DE3875961T2 - Membranventil fuer fluessigkeiten. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft Weiterentwicklungen von aus EP-A-253 064 bekannten Membranventilen.
• Membranventile sind weit verbreitet im Einsatz für die Steuerung von Druckluft und anderen Fluiden wie Öl und Wasser. Typische Beispiele solcher Ventile werden z. B. in dem Prospekt 10000/2/72 der Firma Bürkert, Ingelfingen, gezeigt. Diese Ventile umfassen einen Gehäusegrundteil, der einen Zuströmanschluß, einen Zuströmbereich, einen Abströmbereich und einen Abströmanschluß aufnimmt. Der Abströmanschluß mündet in der Mitte des Gehäuses und ist ringartig von dem Zuströmbereich umgeben. Es ist auch möglich, wie aus dem Prospekt 7504 Typ L142 der Firma Sirai Pioltello (Italien) bekannt, den Zuströmbereich in die Mitte des Gehäuses öffnen zu lassen, so daß er ringartig durch den Abströmbereich umgeben ist. In beiden Fällen ist ein Gehäusedeckel, der eine Steuerkammer enthält, fluiddicht auf dem Grundteil des Gehäuses befestigt und eine meist scheibenförmige Membran zwischen die beiden Gehäuseteile eingesetzt. Die Membran enthält allgemein einen ringförmigen "Rollbereich", um einen angemessenen Membranhub sicherzustellen.
• Als nachteilig hat sich bei dieser Art von Konstruktion erwiesen, daß während des Öffnungsvorgangs ein ausgeprägter Druckabfall auftritt und daß insbesondere beim Schließvorgang ein plötzlicher Druckanstieg erfolgt. Diese Vorgänge sind die Ursache von kurzzeitigen störenden Druckschwankungen in dem Rohr oder dem Rohrnetz, in welchem das Ventil eingesetzt ist. Bei gasförmigen Medien und insbesondere bei flüssigen Medien können insbesondere beim Schließen des Ventils Druckspitzen auftreten, die ein Vielfaches des Betriebsdrucks erreichen. Diese als Schließ-Wasserschlag bezeichneten Druckspitzen führen nicht nur zur Erzeugung von unerwünschtem und störendem Geräusch, sondern können auch zur Zerstörung des Leitungssystems und darin enthaltener Geräte führen.
• Es ist praktisch unmöglich, derartige Membranventile mit einem externen Medium zu steuern. Der Steuerdruck kann nur geringfügig höher als der zu steuernde Fluiddruck sein, da sonst die Membran in die beiden Strömungsbereiche hineingedrückt und auf diese Weise beschädigt werden könnte. Bei manchen Ausführungen wird das Ventil durch die Energie des durch das Ventil fließenden Mediums betätigt. Diese werden servogesteuerte Membranventile genannt. Bei solchen Ventilen ist die Steuerkammer mit dem Abströmbereich verbunden und in der Membran eine Drosselöffnung vorgesehen. Die Verbindung zwischen der Steuerkammer und dem Abflußbereich wird durch ein Abschaltventil gesteuert. Bei dieser Anordnung kann der Schließschlag nicht vermieden werden, da auch dann, wenn durch angemessene Auslegung der Drosselöffnung in der Membran und des Querschnitts der Steuerleitungen ein langsames Absenken der Membran gewählt wird, die starke Strömung über die den Zuström- vom Abströmbereich trennende Trennwandkante nicht ausreichend über die kurze Wegstrecke der Membran gedämpft werden kann. Kurz bevor die Membran die obere Kante der Trennwand berührt, steigt die Fluidgeschwindigkeit rasch an, der Druckwert an dieser Stelle fällt dadurch sehr rasch ab und der letzte Teil des Schließvorganges wird durch den hydrostatischen Druck in der Steuerkammer in hohem Maße beschleunigt. Bei umgekehrter Strömungsrichtung wirkt zuerst ein Staudruck, der jedoch kurz vor dem Schließen des Ventils, wenn die Membran sich der Trennwand nähert, zu Null reduziert wird, und dieser reduzierte Druck beschleunigt den Schließvorgang beträchtlich.
• Weiter sind die bekannten Membranventile der vorstehend beschriebenen Art relativ voluminös, so daß ihre körperliche Größe oft ihren Einsatz in Rohrnetzen be- oder verhindert. Die unverhältnismäßige körperliche Größe dieser Ventile bedeutet darüberhinaus, daß sie viel Material enthalten und deswegen relativ teuer sind.
• Mit Bezug auf alle diese Probleme wurden durch die Anmelder Anstrengungen unternommen, eine vollständig neue Auslegung eines Membranventils mit verbessertem Öffnungs- und Schließverhalten zu schaffen, mit dem es möglich ist, das Ventil entweder als servogesteuertes Membranventil oder als ein durch externes Medium gesteuertes Membranventil mit großem Drucksteuerbereich einzusetzen. Weiter war beabsichtigt, ein Membranventil aufzubauen mit beträchtlich geringeren Abmessungen als es bei den bisherigen Membranventilen für die gleiche Funktion der Fall war. Das erste Ergebnis dieser Überlegungen war ein Ventil der in Fig. 1 der erwähnten EP-A-253 064 gezeigten Art, dessen Betrieb mit Bezug auf die Fig. 2a bis 2c dieser Anmeldung beschrieben wurden. Fig. 1 und 2a bis 2c der EP-A-253 064 sind zum besseren Verständnis als Fig. 1 und 2a bis 2c der vorliegenden Beschreibung wiedergegeben.
• Bei weiterer Untersuchung dieser Ventile wurden die Anmelder aufmerksam, daß Ventile dieser allgemeinen Art tatsächlich bereits vorgeschlagen worden waren, und daß sogar in der Tat einige Ventile nach den Prinzipien dieses Standes der Technik gebaut worden sind.
• Beispielsweise kann hier auf die US-PSn 3 325 138, 3 467 131, 2 622 620 und möglicherweise auch auf US-PS 3 840 207 Bezug genommen werden, welche letztere allerdings als weniger nahekommend angesehen wird.
• Alle diese bekannten Ventile, mit der möglichen Ausnahme von US-PS 3 840 207, sind Membranventile zur Steuerung von Fluiden, wobei das Ventil umfaßt ein eine im wesentlichen rohrförmige Kammer umgebendes Gehäuse, das ein Einlaßende und ein Auslaßende besitzt; eine hülsenartige elastische Membran, die sich innerhalb der rohrförmigen Kammer von dem Einlaßende zu dem Auslaßende erstreckt; und einen fluidpermeablen, innerhalb der hülsenartigen Membran angeordneten und sich von dem Einlaßende zu dem Auslaßende erstreckenden Membranstützkörper, welcher Membranstützkörper eine sich zwischen dem Einlaß- und dem Auslaßende um ihn erstreckende ringförmige Dichtfläche besitzt; wobei eine Trennwand den Stützkörper unterteilt in einen fluidpermeablen Einlaßabschnitt, der zwischen dem Einlaßende und der ringförmigen Dichtfläche angeordnet ist, und einen fluidpermeablen Auslaßabschnitt, der zwischen der Dichtfläche und dem Auslaßende angeordnet ist; der Auslaßabschnitt eine divergierende im wesentlichen kegelstumpfförmige Gestalt hat mit einem Bereich kleineren Durchmessers benachbart der Dichtfläche und einem Bereich mit breiterem Durchmesser benachbart dem Auslaßende; der Einlaßabschnitt vorzugsweise ein konvergenter Abschnitt ist mit mindestens im wesentlichen kegelstumpfförmiger Gestalt mit einem Bereich engeren Durchmessers benachbart der Dichtfläche und einem Bereich breiteren Durchmessers benachbart dem Einlaßende; und wobei Mittel vorgesehen ist, um eine Bewegung der Membran zu erzeugen zwischen einer geöffneten Ventilstellung, in der die Membran Abstand von der ringförmigen Dichtfläche einhält und Strömung von dem Einlaßende durch den festen fluidpermeablen Einlaßabschnitt über die ringförmige Dichtfläche durch den fluidpermeablen Auslaßabschnitt und aus dem Auslaßende zuläßt, und einer geschlossenen Ventilstellung, in der die Membran dichtend an der ringförmigen Fläche anliegt und im wesentlichen Strömung durch das Ventil verhindert.
• Bei allen diesen Ventilen ist irgendein Mittel vorgesehen, um eine Bewegung der Membran zu erzeugen zwischen einer geöffneten Ventilstellung, in der die Membran Abstand von der ringförmigen Dichtfläche hat und Strömung von dem Einlaßende durch den fluidpermeablen Einlaßabschnitt über die ringförmige Dichtfläche durch den fluidpermeablen Auslaßabschnitt und zu dem Auslaßende hinaus zuläßt und einer geschlossenen Ventilstellung, in der die Membran dichtend an der Ringfläche anliegt und im wesentlichen eine Strömung durch das Ventil verhindert.
• Die Anmelder haben auch Ventile dieser allgemeinen Art gebaut, waren jedoch über die Entdeckung sehr überrascht, daß, obwohl Vorteile erzielt werden konnten, soweit es die Kompaktheit und die Steuerfähigkeit des Ventils mit einem in einem weiten Bereich veränderbaren Steuerdruck betrifft, aber die Membranventile nach dem Stand der Technik trotzdem einen wesentlichen Schließschlag ergaben.
• Das grundlegende Ziel der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Membranventil des allgemein rohrförmigen Typs zu schaffen, bei dem der Schließschlag vermieden wird und der Ventilbetrieb besonders ruhig ist. Darüberhinaus ist es ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, Ventile dieser Art zu schaffen, die besonders kompakt und wirtschaftlich im Aufbau, leicht herzustellen und zusammenzubauen sind und eine lange Lebensdauer sowie ausgezeichnete Öffnungs- und Schließeigenschaften und geringen Strömungswiderstand besitzen.
