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Gegenstand der Erfindung ist die Ventiltechnik und genauer ein verbessertes, luftbetriebenes
Membranventil.
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Das Ventil ist insbesondere für den Gebrauch als Absperrventil für toxische Hochdruckgase
geeignet, wie sie in der Halbleiterindustrie verwendet werden und wie in Bezug darauf
beschrieben wird; wie jedoch ersichtlich wird, könnte das Ventil in anderen Umgebungen für
andere Zwecke verwendet werden.
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Die toxischen Hochdruckgase, welche in der Halbleiterindustrie als Prozeßgase verwendet
werden, erfordern hoch zuverlässige Ventile. Die Zuverlässigkeit wird an der Fähigkeit
gemessen, das Systemfluid zu halten und den Fluidfluß abzusperren. Die Halbleiterindustrie
hat dichtungslose bzw. nicht mit einer Packung gedichtete Ventile (Metallmembran) gewählt,
um das gewünchte Niveau an Zuverlässigkeit und Sicherheit zu schaffen. Gegenwärtig werden
dichtungslose Ventile vom Membrantyp bevorzugt, weil sie aufgrund ihres geringeren
Innenvolumens (verglichen mit Balgventilen) leichter zu reinigen und schneller zu entleeren
sind.
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Die Größe der benötigten Membran wird durch Forderungen an die Fließ- und
Zykluslebensdauer des Ventils gesteuert. In einem Hochdrucksystem erfordert die Größe der benötigten
Membran einen großen Betrag an Kraft, um die Druckbelastung des Systemfluids auf die
Membran zu überwinden. In der Mehrzahl der Anwendungen für das in Rede stehende Ventil
muß die Antriebs- bzw. Betriebsvorrichtung diese große Kraft erzeugen, während man
innerhalb der Grenzen der Packungsgröße und des Druckes bleibt, der für die Betätigung der
Betriebsvorrichtung zur Verfügung steht. Um all diesen Erfordernissen zu entsprechen, wird
eine Art von die Kraft vervielfältigendem Mechanismus zwischen dem Ventilelement und der
Betriebsvorrichtung benötigt.
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Es wird eine genaue Steuerung des Kraftausganges der Betriebsvorrichtung benötigt. Wenn
der Kraftausgang zu gering ist, kann die Betriebsvorrichtung die Druckbelastung auf die
Membran nicht überwinden und sperrt den Fluß ab. Wenn der Kraftausgang zu hoch ist, kann
das Ventil bei dem Druck, der für die Betätigung des Ventils zur Verfügung steht, nicht öffnen.
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Um eine hohe Zuverlässigkeit herzustellen, wird eine genaue Steuerung der Auf- und
Abhubbewegung der Membran benötigt. In dem Fall, bei dem ein verformbares Sitzmaterial
verwendet wird, wird eine gute Einschließung des Materials benötigt, um die Verformung auf
ein Minimum zu reduzieren, die eine erhöhte Membranbewegung zur Folge hätte, was die
Zykluslebensdauer verringern würde.
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Wegen der oben genannten Faktoren besteht ein laufender Bedarf, die Ventile zu verbessern
und die Lebensdauer des Sitzes und der Membran durch bessere Steuerung und Aufbau des
Verhältnisses zwischen den verschiedenen Komponenten, einschließlich des die Kraft
vervielfältigenden Mechanismus und des den Hub einstellenden Mechanismus, zu erhöhen.
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Es wird auch auf die US-A-4,828,219 Bezug genommen, welche ein Ventil nach den
Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 offenbart. Dieses Dokument beschreibt ein
Metallmembranventil, in welchem das Innere eines Ventilgehäuses mittels einer Metallmembran
geteilt ist, wodurch eine Ventilkammer bestimmt wird. Ein Einlaßloch und ein Auslaßloch sind
mit der Ventilkammer verbunden. Ein Ventilsitz ist zwischen den Einlaß- und den Auslaßlöchern
innerhalb der Ventilkammer geschaffen. Eine Ventilscheibe, die geeignet ist, auf dem Ventilsitz
zu ruhen, ist einstückig mit der Membran gebildet. Die Ventilscheibe wird durch eine
Antriebseinheit angetrieben, die außerhalb der Ventilkammer angeordnet ist, um das Ventil zu
öffnen oder zu schließen.
