewölbes nicht beeinträchtigt da es bei dem limitierten Hub außer dessen Wirkungsbereich ist Das Ventil 10 ist als Teilhubventil ausgebildet Um hier eine optimale Lösung zu schaffen, ist die in Fig. 10 dargestellte Schließstellung mit der Anlage des

als Vgrdickung ausgebildeten Verschlußstückes 35 art dem Ventilsitzring 52 die Vulkanisierstellung der Membran entsprechend der Darstellung in Fi g. IB. Da ausgehend von dieser Vulkanisierstellung die Hubbewegung nach oben zwei Drittel der gesamten Bewegung ausmachen kann, und zur Freigabe des Strömüngsquerschnittes eines Ventils nur ein Hub von D/4 benötigt wird, ist die Verformung der Membran von der Schließstellung, wie sie in Fig. 10 dargestellt ist, in die Offenstellung sehr gering.

Die Strömurtgsrichtting des Mediums irh Gehäuse 45 ist in Pfeilrichtung 53 angegeben mit dem Ergebnis, daß der Druck des Mediums in allen Stellungen der Membran auf die Unterseite der Membran gerichtet ist. Zwischen der Oberseite der Membran und der Innenfläche 53 des Gehäuseoberteils 46 ist eine Flüssigkeit 54 vorhanden, Hier kann es sich um eine beliebige inerte Flüssigkeit handeln. Es kommen auch sonstige inkompressible Flüssigkeiten in Frage. Das

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iianuiau τ/ iai iniL cmc! ojjlliuci JJ verseilen, UIe an ihren vorderen Enden den Verdrängerkolben 56 hat, der über die Dk'htung 57, 57a im GehäuseoberteÜ 46 abgedichtet ist. Weiterhin ist zwischen den Dichtungen 57, 57a ein Leckagering 58 vorhanden, über den die Flüssigkeit 54, sofern sie durch die Dichtungen 57, 57a hindurchtritt, abgezogen werden kann. Sofern der Kolben 56 nach unten bewegt wird, übt dieser auf die Flüssigkeit 54 eirten Druck aus, der sich auf die gesamte Oberfläche der Membran verteilt und die Membran nach unten bewegt. Da der Druck des in Pfeilrichtung 53 fließenden Mediums auf die Unterseite der Membran drückt und diese somit vom Ventilsitz 52 abhebt, ist die Membran 10 in Offenstellung, wenn der Kolben 56 angehoben ist. Durch Herunterbewegen des Kolbens 56 über das Handrad 47 und die Spindel 55 ist der Druck auf die Steuerflüssigkeil 54 größer. Sobald der Druck der Flüssigkeit 54 größer ist als der Druck des im Gehäuse 45 vorhandenen Mediums, gelangt die Membran 10 in Schließstellung. F i g. 10 zeigt somit, daß die Membran 10 beidseitig hydraulisch abgestützt ist. Urn das Ventil zu betätigen, ist es nur notwendig* daß 'Her Druck der Flüssigkeit 54 um ein geringes Maß größer ist als der Druck des Mediums oder der Flüssigkeit, die im Gehäuse 45 fließt bzw. dort vorhanden ist. Daher braucht der in die Hydraulikflüssigkeit tauchende Kolben nur wenig Volumen zu verdrängen. Entsprechend kann er verhältnismäßig klein gehalter, werden. Auch sind die benötigten Betätigungskräfte durch die daraus folgende kleinere Untersetzung äußerst gering. Da zugleich die äußere Fläche des Ringgewölbes in der für die Druckbeauf schlagung wirksamen Projektion größer ist als die innere Fläche, kann der Druck der Flüssigkeit sogar geringer sein als der des Mediums im Gehäuse 45.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Membran zum Getrennthalten zweier benachbarter Räume gleichen oder verschiedenen Druckes aus biegeelastischem Material von bleibender, definierter Grundform mit oder ohne Gewebeeinoder -auflage, deren flanschartiger Rand zwischen zwei Gehäuseteilen eingespannt ist, wobei der unmittelbar sich daran anschließende Abschnitt an der zum Einspannrand gerichteten Seite in allen Stellungen der Bewegung ein umlaufendes Ringgewölbe bildet, dadurch gekennzeichnet, daß bei zunehmender Wanddicke der Membran in Richtung vom Einspann rand (12) zu dessen Mitte hin jeweils das Ringgewölbe (R)der Membranunterseite

(11) und die konvexe Wölbung der Membranoberseite im mittleren Bereich der Membran in eine Umkehrkurve (20) übergeht.

2. Membran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, iiüß im Querschnitt gesehen die bogenförmigen konvexen Wölbungskurven (14Z-, i4R) des Ringgewölbes (R) sich in der Mitte der Membran schneiden.

3. Membran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Membranoberseite (13) die konvexe Fläche des RinggewCibes (R)mehr als etwa 70%, insbesondere mehr als 90% der gesamten Membranoberseite (13) ausmacht.

4. Membran nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren und äußeren Begrenzung ,kurven (15, 14) des Ringgewölbes (R) vom äußeren Rand a"s mit r^;nem steilen (mehr als 45° betragenden) WinkH beginnen.

5. Membran nach den Anspr· -hen I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte, dem Einspannrand abgekehrte Mi:mbranoberseite(13)als Arbeitsfläche ausgebildet ist.

6. Membran nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichm t, daß der flanschartige Einspannrand

(12) nach innen eingezogen und zusätzlich um ein geringes Maß nach außen vorsteht.

7. Membran nach den Ansprüchen 1 bis 6. die a!s Ventil zwischen einem vom Medium durchströmten Gehäuseteil urd einem die Ventilbetätigung aufnehmenden Gehäuseoberteil eingespannt ist. dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Membrar.oberseite(13)und der Innenfläche (53) des Gehäuseteils (46) ein mit einem Druckmittel (54) gefüllter Raum vorhanden isi, das die Membran unmittelbar betätigt.