• Um diese Ziele zu erreichen, schafft die vorliegende Erfindung ein Membranventil zum Steuern von Fluiden, wobei das Ventil umfaßt ein eine im wesentlichen rohrförmige Kammer umgebendes Gehäuse, das ein Einlaßende und ein Auslaßende besitzt; eine hülsenartige elastische Membran, die sich innerhalb der rohrförmigen Kammer von dem Einlaßende zu dem Auslaßende erstreckt; und einen fluidpermeablen, innerhalb der hülsenartigen Membran angeordneten und sich von dem Einlaßende zu dem Auslaßende erstreckenden Membranstützkörper, welcher Membranstützkörper eine sich zwischen dem Einlaß- und dem Auslaßende um ihn erstreckende ringförmige Dichtfläche besitzt; wobei eine Trennwand den Stützkörper unterteilt in einen fluidpermeablen Einlaßabschnitt, der zwischen dem Einlaßende und der ringförmigen Dichtfläche angeordnet ist, und einen fluidpermeablen Auslaßabschnitt, der zwischen der Dichtfläche und dem Auslaßende angeordnet ist; der Auslaßabschnitt eine divergierende im wesentlichen kegelstumpfförmige Gestalt hat mit einem Bereich kleineren Durchmessers benachbart der Dichtfläche und einem Bereich mit breiterem Durchmesser benachbart dem Auslaßende; der Einlaßabschnitt vorzugsweise ein konvergenter Abschnitt ist mit mindestens im wesentlichen kegelstumpfförmiger Gestalt mit einem Bereich engeren Durchmessers benachbart der Dichtfläche und einem Bereich breiteren Durchmessers benachbart dem Einlaßende; und wobei Mittel vorgesehen ist, um eine Bewegung der Membran zu erzeugen zwischen einer geöffneten Ventilstellung, in der die Membran Abstand von der ringförmigen Dichtfläche einhält und Strömung von dem Einlaßende durch den festen fluidpermeablen Einlaßabschnitt über die ringförmige Dichtfläche durch den fluidpermeablen Auslaßabschnitt und aus dem Auslaßende zuläßt, und einer geschlossenen Ventilstellung, in der die Membran dichtend an der ringförmigen Fläche anliegt und im wesentlichen Strömung durch das Ventil verhindert, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper eine in Axialrichtung längs seiner radial äußeren Fläche gemessene Länge besitzt, die geringer als eine entsprechende Längenabmessung eines Abschnitts der Membran im gelösten Zustand ist, der in der geschlossenen Stellung zur Berührung mit der radial äußeren Fläche ausgelegt ist.
• Besonders bevorzugt wird ein Membranventil, bei dem der Einlaßabschnitt auch im wesentlichen kegelstumpfförmig ist mit einem Bereich kleineren Durchmessers des Einlaßabschnitts, der der Dichtfläche benachbart ist und einem Bereich breiteren Durchmessers benachbart dem Einlaßende des Gehäuses. Bei besonders bevorzugten Ausführungen sind die Bereiche kleineren Durchmessers des Einlaß- wie des Auslaßabschnitts im wesentlichen von gleichem Durchmesser, wie auch die Bereiche größeren Durchmessers der Einlaß- und Auslaßabschnitte. D.h. die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil der in Fig. 6 der EP-A-253 064 und Fig. 4 der vorliegenden Anmeldung gezeigten Art mit der speziellen Eigenschaft, daß die Membran länger als der Stützkörper gemacht wird.
• Ziemlich überraschend hat es sich gezeigt, daß mit der erfindungsgemäßen Anordnung, d. h. dann, wenn die entsprechende Längenabmessung der Membran von 4 bis 8% und vorzugsweise 6% größer als die Längenabmessung des Stützkörpers ist, Schließschlag wie Geräusch fast vollständig beseitigt sind, was einen wirklichen Durchbruch bei solchen Ventilen darstellt. Darüberhinaus hat es sich gezeigt, daß das Öffnungsverhalten dieser Ventile ebenfalls wesentlich verbessert ist. Weiter ergibt die taillierte Form des Membran-Stützkörpers einen wesentliche Verringerung der Ablenkung, welches das Fluid beim Strömen vom Einlaßende zum Auslaßende erleidet. Das wiederum ergibt eine Herabsetzung der für ein Ventil zur Erfüllung einer bestimmten Funktion notwendigen körperlichen Größe, da der Aufnahme der Strömung über die ringförmige Dichtfläche erforderliche Raum nun in der Taille des Stützkörpers vorhanden ist.
• Die verringerten Ablenkungs- und verbesserten Strömungseigenschaften für die Strömung durch den taillierten Stützkörper, die besonders bemerkbar sind, wenn die Einlaß- und Auslaßabschnitte desselben hohl sind, können noch weiter verbessert werden, wenn einlaß- wie auslaßseitige Strömungskegel an der Trennwand innerhalb der Einlaß- bzw. Auslaßbereich vorgesehen werden. Die Verwendung eines Strömungskegels ist an sich aus US-A-2 622 620 bekannt.
• Obwohl der fluidpermeable Stützkörper im wesentlichen einen gesinterten Aufbau aus allgemein kugelförmigen Teilchen besitzen kann, wodurch auch eine Filterwirkung erzielt wird, wird eine Anordnung bevorzugt, bei der eine Vielzahl von länglichen Schlitzen in dem Einlaßbereich und dem Auslaßbereich vorgesehen werden, welche ein Strömen aus dem Einlaßbereich nach außen und ein Einströmen in den Auslaßbereich hinein zulassen. Bei einer Anordnung dieser Art erstrecken sich die Schlitze vorzugsweise in Axialrichtung und sind vorteilhafterweise zwischen Stegen der Einlaß- und Auslaßabschnitte bestimmt, wobei die Stege radial äußere Flächen besitzen, die zu einer gemeinsam, durch die Membran in der Schließstellung berührbaren Hüllfläche gehören.
• Die Verwendung von Schlitzen, um den Stützkörper permeabel zu machen, ist zwar an sich aus US-A-3 325 138 bekannt, jedoch verbessert die spezielle Kombination von länglichen, insbesondere axial verlaufenden Schlitzen mit einem taillierten Stützkörper weiter die Durchströmung des Ventils, so daß sich ein linearer verhaltender Fluß, weniger Turbulenz, weniger Geräusch und weniger Strömungswiderstand ergeben. Mit anderen Worten, durch Reduzieren des Strömungswiderstandes bei einer bestimmten Ventilgröße kann das Ventil selbst auch kleiner gehalten werden bei Erfüllung der bestimmten Funktion, was wiederum die Kompaktheit der Auslegung erhöht.
• Der fluidpermeable Stützkörper umfaßt vorzugsweise ein einspritzgeformtes Teil, das genau aus in einem für alle beim Gebrauch anzutreffende Fluide resistenten Medium hergestellt werden kann. Der Einlaßabschnitt und der Auslaßabschnitt des fluidpermeablen Stützkörpers umfassen bei der praktischen Ausführung jeweilige einspritzgeformte Teile, wobei Verbindungsmittel an der Trennwand zur Verbindung des ersten und des zweiten einspritzgeformten Teils miteinander vorgesehen ist. In einer Ausführung umfaßt dieses Verbindungsmittel eine Schnappverbindung.
• Bei solchen Anordnungen wird vorteilhafterweise ein Ringglied zwischen die den Einlaß- und den Auslaßabschnitt bestimmenden Formteile eingesetzt, wobei die radial äußere Fläche des Ringgliedes die ringförmige Sitzfläche bestimmt. Diese ringförmige Sitzfläche ist vorzugsweise in Form eines angehobenen Ringwulstes an der radial äußeren Fläche des Ringgliedes vorhanden. Bei dieser Anordnung kann das Ringglied aus einem anderen Material als die fluidpermeablen Einlaß- und Auslaßabschnitte hergestellt werden und so höhere Verschleißfestigkeit erhalten.
• Bei Benutzung von ersten und zweiten Formteilen für den Einlaß- und den Auslaßabschnitt können darüberhinaus die länglichen Schlitze im Einlaßabschnitt an einer von dem Einlaßende entfernt liegenden Endfläche offen sein und die länglichen Schlitze in dem Auslaßabschnitt können an einer von dem Auslaßende entfernt liegenden Endfläche desselben offen sein. Die Tatsache, daß die Schlitze an einem Ende bei einer Endfläche des jeweiligen Bestandteils offen (nicht miteinander verbunden) sind, erleichtert die Einspritzformung dieser Bestandteile wesentlich, da es nicht notwendig ist, radial bewegbare Formteile vorzusehen, um die länglichen Schlitze auszubilden, und daraufhin den geformten Bestandteil aus der Form zu entnehmen.
• Bei einer Auslegung des Stützkörpers, bei dem ein Einlaß- Strömungskegel an dem Einlaßabschnitt und ein Auslaß-Strömungskegel an dem Auslaßabschnitt vorhanden sind, kann das die Abschnitte miteinander verbindende Mittel entweder eine Schnappverbindung oder einen Schraubbolzen in einem der Strömungskegel umfassen, der in eine zur Aufnahme des Gewindeelements ausgelegte Öffnung in dem anderen Strömungskegel eingreift, so daß eine Schraubverbindung zwischen dem Einlaß- und dem Auslaßabschnitt gebildet wird. Der letztgenannten Anordnung ist das Gewindeelement vorzugsweise eine Schraube, die in dem zugeordneten Strömungskegel eingeschraubt ist, bevor der Strömungskegel mit Schraube in den anderen Strömungskegel eingeschraubt wird, wobei die Schraube dann in die Öffnung in dem anderen Strömungskegel eingreift. Auf diese Weise kann das erste und das zweite Formteil von identischer Form hergestellt werden, so daß nur eine Einspritzform zur Herstellung des Stützkörpers nötig ist.