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Ventil mit einem Körper, welcher eine Ventilkammer mit
einem Ventilsitz in der Kammer und einer flexiblen Membrananordnung für das Abdichten der
Ventilkammer bestimmt, die zum Öffnen und Schließen des Ventilsitzes beweglich ist, wobei
die Membrananordnung eine Mehrzahl von flexiblen Metallmembranschichten in gestapelter
und nebeneinander angeordneter Lage aufweist mit einer ersten Membranschicht, die eine
Wand der Ventilkammer bildet und direkt über dem Ventilsitz liegt, um den Ventilsitz zu öffnen
und zu schließen, sowie eine zweite Metallmembranschicht in Eingriff mit der ersten
Membranschicht auf ihrer Seite gegenüber der Ventilkammer zur Schaffung einer
Unterstützung für die erste Membranschicht, und Verbindungsmittel aufweist, welche mindestens
die erste und zweite Membranschicht in einem Bereich mittig ausgerichtet zu dem Ventilsitz
verbindet, um das Trennen der ersten und zweiten Membranschicht und ein unerwünschtes
Schließen des Ventilsitzes zu verhindern, welches als Folge eines Fehlers der ersten Membran
durch dazwischen aufgebauten Druck verursacht wird; dadurch gekennzeichnet, daß das
Verbindungsmittel mindestens eine gewisse Relativbewegung zwischen der ersten und zweiten
Schicht während des Betriebes des Ventils gestattet.
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Die Membranschichten können zum Beispiel an einem zentralen Bereich durch Schweißen oder
Binden verbunden sein. Mit einer solchen Anordnung kann unerwünschte Bewegung der ersten
Membranschicht gegen den Sitz als ein Fehlerresultat von nur der ersten Membranschicht
verhindert werden. Ist die erste Membranschicht mit der zweiten Membranschicht verbunden,
kann zwischen den Schichten aufgrund des Fehlers der ersten Membran eingeschlossenes Gas
keinen Differenzdruck erzeugen, um die erste Membranschicht gegen den Sitz zu drücken. Die
Gesamtfunktionsvorteile, die aus der Verwendung von mehreren, dünnen
Metallmembranschichten gegenüber einer einzigen, schweren Membran gewonnen werden, gehen nicht
verloren, da die einzelnen Membranschichten immer noch die Fähigkeit behalten, sich bezüglich
zueinander an Punkten zu bewegen, die radial von dem zentralen, verbundenen Bereich im
Abstand gehalten sind.
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Zusätzlich oder alternativ kann eine dünne Schicht von flexiblem Material zwischen jeder der
Metallmembranschichten verbunden sein. Das flexible Material beeinflußt die Membranfunktion
nicht nachteilig, begrenzt aber den Betrag an Gas, das zwischen den Metallmembranschichten
eingeschlossen sein kann, wenn die erste Schicht versagt bzw. fehlerhaft ist, wodurch die
Probleme beim Versagen der ersten Membranschicht vermieden werden.
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In einem solchen für Hochdruckbetrieb geeigneten Ventil kann der Ventilkörper, welcher die
Ventilkammer mit einer ersten Innenwand bestimmt, eine erste Öffnung haben, die sich dort
hindurch nach außerhalb des Körpers erstreckt. Die flexible Metallmembran kann sich quer
durch die Kammer an einer Stelle erstrecken, die von der ersten Wand in Abstand gehalten ist
und mit der ersten Öffnung ausgerichtet ist. Die Sitzanordnung kann der ersten Öffnung für
die Zusammenarbeit mit der Membran zugeordnet sein, um den Fluß durch die erste Öffnung
zu steuern. Die Sitzanordnung kann einen elastischen, ringförmigen Sitzring aufweisen, der in
der Kammer an einer Stelle positioniert ist, um die erste Öffnung zu umgeben. Der Sitzring
kann mit einer Dichtungsoberfläche versehen sein, die zu der Membran für den Eingriff mit
dieser zugekehrt ist. Um den Sitzring zu umfassen und ihn bezüglich der ersten Öffnung
angeordnet zu halten, kann ein Rückhalteringteil vorgesehen sein, das sich nach oben
außerhalb neben dem Sitzring erstreckt. Nahe innerhalb des Sitzringes positioniert und sich von
der ersten Wand zu der Dichtungsoberfläche erstreckend kann eine starre Metallmuffe
angeordnet sein, um Einwärtsbiegen des Sitzringes zu verhindern und folglich auch axiale
Verformung des Sitzes zu begrenzen. Betätigungsmittel können für selektives Biegen der
Membran in Eingriff mit der Dichtungsoberfläche vorgesehen sein. Die Dichtungsoberfläche
kann so konturiert sein, daß sie eine gerkrümmte, konkave Form hat, die so gewählt ist, daß
sie der natürlichen Form der Membran entspricht, wenn die Membran in eine Eingriffsposition
mit der Dichtungsoberfläche bewegt wird.