• Alternativ kann eine Schraube in einen der Strömungskegel eingeformt werden, die dann in eine Öffnung in dem anderen Strömungskegel eingreift.
• Bei einer besonders bevorzugten Ausführung besitzt die rohrförmige Kammer eine erste radial nach innen vorstehende Ringschulter bei dem Einlaßende und eine zweite radial nach innen vorstehende Ringschulter bei dem Auslaßende. Die hülsenartige elastische Membran besitzt dann dem Einlaß- wie dem Auslaßende benachbart radial nach innen vorstehende Flansche, und im zusammengebauten Zustand wird der erste Flansch durch den Einlaßabschnitt des Stützkörpers gegen die erste Ringschulter angedrückt und der zweite Flansch wird durch den Auslaßabschnitt des Stützkörpers gegen die zweite Ringschulter angedrückt.
• Diese Ausführung ist besonders leicht herzustellen, sowohl vom Standpunkt der Herstellung des Gehäuses aus, das vorzugsweise erste und zweite Teile mit jeweils einer Ringschulter umfaßt, wobei Schraubenmittel vorhanden sind, um das erste mit dem zweiten Teil zu verbinden, wie auch von der Ausformung der elastischen hülsenartigen Membran und des Stützkörpers her gesehen. Ein Zusammenbau des Ventils wird auch sehr erleichtert, da für eine zuverlässige Anbringung der Membran gesorgt ist.
• Eine Vielzahl von Rippen ist vorzugsweise an einer radial äußeren Fläche der elastischen Membran vorgesehen, um die Membran in der geöffneten Stellung auf Abstand von dem Gehäuse zu halten und so den Fluß eines Betätigungsfluides um die Membran-bei einer Bewegung von der geöffneten in die geschlossene Stellung zu erleichtern.
• Das Mittel zum Erzeugen einer Bewegung der Membran umfaßt vorzugsweise Mittel zum Zuführen von Druck zu dem Raum und zum Entlüften des Raums, der zwischen dem Gehäuse und der flexiblen hülsenartigen Membran vorgesehen ist, wie an sich aus US-A-2 622 620 bekannt.
• Bei einer alternativen Ausführung, bei der die Membran, zumindest in der Nähe des Einströmungsbereichs, magnetisierbar und vorzugsweise von niedriger magnetischer Remanenz ist, umfaßt das Mittel zum Erzeugen einer Bewegung der Membran einen Magnetkreis.
• Mehr bevorzugt wird jedoch eine Anordnung, bei der das Mittel zum Erzeugen einer Bewegung der Membran Leitungsmittel umfaßt, die eine Verbindung zwischen dem Auslaßende des Gehäuses und der Rohrkammer radial außerhalb der Membran herstellen, ein Pilotventil zum wahlweisen Sperren und Freigeben des Leitungsmittels und eine Drosselöffnung in der Membran, wobei diese Drosselöffnung einen kleineren Strömungsquerschnitt besitzt als der minimale Strömungsquerschnitt des Leitungsmittels ist, wenn es durch das Pilotventil freigegeben ist. Diese Anordnung ist so eine servogesteuerte Anordnung, die leicht durch einen Elektromagneten gesteuert werden kann. Das erleichtert die Fernsteuerung des Ventils. Darüberhinaus kann der Magnet sehr klein gehalten werden, was das Ziel der Erfindung bezüglich der Erzeugung einer kompakten Auslegung erfüllt.
• Bei einer besonders bevorzugten Version dieser Ausführung wird das Leitungsmittel zumindest teilweise in einem in das rohrförmige Gehäuse an dessen Auslaßende eingesetzten Einsatz ausgebildet.
• Das Leitungsmittel kann eine Radialbohrung in dem Einsatz umfassen, die an der radial äußeren Fläche des Einsatzes mündet und eine Öffnung bildet, die wahlweise durch den Anker eines das Pilotventil bildenden Magneten gesperrt oder freigegeben werden kann. Die Öffnung in dem Einsatz ist vorzugsweise in einem vorstehenden Ringsitz angeordnet. Darüberhinaus umfaßt das Leitungsmittel vorzugsweise einen Einschnitt in der radial äußeren Fläche des Einsatzes, der zu der rohrförmigen Kammer radial außerhalb der Membran führt.
• Durch Benutzen eines Einsatzes dieser Art ist es möglich, den Einsatz als Formbestandteil herzustellen, was wesentlich einfacher ist, als das Bohren der sonst benötigten Schrägbohrungen in dem Gehäuse. Darüberhinaus kann der Einsatz aus einem solchen Material bestehen, daß die ringartige Schulter um die Öffnung einen passenden Sitz für das entsprechende Ende des Ankers des Magneten bildet.
• Es ist gleich gut möglich, den Einsatz mit der Membran an einem axial abströmseitigen Ende derselben zu verbinden, beispielsweise durch einen Kleber, durch Ultraschall-Schweißen oder durch ein ähnliches Verfahren. Wenn ein solches Verfahren benutzt wird, werden die Membran und die Einsätze einfach in das rohrförmige Gehäuse eingebaut und die Gefahr, daß eine Bedienungsperson das Ventil unrichtig zusammenbaut, kann gering gehalten werden.
• Die Erfindung wird nun im einzelnen mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in welcher gezeigt sind:
• Fig. 1 ein Grundtyp des durch die Anmelder untersuchten rohrförmigen Membranventils, wie es auch in Fig. 1 der EP-A-253 064 gezeigt ist,
• Fig. 2a bis 2c Schaubilder zur Erklärung des Betriebs des Ventils aus Fig. 1,
• Fig. 3 eine graphische Darstellung der durch den Schließschlag in einem Ventil der in Fig. 1 gezeigten Art erzeugten Druckschwankungen,
• Fig. 4 eine besonders bevorzugte Ausführung eines Membranventils nach EP-A-253 064,
• Fig. 5 eine graphische Darstellung der beim Schließen des Ventils nach Fig. 4 erhaltenen Druckschwankungen,
• Fig. 6 einen Längsschnitt durch eine Ausführung des Ventils nach Fig. 4, jedoch erfindungsgemäß abgewandelt, bei dem die hülsenartige Membran länger als der korbartige Stützaufbau ist,
• Fig. 7 eine Graphik ähnlich den Graphiken nach Fig. 3 und 5, die das überlegene Verhalten des Ventils nach Fig. 6 zeigt,
• Fig. 8 ein detaillierter Querschnitt durch ein Ventil, das gleichartig zu dem in Fig. 6 ist, mit Magnetbetätigung, jedoch mit einstückigem Gehäuse,
• Fig. 9 ein detaillierter Querschnitt durch den Stützkörper des Ventils der Fig. 8,
• Fig. 10 eine abgewandelte Version des Ventils nach Fig. 4, bei dem die Membran jedoch durch einen Elektromagneten statt durch eine externe Druckquelle betätigt wird.
• Fig. 1 zeigt ein Membranventil mit im wesentlichen koaxialem Aufbau. Es besitzt ein Gehäuse 10, das aus einem rohrförmigen Gehäuseteil 10a und einem abströmseitigen Gehäuseteil 10b besteht, der den Anschluß für das äußere Steuermedium enthält. Eine handelsübliche Einschraubverbindung 6 für das Einströmen des zu steuernden Fluids ist am Einlaßende in dem Gehäuseteil 10a enthalten, und dieser Verbindung folgt eine erweiterte Kammer. Der abströmseitige Gehäuseteil 10b, der auf fluiddichte Weise durch (nicht dargestellte) Schrauben oder in anderer Weise mit dem Gehäuseteil 10a verbunden werden kann, besitzt den Einschraubanschluß 8 für den Abfluß am Auslaßende und einen externen Steueranschluß 24, von dem ein Durchlaß 22 in das Innere dieses Gehäuseteils führt. Ein rohrförmiger Stützkörper 12 ist in dieses Gehäuse 10 eingesetzt und besteht beispielsweise aus getrennten Zuström- und Abströmabschnitten 12a und 12b an der Zuström- bzw. Abströmseite. Eine Trennwand 14 ist zwischen diese zwei Abschnitte 12a und 12b eingesetzt und an beiden Seiten mit Strömungskegeln 15a bzw. 15b versehen. Diese Strömungskegel, die das Strömungsverhalten des gesteuerten Fluids verbessern, können vorteilhafterweise als Kegel mit abgerundeter Spitze und einem Kegelwinkel von ca. 90º aufgebaut sein.
• Die Stützrohrabschnitte 12a und 12b bestehen bei dem dargestellten Membranventil aus einem fluidpermeablen porösen Sintermetall, das je nach der Art des zu steuernden Fluids aus kleinen gesinterten Kupferkugeln, Edelstahlkugeln usw. bestehen kann.
• Die durch die Stützwand gehaltene Trennwand 14 ist vorzugsweise bündig mit dem Außendurchmesser der Stützwand oder steht leicht über diese hinaus vor. Sie kann aber auch leicht in die Stützwand eingetieft sein. Wenn die Trennwand vorsteht, bildet sie eine Dichtfläche oder Dichtkante 14a, wie in Fig. 2a gezeigt. Ein flexibler fluidimpermeabler Schlauch 16 ist über die aus den Stützrohren 12a und 12b und der Trennwand 14 gebildeten Rohrstruktur geschoben, und bildet eine hülsenartige elastische Membran, wobei der Durchmesser des Schlauchs im freien Zustand etwa dem Außendurchmesser des Stützrohrs 12 entspricht. Beim Zusammenbau wird die Membran in den Klemmbereichen 18 zwischen den Enden des Stützrohrs 12 und dem entsprechenden dortigen Wandabschnitt des Gehäuses 10 eingeklemmt. Auf diese Weise wird ein Zuströmbereich 2, ein Abströmbereich 4 und eine Steuerkammer 5 durch entsprechende Ausgestaltung der Innenkammer des Gehäuses gebildet. Die Membran 16 bewegt sich, sobald sie betätigt wird, innerhalb der Steuerkammer 5 zwischen der Stützwand 12 und der Innenwand des Gehäuses 10. Der von dem Steueranschluß 24 wegführende Durchlaß 22 mündet in die Steuerkammer 5.
• Der Betrieb dieses extern gesteuerten Membranventils ist mit Bezug auf Fig. 1 und 2a bis 2c leicht zu verstehen. Das zu steuernde Medium strömt in Richtung des Pfeils 1 durch den Anschluß 6 in den Zuströmbereich 2. Wenn sein Druck über dem in der Steuerkammer 5 herrschenden Druck liegt, wird die Membran 16 angehoben, so daß sie sich an die Innenseite des Gehäuses 10 anlegt, und es findet dann eine konzentrische Strömung durch den von der Membran 16 freigegebenen Überströmbereich 5a in den Abströmbereich 4 statt und von da in Richtung des Pfeils 3 durch den Abströmausfluß 8. Diese Strömung wird durch die kegelförmigen Strömungskegel 15a und 15b unterstützt. Die schädlichen Verunreinigungen, die von dem zu steuernden Fluid mitgerissen werden, werden in dem Sintermetall des Stützrohrs 12 zurückgehalten. Wenn nun über den Anschluß 24 für das Steuermedium und den Durchlaß oder die Leitung 22 Druck auf die Steuerkammer 5 angelegt wird, und zwar ein Druck, der über dem des zu steuernden Fluids liegt, wird die Membran veranlaßt, sich von der Innenwand des Gehäuses wieder in Anlage mit dem Stützrohr 12 zu bewegen.
• Bei dem vollständig geöffneten Zustand liegt die Membran 16 vollständig an der Wand des Gehäuses an, wie in Fig. 2a gezeigt, während die Einwirkung des Drucks des Steuermediums auf die Membran sie dazu bringt, von der Innenwand des Gehäuses 10 abzuheben und sich an das Stützrohr anzulegen. Theoretisch findet dies zunächst in den äußeren Bereichen (Fig. 2b) statt, wobei sich der Überströmbereich 5b in seiner Größe verringert. Diese Anlage schreitet von beiden Seiten zu der Dichtkante 14a der Trennwand 14 hin fort, bis dort schließlich nur ein kleiner Überströmbereich 5c besteht, der um die Sitzkante (Fig. 2c) offen bleibt. Die Strömungsrate des zu steuernden Fluids nimmt in entsprechender Weise ab. Schließlich wird der zentrale Teil der Membran 16 auch gegen die Sitzkante 14 angedrückt und das Ventil ist geschlossen, d. h. die Membran 16 nimmt wieder die in Fig. 1 gezeigte Position ein.
• Theoretisch wurde erwartet, daß dieser Schließvorgang so sanft stattfindet, daß der schädliche Schließschlag praktisch ausgeschlossen ist.
• In der Praxis trat dies jedoch nicht ein, wie aus der graphischen Darstellung in Fig. 3 zu ersehen.
• Diese Graphik zeigt den zeitlichen Verlauf der Strömung durch das Ventil nach Fig. 1, wobei der Druck zustromseitig vom Ventil gemessen wurde.
• Es kann aus der Graphik gesehen werden, daß das Ventil zum Zeitpunkt T&sub0; geschlossen war und ein Wasserdruck von 5 bar anlag. Zum Zeitpunkt t&sub1; wurde das Ventil geöffnet und der Druck fällt ab auf einen Gleichgewichtspegel von ca. 3,7 bar, mit einem Anfangs-Druckabfall auf 2,5 bar beim Öffnen des Ventils. Zum Zeitpunkt t&sub2; wird das Ventil durch Anlegen eines Steuerdrucks auf die Kammer 5 geschlossen. Es ist zu bemerken, daß zum Zeitpunkt t&sub3; eine Anfangs-Druckspitze auftritt, die nach der Graphik einen Druckwert von 7,6 bar erreicht und, wie die Fläche unter dieser Druckspitze zeigt, einen beträchtlichen Energieinhalt besitzt. Dies ist deshalb die Druckspitze des Schließschlages. Tatsächlich ist der Wert der Druckspitze beträchtlich höher, jedoch sprechen die Meßinstrumente nicht ausreichend rasch auf die Druckspitze an, um sie aufzuzeichnen. Weiter muß bedacht werden, daß diese rasche stufenförmige Druckerhöhung sich in den Rohrleitungen und der zugehörigen Apparatur verteilt und daß aus diesem Grund eine Herabsetzung des Spitzendrucks durch die Verteilung aufgetreten ist. Diese Druckausbreitung ist jedoch extrem schädlich und kann leicht zu einem Versagen des Rohrnetzes oder darin enthaltener empfindlicher Vorrichtungen führen.
• Nach der Druckspitze t&sub3; findet eine Druckschwankung mit abnehmender Amplitude statt, die allmählich im Zeitraum von t&sub3; bis t&sub4; allmählich abklingt. Bei t&sub4; ist das Ventil geschlossen und der Druck zum Anfangspegel von 5 bar zurückgekehrt. Zum Zeitpunkt t&sub5; wurde die Druckaufzeichnung unterbrochen. Es ist interessant zu bemerken, daß die Druckschwankungen in dem Zeitraum t&sub3; bis t&sub4; mit einer konstanten Frequenz stattfinden und daß diese Frequenz bei einer großen Vielzahl von Rohrnetzen eine Konstante zu sein scheint. Der Schließschlag wird als ein lauter Knall empfunden und die Druckschwankungen als ein kontinuierliches Rauschen in dem Rohrnetz, das etwa 2 s anhält.
• Diese Graphik zeigt abschließend, daß die Ventilkonstruktionen nach dem Stand der Technik den Schließschlag nicht zufriedenstellend reduzieren können.
• Fig. 4 zeigt nun eine Ausführung, die der Fig. 6 der EP-A-253 064 entspricht.
• Die wichtige Änderung gegenüber der Ausführung nach Fig. 1 ist, daß ein Stützkörper mit taillierter Form vorgesehen ist. Die Zufluß- und Abflußabschnitte 12a und 12b bestehen bei dieser Ausführung aus je einer käfigartigen kegelstumpfförmigen Struktur, wobei jede Kegelstruktur eine Vielzahl länglicher Stege 50 umfaßt, die Abstand voneinander haben und so längliche Schlitze 74 zwischen einander bestimmen. Die kegelstumpfförmigen Strukturen klemmen die Membran am zuström- und am abströmseitigen Ende jeweils an den Positionen 18' ein, erlauben sonst jedoch in der in Fig. 4 dargestellten geöffneten Position die freie Fluidströmung durch das Ventil vom Einlaß- zum Auslaßende. Die beiden kegelstumpfartigen Strukturen sind an ihren schmalen Enden, d. h. an den Bereichen der kleineren Durchmesser mit der geschlossenen Trennwand 14 verbunden oder sind an diesen Enden durch die Trennwand 14 miteinander verbunden. Die Bereiche größeren Durchmessers der kegelstumpfartigen Strukturen sind jeweils am Einlaß- bzw. Auslaßende des Ventils angeordnet, liegen an jeweiligen radial nach innen abstehenden Flanschen der Membran an und drücken diese Flansche gegen entsprechende Ringschultern des Gehäuses.
• Die geneigten Außenflächen der Stützwand mit den länglichen Schlitzen, die zwischen den Stegen 50 übrig bleiben, fördern die Strömung durch das Ventil in der geöffneten Stellung in einer außerordentlich günstigen Weise, da die Ablenkung der Strömung beim Durchströmen des Ventils klein gehalten wird. Allgemein gesprochen werden jedoch bevorzugt Strömungskegel ähnlich den Strömungskegeln 15a und 15b der Ausführung nach Fig. 1 an der Trennwand vorgesehen, um die glatte Strömung des Fluides durch das Ventil in der geöffneten Stellung weiter zu unterstützen.
• Praktische Untersuchungen mit einem Ventil dieses Aufbaus einschließlich Strömungskegeln haben gezeigt, daß dadurch die wesentliche Druckspitze vermieden wird, die bei der Ausführung nach Fig. 1 auftritt, d. h. die Druckspitze zum Zeitpunkt t&sub3; in Fig. 3.
• Eine diese Tatsache illustrierende Graphik ist in Fig. 5 gezeigt.
• Aus dieser Graphik ist zu bemerken, daß das Verhalten des Ventils bis zum Zeitpunkt t&sub2;, wenn das Schließen des Ventils eingeleitet wird, gleichartig dem Verhalten des Ventils nach Fig. 1 ist. Es ist jedoch zu bemerken, daß der Druckwert zuströmseitig zum Ventil im offenen Zustand auf 2 bar reduziert wurde. Das ist teilweise ein Ergebnis des verringerten Fließwiderstandes der länglichen Schlitze im Vergleich zu dem gesinterten Stützkörper nach Fig. 1 und teilweise eine Folge der verringerten Ablenkung, der sich die Strömung beim Durchtritt durch das Ventil vom Einlaß- zum Auslaßende zu unterziehen hat.
• Das Interessante, das bei der Graphik in Fig. 5 zu bemerken ist, ist, daß das Ventil zum Zeitpunkt t&sub3; vollständig geschlossen und zu diesem Zeitpunkt kein Überdruck vorhanden ist. Jedoch ist etwa 2 s später, nachdem das Ventil geschlossen hat, ein außerordentlich überraschender Effekt zu bemerken, daß nämlich das Ventil sich wieder zu öffnen beginnt und Öffnen und Schließen schnell mit einer konstanten Frequenz fortsetzt, wobei etwa 4 ½ s bis zum Abklingen vergehen. Diese Schwingung wird als nicht so schädlich wie der Schließschlag angesehen, der bei dem Ventil nach Fig. 1 auftritt, ist jedoch eine Quelle eines erheblichen Rauschens, das sehr störend wirkt. Wiederum ist zum Zeitpunkt t&sub4; das Ventil vollständig geschlossen und die Schwingung abgeklungen. Danach wurde zum Zeitpunkt t&sub5; die Aufzeichnung abgebrochen. Dieses im hohen Maße verbesserte Verhalten, d. h. die vollständige Beseitigung der schädlichen Druckspitze des Schließschlags, rührt von der taillierten Form des Stützkörpers her, insbesondere von der divergenten Form des Auslaßabschnitts. Es scheint, daß beim Einführen des Drucks in die Kammer 5 durch den Anschluß 24 die Membran gegen das breite Ende des Ausflußabschnitts gedrückt wird und fortschreitend die Außenflächen der Stege 5 mit einer Art Rollbewegung berührt, bei der eine Welle in der Membran auf der Außenfläche der Stege abrollt. Darüberhinaus scheint es, daß diese Rollbewegung begleitet wird durch ein Strecken der Membran, und daß dieses kombinierte Strecken und Rollen ein allmählich fortschreitendes Schließen des Strömungsquerschnitts über der ringförmigen Dichtfläche 14a zuläßt, wobei diese fortschreitende allmähliche Verringerung des Durchflußbereiches über der Dichtfläche 14a die Erklärung für das Vermeiden des Schließschlages ist.