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Durch Konturieren der Dichtungsoberfläche an die normale, gebogene Form der Membran wird
eine verbesserte Dichtung erhalten. Zusätzlich ist die Belastung des Sitzes einheitlicher, und
die Lebensdauer der Membran erhöht sich aufgrund ihrer natürlichen Form.
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Die starre Metallmuffe kann axial durch die erste Wand gestützt werden und die erste Öffnung
dicht umfassen. Vorzugsweise kann sich die Muffe im wesentlichen über die gesamte Höhe
des Sitzringes erstrecken, um ein Einschließen zu verursachen und das Einwärtsbiegen des
Sitzringes zu verhindern, während das Ventil schließt. Dies erlaubt natürlich, daß die
Membranbewegung äußerst kurz ist, wodurch die Lebensdauer der Membran verlängert wird.
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In einer anderen Ausführungsform kann der die Ventilkammer bestimmende Körper Einlaß- und
Auslaßöffnungen haben, welche die Kammer mit der Außenseite des Körpers verbinden. Das
Ventilelement ist für die Steuerung des Flusses durch die Kammer zwischen den Einlaß- und
Auslaßöffnungen positioniert. Um das Ventilelement zu betreiben, kann eine
Motorbetriebsanordnung für ein ausdehnbares Fluid positioniert sein, welche ein sich hin- und
herbewegendes Element für die Bewegung des Ventilelementes zwischen der offnenen und geschlossenen
Position aufweist. Die Betriebsanordnung kann eine Kappe und ein Verbindungsteil aufweisen,
das das Kappenteil lösbar mit dem Ventilkörper verbindet. Um die Einstellung des Hubes des
sich hin- und herbewegenden Teiles zu erlauben, können dem Kappenteil Einstellmittel und
Sperrmittel zugeordnet sein sowie Sperrmittel für das Befestigen der Einstellmittel in einer
vorbestimmten Position. Das Sperrmittel kann so angeordnet sein, daß es nicht gelöst werden
kann, wenn das Kappenteil mit dem Ventilkörper verbunden ist. Diese Anordnung verhindert
unerlaubtes Herumhantieren an dem Hubeinstellungsmechanismus, der auch den Kraftausgang
der Betriebsvorrichtung steuert. Zusätzlich wird die Feldeinstellung des Hubes so begrenzt, wie
es der Fall wäre, wenn das Sperrmittel leicht zugänglich wäre. Nur durch tatsächliches
Entfernen der Verbindung ist es möglich, Zugang zu dem Sperrmittel zu erhalten.
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Das Einstell- bzw. Justiermittel zum Erlauben der Hubeinstellung der Kraft des sich hin- und
herbewegenden Teiles, kann eine Gewindeschneidverbindung zwischen einem Basisteil, das
lösbar mit dem Kappenteil verbunden ist, und dem Kappenteil selbst aufweisen. Man bevorzugt
auch, daß das Sperrteil lediglich ein auswählbares, bewegliches Teil aufweist, um die
Bewegung der Gewindeverbindung zwischen dem Basisteil und dem Kappenteil zu verhindern.
In einer Ausführungsform kann das Sperrmittel eine Stellschraube aufweisen, die zwischen
dem Basisteil und dem Kappenteil in Eingriff ist, um die Bewegung der Gewindeverbindung zu
verhindern. Diese Stellschraube kann von einer Kappenmutter umschlossen sein, welche die
Kappe mit dem Ventilkörper verbindet.
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In einer weiteren Ausführungsform kann der die Ventilkammer bestimmende Ventilkörper
Einlaß- und Auslaßöffnungen haben, und die Membran kann zwischen ersten und zweiten
Positionen beweglich sein, um den Fluß durch die Kammer zwischen den Einlaß- und
Auslaßöffnungen zu steuern. Eine Motoranordnung für ausdehnbares Kammerfluid kann lösbar
mit dem Ventilkörper verbunden sein, um selektiv das Ventil zwischen der ersten und zweiten
Position zu bewegen. Die Motoranordnung für Fluid kann vorzugsweise ein zylindrisches
Gehäuse aufweisen, das erste und zweite axial voneinander im Abstand gehaltene Endwände
mit einer Betätigungsstange hat, die für die Hin- und Herbewegung befestigt ist und sich durch
die erste Endwand in Betriebseingriff mit dem Ventilteil erstreckt. Ein Kolben kann in der
Kammer gleitbar sein und bestimmt mit ihr ein Druckvorspannungsmittel, um die Zylinderwand
unter einer ständigen Spannung gegen die erste Endwand zu halten.