• So ist aber, obwohl der Schließschlag nicht mehr vorhanden ist, das Rauschen immer noch vorherrschend.
• Der Grund, warum das Ventil dann beginnt, sich wieder zu öffnen und die in Fig. 5 gezeigten Schwingungen von dem Zeitpunkt t&sub3; bis t&sub4; auszuführen, wird nicht vollständig verstanden. Dieses Verhalten kann von einem sich abströmseitig von der Trennwand nach dem Schließen des Ventils entwickelnden Unterdruck herrühren, wobei dieser Unterdruck nachfolgend an einer Zwischenfläche in dem System reflektiert wird und als eine Druckwelle zurückkehrt, die das Ventil geringfügig öffnet, so daß dann eine rasche Schwingung der Membran zwischen geöffneter und geschlossener Position stattfindet.
• Trotz der Tatsache, daß dieses Phänomen nicht vollständig verstanden wird, wurde ein Weg gefunden, es erfolgreich zu vermeiden.
• Eine weitere Ausführung des Membranventils, bei der die nach dem Schließen auftreten Schwingung gemäß der Erfindung vermieden wird, ist in Fig. 6 gezeigt.
• In der Ausführung nach Fig. 6 umfaßt das Gehäuse einen ersten, einen zweiten und einen dritten Teil, nämlich den Einlaßabschnitt 10a, den Zwischenabschnitt 10c und einen Auslaßabschnitt 10b. Diese drei Teile werden durch in der Zeichnung nicht dargestellte Schraubenbefestiger zusammengehalten. Wiederum besitzt der Stützkörper eine taillierte Form und umfaßt einen Zuströmabschnitt 12a in Form eines konvergenten Kegelstumpfs, einen Abströmabschnitt 12b in Form eines divergenten Kegelstumpfs und eine Trennwand 14 mit integralen Strömungskegeln 15a und 15b. Wiederum besitzen die Zuström- und Abströmabschnitte 12a bzw. 12b längliche, sich axial erstreckende Schlitze, die zwischen Stegen 50 bestimmt sind. Die Stege 50 des Zuströmabschnitts 12a sind mit einem massiven Ring 51 an ihren zuströmseitigen Enden vereinigt, wobei der massive Ring 51 dazu dient, die Stege 50 auf dem erforderlichen Winkelabstand zu halten, und auch die radial nach innen vorstehende Flansche der hülsenartigen elastischen Membran gegen die Ringschulter 53 des Gehäuseabschnitts 10a einzufangen.
• Es ist zu bemerken, daß die Stege 50 am abströmseitigen Ende des Zuströmabschnitts 12a nicht miteinander zu einem Ring verbunden sind, sondern statt dessen offen gelassen sind. Das erleichtert die Herstellung des Zuströmabschnitts 12a in hohem Maße. Die abströmseitigen Enden der Stege 50 sitzen auf einer Ringschulter 54 der Teilwand 14 auf und halten diese entsprechend. Der Abströmabschnitt 12b ist tatsächlich identisch mit dem Zuströmabschnitt 12a und mit dem gleichen Einspritz-Formwerkzeug hergestellt. Er ist jedoch einfach umgekehrt, um die erforderliche taillierte Form des gesamten Stützkörpers zu erzeugen.
• Zum Unterschied zu der Ausführung nach Fig. 4 ist das hier gezeigte Ventil nicht durch eine externe Druckquelle gesteuert, sondern statt dessen servogesteuert. Zu diesem Zweck ist der Raum 5 zwischen dem Gehäuseteil 10c und der hülsenartigen Membran 16 über Leitungsmittel 55 mit dem abströmseitigen Ende des Ventils verbunden. Das Leitungsmittel 55 umfaßt einen ersten Leitungsabschnitt 56, der vom abströmseitigen Ende des Ventils zu einem Ringsitz 57 führt, und einen zweiten Leitungsabschnitt 58, der zwischen dem Raum 5 und einer um den ringartigen Ventilsitz 57 ausgebildeten Ringkammer 59 Verbindung schafft. Dieser Ventilsitz wird normalerweise durch den Anker 61 eines Magneten 62 geschlossen, der im entregten Zustand des Magneten durch eine Feder 63 gegen den Ringsitz 57 gedrängt wird und so die Öffnung des Ringsitzes 57 abschließt und das Leitungsmittel 55 sperrt. Weiter ist zu bemerken, daß die Membran 16 eine Drosselöffnung 64 enthält mit einer Öffnungsgröße, die kleiner als der Strömungsquerschnitt des Leitungsmittels 55 im Durchgangszustand ist. Dieser Durchgangszustand wird erreicht durch Beaufschlagen des Magneten 62, der dann den Anker 61 nach oben zieht und die Öffnung im Ringsitz 57 freigibt. Die Zeichnung in Fig. 6 zeigt tatsächlich das Ventil bei seiner Bewegung zu der Schließstellung hin. Der Magnet wurde entregt, die Öffnung in dem Ringsitz 57 und damit das Leitungsmittel 55 gesperrt und der Druck an der Einlaßseite des Ventils baut sich in der Kammer 5 durch die Drosselöffnung 64 auf und zwingt das Ventil zu schließen. Zum Öffnen des Ventils wird der Magnet beaufschlagt, wodurch der Anker von dem Ringsitz 57 abhebt und den unteren Druck an der Abströmseite des Ventils mit dem Ringraum 5 über das Leitungsmittel 55 in Verbindung zu treten gestattet. Dieser reduzierte Druck an der Außenseite der Membran läßt sie durch den Überdruck an der Einlaßseite des Ventils anheben, wobei das bereits in der Kammer 5 vorhandene Fluid über die Leitung 56 zum abströmseitigen Ende des Ventils entlüftet wird.
• Der wichtige Unterschied zwischen dem Ventil nach Fig. 6 und dem Ventil nach Fig. 4, der das verbesserte Verhalten desselben ergibt, ist jedoch nicht das andere Verfahren zum Betätigen des Ventils, das leicht auch durch eine externe Druckquelle gesteuert werden könnte, sondern der spezielle Aufbau der schlauchartigen Membran 16 und des Stützkörpers in der Weise, daß die Länge der Membran größer als die Länge der Stützkörper-Außenfläche ist, gemessen in der Längsrichtung über die Außenseite der Stege 50 des Einströmabschnitts 2a, über die ringförmige Dichtfläche 14 und die Außenseite der Stege des Abströmabschnitts 12b. Diese überschüssige Länge der Membran, die ausdrücklich 4 bis 8% länger als eine "Erzeugende" längs der Außenfläche des Stützkörpers ist, und vorzugsweise 6% länger, ergibt eine wellenförmige Gestalt der Membran 16, wie sie hier während des Schließvorgangs gezeigt ist.
• Die Vorteile dieser erhöhten Länge können einfach gesehen werden, wenn man die Graphik in Fig. 7 anschaut, eine Graphik der gleichen Art, wie die in Fig. 3 und 5 gezeigten. Wiederum ist das Ventil zum Zeitpunkt to geschlossen und wird zum Zeitpunkt t&sub1; geöffnet. Zum Zeitpunkt t&sub2; wird das Schließen des Ventils eingeleitet durch Schließen des Ankers 61 gegen den Ringsitz 57. Es ist zu bemerken, daß das Schließen des Ventils fortschreitend vor sich geht, bis es vollständig zum Zeitpunkt t&sub3; geschlossen ist, was mit nur einem sehr geringen Überdruck (Spitzendruck 5,6 bar) im Vergleich zu dem Gleichgewichtsdruck im geschlossenen Zustand von 5 bar vor sich geht,und daß diese Druckspitze ohne nachfolgende Oszillation sanft abklingt.- Der sehr geringe Überdruck ist kaum erfaßbar und gibt keinen schädlichen Schließschlag, und der gesamte Schließvorgang des Ventils ist mit dem Gehör kaum wahrnehmbar. Es gibt nur einen dumpfen Ton beim Schließen des Ventils und es tritt keine nachfolgende Schwingung, kein Rauschen oder Klingen in dem Rohrnetz auf. Der Druck ist zuströmseitig vom Ventil bei einem Gleichgewichtspegel zum Zeitpunkt t&sub4; etwa 1 ½ s nach der geringen Druckspitze zum Zeitpunkt t&sub3;. Wiederum wird hier die Messung zum Zeitpunkt t&sub5; abgebrochen.
• Die graphische Darstellung in Fig. 7 macht das überlegene Verhalten des Ventils nach Fig. 6 hervorragend klar.
• Eine weitere bevorzugte Ausführung eines rohrförmigen Membranventils der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 8 gezeigt. Im allgemeinen sind in Fig. 8 die gleichen Bezugszeichen benutzt, wie es bei den vorhergehenden Figuren der Fall war, um den verschiedenen Ausführungen gemeinsame Teile zu beschreiben, und diese Teil werden im einzelnen hier nicht mehr besprochen. Es sind jedoch eine Anzahl spezieller Merkmale des Ventils nach Fig. 8 vorhanden, die einer besonderen Erwähnung wert sind.
• Vor allem ist zu bemerken, daß das Ventil nur ein einstückgiges Gehäuse besitzt. Dieses Gehäuse kann großenteils durch einen einfachen Drehvorgang hergestellt werden und es kann aus diesem Grund relativ kostengünstig gefertigt werden. Der Zentralteil des Ventils umfaßt die Membran und den Stützkörper, die im großen und ganzen identisch zu der hülsenartigen Membran und dem Stützkörper der Ausführung nach Fig. 6 aufgebaut sind, und wird einfach in das Gehäuse vom zuströmseitigen Ende aus hineingeschoben und durch eine Ring- oder Rohrmutter 65 gesichert, die in die Gewindegänge eingeschraubt wird, die jedenfalls bei dem Zuströmanschluß 6 vorhanden sind. Das Ventil nach Fig. 8 ist wiederum ein servogesteuertes Ventil, jedoch ist hier kein Leitungsmittel 55 in dem Gehäuse selbst ausgebildet, sondern ist statt dessen in einem ringartigen Einsatz 66 aus Kunststoffmaterial, der vor der Anordnung aus Membran und Stützkörper in das rohrförmige Gehäuse 10 eingeschoben wird. Der Ring 66, der über einen O-Ring 68 dichtend gegen eine abströmseitige Schulter 67 des rohrförmigen Gehäuses anliegt, besitzt eine einfache Radialbohrung entsprechend dem Leitungsmittel 56 der Ausführung nach Fig. 6. Wiederum endet diese Bohrung 56 in einem Ringsitz 57, der durch den Anker 61 eines Magneten 62 gesperrt oder freigegeben werden kann. In die Außenfläche des Kunststoffrings 66 ist eine den Ringsitz 57 umgebende Ringkammer 59 eingeformt, die mit einem Längskanal 69 in der Außenseite der Membran 16 so in Verbindung steht, daß klar ersichtlich eine Verbindung zwischen der Ringkammer 5 und der Ringvertiefung 59 hergestellt ist, welche benachbart zur Membran 16 die Endwand des Einsatzes 66 durchbricht, um eine durchgehende Verbindung zu schaffen.
• Der Kunststoffeinsatz 66 ist vorzugsweise mit dem abströmseitigen Endflansch 52 der Membran 16 verbunden, wodurch sein Einsetzen in das rohrförmige Gehäuse 10 erleichtert wird. Mit dieser Ausführung ist die Position des Durchbruchs im Gehäuse zum Aufnehmen des Magneten 62, der in das Gehäuse bei 71 eingeschraubt ist, nicht besonders kritisch. Außerdem ist es nicht notwendig, Schrägbohrungen zu bohren, wie in der Ausführung nach Fig. 4, oder ein mehrstückiges Gehäuse wie in Fig. 6 herzustellen.
• Der Stützkörper nach Fig. 8 ist in seiner Form sehr gleichartig dem Stützkörper nach Fig. 6, ist jedoch insofern unterschiedlich aufgebaut, als die Strömungskegel 15a und 15b zusammen mit den jeweiligen Zuström- und Abströmabschnitten 12a bzw. 12b geformt sind. Die genauen Einzelheiten des Aufbaus können der auseinandergezogenen Darstellung der Fig. 9 gesehen werden.
• Die Abschnitte 12a und 12b sind hier von identischem Aufbau und werden unter Benutzung ein und desselben Einspritz-Formwerkzeugs hergestellt. Das Formteil 12a ist teilweise im Axialschnitt gezeigt (über der Längs-Symmetrieachse 73, äquivalent zur Symmetrieachse 73 des Ventils der Fig. 8) und teilweise in Seitenansicht (unter der Symmetrieachse 73). Die die Trennwand bildende Scheibe ist ebenfalls teilweise in Längsschnitt (über der Achse 73) und teilweise in Seitenansicht (unter der Achse 73) gezeigt.
• Wie in der Ausführung nach Fig. 6 umfaßt jeder geformte Abschnitt 12a und 12b eine allgemein kegelstumpfförmige Struktur mit einer Vielzahl von länglichen Strömungsschlitzen 74, die sich mit gleichmäßigen Abständen um den Umfang jedes Kegelstumpfs erstrecken. Die Schlitze sind zwischen benachbarten Stegen 50 der beiden kegelstumpfförmigen Strukturen bestimmt, wobei die Stege alle an ihrem zulaufseitigen Ende (Zuströmabschnitt 12a) oder an ihrem ablaufseitigen Ende (Abströmabschnitt 12b) mit einem massiven Ring 51 verbunden, der ausgelegt ist, den zugeordneten Flansch 52 der hülsenartigen Membran gegen das Gehäuse bzw. den Einsatz 66 anzudrükken. Zum Unterschied gegen die Ausführung nach Fig. 6 sind die Stege 50 jedoch auch an ihren ablaufseitigen Enden verbunden, und zwar mit der radial äußeren Kante des zugehörigen Strömungskegels 15a, 15b. Die Stege liegen jedoch radial außerhalb der Strömungskegel. Auf diese Weise ist eine Struktur mit größerer Steifigkeit erzielt und trotzdem der Vorteil beibehalten, die länglichen Schlitze 74 an einer Endfläche des zugehörigen Zuström- bzw. Abströmabschnitts unverbunden zu lassen, um so die Herstellung dieser Schlitze durch Einspritzformung zu erleichtern. Die Trennwand 14 mit dem Dichtwulst 14a besitzt einen zentralen Durchbruch 75, der über einen zylindrischen Zapfen 76a des Zuströmabschnitts 12a und über einen entsprechenden zylindrischen Zapfen 76b des Abströmabschnitts 12b paßt. Diese beiden zusammenwirkenden zylindrischen Zapfen zentrieren auf diese Weise vollständig die Trennwand 14 relativ zu den Zuström- und Abströmabschnitten des Stützkörpers. Dazu kann ein kleiner O-Ring 77 vorgesehen werden, um eine perfekte Abdichtung dieser Teile sicherzustellen.
• Innerhalb des zylindrischen Zapfens ist eine längliche Vertiefung 78 mit vieleckigem Querschnitt (vorzugsweise sechsekkig) angeformt und in die Vertiefung 78 ist ein Gewindebolzen 79 mittels eines an einem Ende des Stutzens ausgebildeten Fassungskopfes 81 eingeschraubt. Der Stutzen 79 schneidet sein Gewinde beim Einschrauben in die vieleckige Vertiefung, d. h. in den Zapfen 76b des Abströmkegels. Dieser Zusammenbauschritt gibt eine Komprimierung des O-Rings 77, womit die erwünschte Abdichtung erzeugt wird. Die flexible Membran kann dann über dem Käfig installiert und die Anordnung in das rohrförmige Gehäuse 10 nach Fig. 8 eingesetzt werden. Wie leicht ersichtlich, können die Zapfen 76a und 76b auch mit zusammenpassenden Schnappverbindungs-Merkmalen hergestellt werden, so daß sie durch diese Schnappverbindung zusammengehalten werden. Es ist anzuerkennen, daß diese Merkmale keine sehr starke Verbindung schaffen müssen, da beim Einsetzen des Stützaufbaus in das Gehäuse die Teile des Aufbaus durch die Ringmutter 65 oder durch den von dem Zusammenbau mit der elastischen Membran herrührenden Klemmdruck zusammengehalten werden.
• Schließlich zeigt Fig. 10 eine Ausführung ähnlich der Ausführung nach Fig. 4, in der jedoch die Membran nicht durch eine Außendruckquelle, sondern statt dessen durch einen Elektromagneten betätigt wird. Die Ausführung in Fig. 10 wird, obwohl sie nicht vollständig ein Teil der Erfindung ist, als eine Darstellung einiger Merkmale gezeigt, die, wie in den Ansprüchen dargelegt, in einem erfindungsgemäßes Gerät enthalten sein können.
• Insbesondere zeigt Fig. 10 ein direktwirkendes elektromagnetisch betätigbares 2/2-Wegeventil mit grundsätzlich dem gleichen Aufbau wie in den vorhergehenden Ausführungen. In diesem Fall ist die flexible Schlauchmembran 16 magnetisierbar gefertigt. Das kann beispielsweise so getan werden, daß fein verteiltes magnetisierbares Material in das elastomere Material eingemischt wird, aus dem die Schlauchmembran während des Extrusionsvorgangs gefertigt wird. Alternativ können magnetisierbare Metallteile, z. B. in schmaler länglicher Streifenform an der Schlauchmembran angebracht werden. In diesem Fall wird Magnetkreis 40 dieses Ventils in üblicher Weise aus Weicheisenmagnet-Polstücken 41 (gleichzeitig der Teil des Ventilgehäuses 10, der den Zuflußanschluß 6 trägt) und 42 aufgebaut, einem nichtmagnetisierbaren Teil 43 des Gehäuses 10, der zwischen den Polstücken 41 und 42 liegt, einem weichmagnetischen Joch 45 (d. h. magnetisierbarem Material von niedriger Remanenz) und aus einer Spule oder Wicklung 44.
• Der geringe Hub der Schlauchmembran sichert ein zuverlässiges Schalten dieser Magnetausführung. In der Membran 16 ist eine Drosselbohrung 64 vorgesehen, deren Größe entsprechend dem gewünschten Schaltverhalten bestimmt werden kann. Die günstigen Überströmbedingungen für den konzentrischen Ventiltyp ermöglicht es, einen beträchtlichen freien Durchflußquerschnitt mit sehr geringem Hub zu schaffen. Ein Schalten findet fast geräuschlos und ohne Öffnungs- oder Schließschlag bei gasförmigen oder flüssigen Fluiden statt. Auf diese Weise ist ein derartiges Ventil bei Herstellung aus entsprechenden Materialien besonders für medizinische Zwecke geeignet, z. B. für die verschiedenen Fluidleitungen, die bei Intensivstationen für die Überwachung und die therapeutische Behandlung einzelner Patienten benutzt werden. In diesem Fall werden die Patienten nicht durch die Klickgeräusche gestört und belästigt, die sonst aufzutreten pflegen.
• Wie leicht erkannt werden kann, stellen die dargestellten Ausführungen nicht erschöpfend den gesamten Bereich der Anwendungen solcher Ventile dar. Beispielsweise sind auch Aufbautypen vorstellbar, bei denen die Schlauchmembran nicht nur gegen innere Dichtkanten, sondern auch gegen äußere Dichtkanten schließt, so daß Mehrwege-Ventile einfach und kostengünstig hergestellt werden können. In diesem Fall können die Stützwände ebenfalls aus porösem Sintermaterial (Filterwirkung) oder aus perforiertem Metallblech mit kleineren oder größeren Perforationen gefertigt werden, aus stabilen Gittern unterschiedlicher Maschenweite usw.