Kraftvervielfältigungsmittel können in der Druckkammer zwischen dem Kolben in der ersten Endwand zum
Übertragen der Kraft von dem Kolben zu der Betätigungsstange eingeschlossen sein.
Vorzugsweise können die Kraftvervielfältigungsmittel ein Paar von länglichen Hebeln
aufweisen, von denen jeder in ersten und zweiten entgegengesetzten Enden endet, wobei das
erste Ende jedes Hebels schwenkbar neben der ersten Endwand an im allgemeinen diametral
entgegengesetzten Positionen befestigt ist. Das zweite Ende jedes Hebel kann in Gleiteingriff
mit der Kolbenlage diagonal zu seiner jeweiligen Schwenkverbindung angeordnet sein. Ein
Zwischenteil auf jedem Hebel zwischen seinen ersten und zweiten Enden kann sich mit der
Betätigungsstange in Antriebseingriff befinden. Vorzugsweise kann sich zwischen den Hebeln
und der Betätigungsstange ein Gleichgewichtsplattenteil befinden, um die Kräfte zwischen dem
Zwischenteil jedes Hebels und der Betätigungsstange zu übertragen. In dieser Anordnung steht
der Zwischenteil jedes Hebels mit der Gleichgewichtsplatte an einer Stelle in Eingriff, die sich
im gleichen Abstand von der Achse der Betätigungsstange befindet. Diese Anordnung schafft
eine hohe Kraftvervielfältigung über eine kurze Entfernung, wie von der Membran gefordert
wird, während erlaubt wird, die Gesamtgröße der Betätigungsanordnung klein zu halten.
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Vorzugsweise können die Hebel so befestigt sein, daß sie in seitlich parallelen Ebenen
schwenken, und die zweiten Enden der Hebel kommen mit dem Kolben an Punkten in Eingriff,
die im allgemeinen auf einer diagonalen Linie liegen, welche durch die Achse der
Betätigungsstange hindurchgeht. Diese Anordnung resultiert in einem äußerst kompakten und
hochwirksamen kraftübertragenden und -vervielfältigenden Mechanismus, derart, daß mit einem
Betätigungsfluid mit verhältnismäßig niedrigem Druck eine kurze Bewegung mit großer Kraft
erzeugt werden kann.
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Wie man aus dem Vorhergehenden sehen kann, besteht ein erster Vorteil der praktischen
Ausführungsformen der Erfindung in der Schaffung eines luftbetriebenen Membranventils, das
fähig ist, verläßlich Hochdruckfluide zu steuern.
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Ein anderer Vorteil besteht in der Schaffung eines Membranventils vom allgemein
beschriebenen Typ, das mit einer Anordnung für die Erzeugung einer erzwungenen
Fehlbetriebsart versehen ist.
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Ein weiterer Vorteil besteht in der Schaffung einer Membrananordnung für Ventile des
betrachteten Typs, wobei die Membrananordnung für die Erzeugung einer gewünschten
Fehlbetriebsart bestimmt ist.
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Ein weiterer Vorteil besteht in der Schaffung eines Ventils des diskutierten Typs, wobei der
Sitz und die Membran so angeordnet sind, daß sie dichtend gleichförmig über der natürlichen
Form der Membran in ihrer gebogenen Lage in Eingriff kommen.
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Noch ein anderer Vorteil der Erfindung besteht in der Schaffung eines hoch zuverlässigen
Membranventils mit einem Fluidmotorantrieb, das für die Schaffung eines hohen
Kraftausganges über einen kurzen eng bzw. fein gesteuerten Hub angeordnet ist.
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Ein zusätzlicher Vorteil besteht in der Schaffung eines Ventils vom allgemein diskutierten Typ,
wobei der Ausgangshub des Antriebs nur eingestellt werden kann, wenn der Antrieb von dem
Ventilkörper getrennt ist.
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Noch ein weiterer Vorteil besteht in der Schaffung eines Ventils vom beschriebenen Typ, das
dazu bestimmt ist, eine lange Membranlebensdauer sicherzustellen.