Claims (20)

1. Membranventil zum Steuern von Fluiden, wobei das Ventil umfaßt ein eine im wesentlichen rohrförmige Kammer (5) umgebendes Gehäuse (10), das ein Einlaßende (6) und ein Auslaßende (8) besitzt; eine hülsenartige elastische Membran (16), die sich innerhalb der rohrförmigen Kammer (5) von dem Einlaßende (6) zu dem Auslaßende (8) erstreckt;. und einen fluidpermeablen, innerhalb der hülsenartigen Membran angeordneten und sich von dem Einlaßende zu dem Auslaßende erstreckenden Membranstützkörper (12a, 12b), welcher Membranstützkörper (12a, 12b) eine sich um ihn zwischen dem Einlaß- und dem Auslaßende erstreckende ringförmige Dichtfläche (14a) besitzt; wobei eine Trennwand (14) den Stützkörper unterteilt in einen fluidpermeablen Einlaßabschnitt (12a), der zwischen dem Einlaßende (6) und der ringförmigen Dichtfläche (14a) angeordnet ist und einen fluidpermeablen Auslaßabschnitt (12b), der zwischen der Dichtfläche (14a) und dem Auslaßende (8) angeordnet ist; der Auslaßabschnitt (12b) eine divergierende im wesentlichen kegelstumpfförmige Gestalt hat mit einem Bereich kleineren Durchmessers benachbart der Dichtfläche (14a) und einen Bereich mit breiterem Durchmesser benachbart dem Auslaßende (8); der Einlaßabschnitt (12a) vorzugsweise ein konvergenter Abschnitt ist mit mindestens im wesentlichen kegelstumpfförmiger Gestalt mit einem Bereich engeren Durchmessers benachbart der Dichtfläche (14a) und einem Bereich breiteren Durchmessers benachbart dem Einlaßende (6); und wobei Mittel (62; 40) vorgesehen ist, um eine Bewegung der Membran (16) zu erzeugen zwischen einer geöffneten Ventilstellung, in der die Membran Abstand von der ringförmigen Dichtfläche (14a) einhält und Strömung von dem Einlaßende (6) durch den festen fluidpermeablen Einlaßabschnitt (12a) über die ringförmige Dichtfläche (14a) durch den fluidpermeablen Auslaßabschnitt (12b) und aus dem Auslaßende (8) zuläßt, und einer geschlossenen Ventilstellung, in der die Membran (16) dichtend an der ringförmigen Fläche (14a) anliegt und im wesentlichen Strömung durch das Ventil verhindert; dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (12a, 12b) eine in Axialrichtung längs seiner radial äußeren Fläche gemessene Länge besitzt, die geringer als eine entsprechende Längenabmessung eines Abschnitts der Membran (16) im gelösten Zustand ist, der in der geschlossenen Stellung zur Berührung mit der radial äußeren Fläche ausgelegt ist.

2. Membranventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die entsprechende Längenabmessung der Membran von 4 bis 8% und vorzugsweise 6% größer als die Längenabmessung des Stützkörpers ist.

3. Membranventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß- und der Auslaßabschnitt (12a, 12b) hohl ist; und daß Einlaß- und Auslaß- Strömungskegel (15a, 15b) an der Trennwand (14) innerhalb des Einlaß- bzw. Auslaßabschnitts (12a, 12b) vorgesehen sind.

4. Membranventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der fluidpermeable Stützkörper (12a, 12b) eine Sinterstruktur aufweist.

5. Membranventil nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von länglichen Schlitzen in dem Einlaßabschnitt und in dem Auslaßabschnitt vorgesehen ist, die eine Strömung durch den Einlaßabschnitt nach außen und durch den Auslaßabschnitt nach innen zuläßt; und daß die Schlitze (74) sich vorzugsweise in Axialrichtung erstrecken und vorzugsweise zwischen Stegen (50) der Einlaß- und Auslaßabschnitte (12a, 12b) bestimmt sind, wobei die Stege radial äußere Flächen besitzen, die zu einer gemeinsamen Hüllfläche gehören, welche durch die Membran in der geschlossenen Stellung berührt wird.

6. Membranventil nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der fluidpermeable Stützkörper (12a, 12b) ein Einspritzformteil umfaßt.

7. Membranventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßabschnitt und der Auslaßabschnitt (12a, 12b) des fluidpermeablen Stützkörpers jeweilige Einspritzformteile umfassen, und daß in der Trennwand (14) Schraubenmittel (79) vorgesehen ist, um das erste und das zweite Einspritz-Formteil miteinander zu verbinden; und daß ein Ringteil (14) vorzugsweise zwischen die den Einlaßabschnitt (12a) und den Auslaßabschnitt (12b) bestimmenden Formteile eingesetzt ist, wobei die radial äußere Fläche des Ringteils die ringförmige Dichtfläche (14a) bestimmt und vorzugsweise einen angehobenen Ringwulst an der radial äußeren Oberfläche besitzt, welcher die Dichtfläche bestimmt.

8. Membranventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die länglichen Schlitze (74) in dem Einlaßabschnitt sich an dessen von dem Einlaßende (6) fernliegenden Endfläche öffnen; und daß die länglichen Schlitze (74) in dem Auslaßabschnitt (12b) sich an dessen von dem Auslaßende (8) abgelegenen Endfläche öffnen.

9. Membranventil nach Anspruch 8, bei dem ein Einlaß-Strömungskegel (15a) in dem Einlaßabschnitt vorhanden ist und ein Auslaß-Strömungskegel (15b) in dem Auslaßabschnitt (12b) vorhanden ist; und daß das die Abschnitte miteinander verbindende Schraubenmittel (79) ein in einem der Strömungskegel (15a, 15b) vorhandenes Schraubenbolzen-Element umfaßt und eine Öffnung zum Aufnehmen des Schrauben- Elements in dem anderen Strömungskegel, um eine Schraubverbindung zu bilden; und daß das Schrauben-Element vorzugsweise eine in den zugehörigen Strömungskegel (15a, 15b) eingeschraubte oder eingeformte Schraube umfaßt.

10. Membranventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Kammer (5) eine erste sich radial nach innen erstreckende Ringschulter (53) benachbart dem Einlaßende (6) besitzt und eine zweite sich radial nach innen erstreckende Ringschulter (54) benachbart dem Auslaßende (8); daß die hülsenartige elastische Membrane radial nach innen abstehende Flansche (52) benachbart dem Einlaßende (6) bzw. dem Auslaßende (8) besitzt; und daß im zusammengebauten Zustand der erste Flansch (52) durch den Einlaßabschnitt (12a) des Stützkörpers gegen die erste Ringschulter (53) gedrückt wird und der zweite Flansch (52) durch den Auslaßabschnitt (12b) des Stützkörpers gegen die zweite Ringschulter gedrückt wird.

11. Membranventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse umfaßt erste und zweite Teile (10a, 10b), die jeweils eine der Ringschultern enthalten, und Schraubenmittel zum Befestigen des ersten und des zweiten Teils miteinander.

12. Membranventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Rippe(n) an einer radial äußeren Fläche der elastischen Membran (16) vorgesehen ist/sind, um die Membran von dem Gehäuse (10) auf Abstand zu halten, und so das Strömen eines Betätigungsfluids um die Membran zu erleichtern.

13. Membranventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Erzeugung von Bewegung der Membran Mittel zum Zuführen von Druck zu einem Raum und zum Ablüften des Raumes umfaßt, der zwischen dem Gehäuse (10) und der flexiblen hülsenartigen Membran (16) bestimmt ist.

14. Membranventil nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (16) magnetisierbar und vorzugsweise von niederer magnetischer Remanenz ist, zumindest benachbart einem Einlaßbereich des Ventils; und daß das Mittel zum Erzeugen einer Bewegung der Membran einen Magnetkreis (40) umfaßt.

15. Membranventil nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Erzeugen von Bewegung der Membran Leitungsmittel (55) umfaßt, das zwischen dem Auslaßende des Gehäuses und der rohrförmigen Kammer radial außerhalb der Membran eine Verbindung herstellt, ein Pilotventil (57, 61) zum wahlweisen Sperren und Freigeben des Leitungsmittels und eine Drosselöffnung (64) in der Membrane, wobei die Drosselöffnung einen kleineren Strömungsquerschnitt besitzt als der minimale Strömungsquerschnitt des durch das Pilotventil (57, 61) freigegebenen Leitungsmittels (55) ist.

16. Membranventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungsmittel (55) mindestens teilweise in einem in das rohrförmige Gehäuse an dessen Auslaßende eingesetzten Einsatz (66) gebildet ist.

17. Membranventil nach Anspruch 16, bei dem das Leitungsmittel (55) umfaßt eine Radialbohrung (56) in dem Einsatz, welche Radialbohrung an einer radial äußeren Fläche des Einsatzes (66) mündet und eine Öffnung bildet, die zum wahlweisen Sperren oder Freigeben durch das Pilotventil (57, 61) ausgelegt ist.

18. Membranventil nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung in dem Einsatz (66) innerhalb eines vorstehenden Ringsitzes angeordnet ist und daß das Leitungsmittel vorzugsweise einen Kanal (59) in der radial äußeren Fläche des Einsatzes umfaßt, der zu der rohrförmigen Kammer (55) außerhalb der Membran (16) führt.

19. Membranventil nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (66) mit der Membran (16) an einem axial abstromseitigen Ende derselben verbunden ist.

20. Membranventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (12a, 12b) und/oder die Membran (16) in dem Gehäuse (10), das vorzugsweise ein einstückiges Gehäuse ist, durch eine in das Gehäuse eingeschraubte Ringmutter (65) befestigt ist/sind.