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Es folgt nun eine Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung als Beispiel
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen die Fig. 1 bis 7
erfindungsrelevante Aufbauten darstellen und die Fig. 8 und 9 zwei spezifische
Ausführungsformen der Erfindung darstellen. Insbesondere in den Zeichnungen ist:
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Fig. 1 eine vertikale Querschnittsansicht durch ein typisches Ventil der in dem
einleitenden Teil der Beschreibung beschriebenen Art;
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Fig. 2 eine durch die Linien 2-2 der Fig. 1 genommene Querschnittsansicht;
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Fig. 3 eine stark vergrößerte Ansicht des eingekreisten Bereiches der
Fig. 1;
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Fig. 4 eine Ansicht ähnlich der von Fig. 3 aber unter Darstellung des Ventils in einer
geschlossenen Position;
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Fig. 5 eine stark vergrößerte Darstellung des eingekreisten Bereiches der Fig. 3;
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Fig. 6 eine Ansicht entlang der Linie 6-6 der Fig. 5;
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Fig. 7 eine Ansicht entlang der Linie 7-7 der Fig. 5;
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Fig. 8 eine vergrößerte Ansicht des eingekreisten Bereiches der Fig. 3, welche
Merkmale nach der Erfindung zeigt; und
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Fig. 9 eine Querschnittsansicht durch eine modifizierte Ausführung der
Membranordnung.
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Bezieht man sich insbesondere auf die Zeichnungen, so zeigt Fig. 1 die Gesamtanordnung
eines luftbetriebenen Hochdruckabsperrventils, das einen Körper und eine Ventilanordnung 10
aufweist, die durch eine luftbetätigte Fluidmotorantriebsanordnung 12 betrieben wird. Die
Antriebsanordnung 12 ist mit dem Körper und der Hauptventilanordnung 10 durch einen
lösbaren und einstellbaren Kappenaufbau verbunden.
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Die Hauptventilanordnung 10 weist ein Hauptkörperelement 16 auf, das aus einem beliebigen
geeigneten Material, wie zum Beispiel nicht-rostender Stahl, gebildet sein kann. Die
Körperanordnung 16 hat eine sich nach innen erstreckende Hauptkammer 18, die sich axial
in den Körper von seinem oberen Ende erstreckt. Die Kammer 19 hat allgemein zylindrische
Form und eine Einlaßöffnung 20, die sich axial in die Kammer 18 erstreckt und das Äußere des
Körpers über einen Einlaßdurchgang 22 verbindet. Die Kammer 18 steht auch mit dem
Äußeren des Körpers durch einen Auslaßdurchgang 24 in Verbindung. Die Einlaß- und
Auslaßdurchgänge 22, 24 könnten mit jeder besonderen gewünschten Art von
Endanschlußstücken versehen sein, um ihre Verbindung mit zugeordneten Rohr- und Fließsystemen zu
erlauben.
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Das offene obere Ende der Kammer 18 wird durch ein Kappenteil 26 geschlossen, das
allgemein zylindrische Form hat und sich in die Kammer 19 in enger Gleitlage mit ihrer
Innenwand erstreckt. Ein sich radial erstreckender Flansch 28 ist um den zentralen Abschnitt
des Kappenteils 26 gebildet und schafft eine nach oben gerichtete Schulteroberfläche 30. Ein
Aufnahmekappenmutterteil 32 wird auf dem Kappenteil 26 aufgenommen und hat einen sich
nach innen erstreckenden Flanschteil 34, der sich gegen die Schulter 30 stützt.
Zusammenwirkende Gewinde 36 zwischen dem Inneren der Mutter 32 und dem Äußeren des Körpers um
die Kammer 18 schaffen Mittel für die lösbare Positionierungsverbindung des Mutternteils und
des Kappenteils 26.
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Die Kammer 18 ist durch ein sich quer erstreckendes Membranteil 40 abgedichtet, das sich
vollständig durch die Kammer 18 erstreckt und einen Umfangskantenteil hat, der dichtend an
ein Ringteil 42 geklemmt ist. Der Aufbau des Ringteils 42 wird anschließend etwas genauer
beschrieben; vorläufig wird jedoch die Aufmerksamkeit auf Fig. 3 gerichtet, worin die Lage
der Membran 40 zu den innerhalb der Kammer 18 verbleibenden Elementen am besten
verstanden werden kann. Es sei bemerkt, daß viele unterschiedliche Arten von Membranteilen
verwendet werden können. In der in Rede stehenden Ausführungsform wird jedoch eine
vielschichtige Metallmembran bevorzugt. Speziell in dieser Ausführungsform ist die Membran
40 aus fünf Schichten einer Kobalt-, Nickel-, Chromlegierung, wie zum Beispiel Elgiloylegierung
gebildet, wobei jede die Dicke von ungefähr 0,127 mm (0.005 Zoll) hat. Die Membran 40 hat
eine leicht konvexe Konfiguration, wie am besten in Fig. 3 gezeigt wird. Ähnlich ist das
untere Ende des Kappenelementes 26 mit einer ein wenig konkav krummlinigen Form
versehen, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Der Kantenteil der Membran 40 ist dicht fortlaufend
um seinen Umfang herum an einen Wulst 42a auf dem Ring 42 geklemmt. Ein ähnlicher Wulst
42b erstreckt sich von dem Ring 42 nach unten und kommt mit der Bodenwand 46 der
Kammer 18 in Eingriff. Dies dichtet die Kammer 18 vollständig ab, und auf eine Weise, die
später beschrieben wird, wird der Membran 40 erlaubt, als das Ventilelement zu arbeiten.
Diesbezüglich sollte bemerkt werden, daß die in Rede stehende Ausführungsform ein
ringförmiges, elastisches Sitzelement 50 verwendet, das um den Einlaßdurchgang oder -
öffnung 20 positioniert ist, wobei seine Bodenwand 52 gegen die Bodenwand 46 der Kammer
18 ruht. Der Ring 50 ist aus einem beliebigen geeigneten elastischen Material gebildet,
welches die Merkmale und Eigenschaften besitzt, die für die besonderen Materialien notwendig
sind, welche das Ventil handhaben soll. In der vorliegenden Ausführungsform hat der Ring 50
eine ebene Bodenwand und sich nach oben erstreckende parallele Seitenwände, die an ihrem
oberen Ende durch eine Dichtungsoberfläche 54 verbunden sind. Der Sitzring 50 ist in axialer
Ausrichtung mit dem Einlaßdurchgang oder-Öffnung 20 positioniert, wie allgemein gezeigt ist.
Ein starres, metallenes Muffenelement 56 ist dicht innerhalb des Sitzringes 50 angeordnet und
ruht gegen die Bodenwand 46 der Kammer 18. Die Muffe 56 ist aus einem beliebigen
geeigneten Metall gebildet, wie zum Beispiel nicht rostender Stahl und erstreckt sich von der
Wand 46 nach oben fast bis zu der Dichtungsoberfläche 54. Der Ring 46 wird mit Friktion
durch ein festes Passen mit dem Inneren des Dichtungsringes am Platz gehalten.
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Bezieht man sich erneut auf den Metallring 42, so sieht man, daß dieser Ring dahin wirkt, den
Sitzring 50 am Platz zu halten und den Sitzring 50 zu veranlassen, dichtend mit der
Bodenwand 46 der Kammer 18 in Eingriff zu kommen. Der Sitzring 50 weist speziell einen sich
am Umfang fortlaufenden und radial erstreckenden unteren Flansch- oder Kragenabschnitt 58
auf, der sich nach außen unter den inneren Teil der unteren Seite des Ringes 42 erstreckt, wie
in Fig. 3 gezeigt wird. Wenn das Kappenteil 56 durch Festziehen der Kappenmutter 32 nach
unten betätigt wird, werden somit Kräfte aufgebracht, welche den Flanschabschnitt 58
zusammenpressen und ihn in Dichtungseingriff mit der Bodenwand 46 der Kammer 18
zwingen. Diesbezüglich muß bemerkt werden, daß der Ring 42 auch eine Vielzahl von am
Umfang im Abstand gehaltenen, sich quer erstreckenden Durchgangsöffnungen 60 aufweist.
Diese Öffnungen schaffen einen Fließweg, so daß der in die Kammer 18 durch den Einlaß 20
eintretende Fluß nach außen zu dem Auslaß 24 fließen kann. Zusätzlich sollte bemerkt
werden, daß der Ring 42 über der Bodenwand 46 und ihren zentralen Bereich so angehoben
ist, daß der Fluß, nachdem er durch die Öffnung 60 gekommen ist, durch diesen angehobenen
Bereich zu dem Auslaß 24 fließen kann.
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Es sei bemerkt, daß die Dicke des Ringes 42 derart ist, daß er sich nach oben über einem
wesentlichen Teil der gesamten Höhe des Ringes 50 erstreckt. Somit ist der Sitzring 50
zwischen der inneren Muffe 56 und dem Ring 42 begrenzt. Die Dichtungsoberfläche 54,
welche über der maximalen Höhe der Muffe 56 und dem Ring 42 liegt, ist nach der
vorliegenden Erfindung genau entsprechend der normalen Form der Membran 40 konturiert,
wenn sie in Dichtungseingriff mit der Oberfläche 54 nach unten gebogen wird. In der
vorliegenden Ausführungsform wird diese spezielle Form am besten in Fig. 4 gezeigt, welche
das Ventil in seiner geschlossenen Position darstellt, wobei die Membran 40 nach unten in
Eingriff mit der Dichtungsoberfläche 54 gebogen ist. Es ist zu bemerken, daß die Membran
durch ein Betätigungstastteil 66 nach unten bewegt wird, das eine etwas gerundete oder
konturierte Unterseite 68 hat, die ebenso geformt und gesteuert ist, daß sie die allgemeine
Form des normalen Biegemusters der Membran 40 hat. Auf diese Weise ist der Kontakt
zwischen der Dichtungsoberfläche 54 und der unteren Oberfläche der Membran 40 über den
gesamten Dichtungsbereich hindurch verhältnismäßig gleichförmig. Die begrenzte
Beschaffenheit der Dichtung aufgrund des Vorhandenseins der Muffe 56 und des Ringes 42 stellt sicher,
daß der elastische Sitz 50 sich nicht in unerwünschter Weise verformt oder biegt, um den
Kontakt zwischen der Membran und der Dichtungsoberfläche zu verändern. Durch derartiges
Begrenzen des Sitzringes 50 bleibt die Höhe zur Oberfläche 54 zusätzlich konstant, wobei
verhindert wird, daß die Membran aufgrund übermäßiger Biegung des Sitzes überbeansprucht
wird.
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Die Betätigungstaste 66 ist in der vorliegenden Ausführungsform aus Messing gebildet und
wird dicht geführt und in einer sich nach innen erstreckenden Gegenbohrung 70
aufgenom
men. Ein Schaftteil 72 (siehe Fig. 1) erstreckt sich von der Betätigungstaste 66 in einen
oberen Kammerteil 74, der in dem Kappenteil 26 getragen wird. Die Betätigungstaste 66 und
der Schaft 72 werden durch einen Schnappring 76 in Position gehalten, der um einen
verringerten Durchmesserteil des Schaftes 72 in Eingriff steht. Das obere Ende des
Schaftteiles 72 steht durch das untere Ende eines Betätigungsstangenteils 78 in Eingriff, das
sich von der Anordnung 12 nach unten erstreckt.
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Der Aufbau der Betätigungsstange 78 und ihre Lage zu der Kappeneinstellungs- und der
Verbindungsanordnung 14 wird später genauer beschrieben. Vorläufig jedoch wird die
Aufmerksamkeit auf die Betätigungsanordnung 12 gerichtet, wie am besten in den Fig. 1
und 2 zu sehen ist. Wie darin gezeigt wird, weist die Betätigungsanordnung 12 einen
Kraftzylinder 80 auf, der aus einer rohrförmigen Muffe 82 gebildet ist, die vorzugsweise aus
geeignetem Metall, wie zum Beispiel Aluminium, besteht und obere und untere Endwände 84
und 86 hat, die mit Gewinde in den entgegengesetzten Enden aufgenommen werden. Die
untere Endwand 86 ist dichtend mit dem unteren Ende der Muffe 82 verbunden, und eine
geeignete O-Ringdichtung 88 dichtet die Gewindeverbindung zwischen der Endwand 86 und
der Muffe 82 ab. Die obere Endwand 84 ist ein Element mit abgesetztem Durchmesser mit
einem zentralen Schaft 90 von kleinem Durchmesser, der axial gebildet ist und sich in das
Innere der Muffe 82 wie gezeigt erstreckt. Ein zentraler Fließdurchgang 92 ist innerhalb der
Endwand 84 axial durch den Schaftteil 90 gebildet. Der Durchgang 92 schafft Mittel für die
Zufuhr einer Quelle an Fluid unter Druck in das Innere des Zylinders 80. Zu diesem Zweck wird
eine schematische Darstellung einer Quelle 94 mit Luftzufuhr und eines Steuerventils 96
gezeigt, die mit dem Durchgang 92 verbunden sind.
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Innerhalb des Zylinders 82 ist für axiale Gleitbewegung ein Kolbenteil 98 positioniert, das eine
muffenähnliche Ausdehnung 100 hat, die sich von dort nach oben erstreckt. Die
muffenähnliche Ausdehnung 100 nimmt eng den Schaftteil 90 der oberen Endwand 84 auf. Ein
geeigneter O-Ring 102 wird in der Ausdehnung 90 getragen, um zwischen der Ausdehnung
90 und der muffenähnlichen Ausdehnung 100 abzudichten. Zusätzlich schafft ein zentraler
Durchgang 104 eine Verbindung von dem Durchgang 92 zu einer unteren abgedichteten
Kammer 106 in dem Zylinder 80. Ein geeigneter O-Ring 108 dichtet um den Umfang des
Kolbens ab, um sicherzustellen, daß die Kammer 106 vollständig abgedichtet ist.
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Der Kolben 98 wird durch ein Paar von konzentrisch positionierten Kompressionsfedern 110
bzw. 112 unter einer ständigen, verhältnismäßig starken nach unten gerichteten Vorspannung
gehalten. In der vorliegenden Ausführungsform wird die nach unten gerichtete Kraft auf den
Kolben 98 normalerweise durch die Betätigungsstange 78 durch einen
bewegungsvervielfältigenden Mechanismus 116 geleitet. Dieser Mechanismus weist ein Paar von Hebelelementen
118 und 120 auf, die schwenkbar von der unteren Wand 86 befestigt sind. Wie man am
bestens in Fig. 2 sieht, erstrecken sich die Hebelteile 118 und 120 in paralleler Lage
nebeneinander. Ihre unteren Enden (wie in Fig. 1 gezeigt ist) sind jeweils für
Schwenkbewegung getrennt um Achsen befestigt, die sich parallel mit gleichen Abständen auf
entgegengesetzten Seiten der zentralen Achse erstrecken.
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Das untere Ende des Hebels 118 ist auf einem geeigneten Drehzapfen 122 verbunden, der sich
quer durch die Kammer 106 zwischen Stützteilen 124 und 126 erstreckt, die mit der
Bodenwand 86 verbunden sind. Ein ähnlicher Drehzapfen 128 erstreckt sich parallel zu dem
Drehzapfen 122 an der entgegengesetzten Seite der Kammer 106 und nimmt schwenkbar das
untere oder rechte Ende des Hebels 120 auf. Das entgegengesetzte Anschlußende jedes
Hebels 118 und 120 erstreckt sich diagonal nach oben zu einer Stelle, die auf
entgegengesetzten Seiten der zentralen Achse für den Eingriff mit der Unterseite des Kolbens 98 in
gleichem Abstand gehalten ist. Mit der Unterseite des Kolbens 98 ist eine geignete
Verschleißplatte 130 verbunden, die im allgemeinen ringförmig ist und sich am Umfang um den
Kolben auf seiner Unterseite erstreckt. Die Verschleißplatte ist mit dem Kolben durch Biegen
oder andere positive Verbindung mit diesem verbunden. Die nach unten gerichtete Bewegung
des Kolbens 98 veranlaßt den Hebel 118, um seinen Drehzapfen 122 im Uhrzeigersinn
geschwenkt zu werden. Ähnlich wird der Hebel 120 im Gegenuhrzeigersinn geschwenkt, wie
in Fig. 1 gezeigt ist. Zwischen den zwei Endteilen jeder der Hebel 118 und 120 befindet sich
ein Zwischenteil 134 bzw. 136. Diese Zwischenteile befinden sich dicht neben dem jeweiligen
Drehzapfen 122, 128 und sind vorzugsweise in gleichen Abständen radial nach außen von der
Mittelachse angeordnet. Ein geeignetes Druckplattenelement 140 ist auf dem oberen Ende der
Stoßstange 78 befestigt und steht durch die Teile 134 und 136 in Eingriff. Man sieht, daß das
obere Ende der Betätigungsstoßstange 78 einen vergrößerten, etwa kugelförmigen Kopf 142
hat, der in einer konischen Öffnung 144 in der Platte 140 aufgenommen wird. Dies erlaubt der
Platte 140, leicht bezüglich der Betätigungsstange 78 zu kippen und sich zu verschieben.
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Die Betätigungsstange 78 erstreckt sich nach unten in einer axialen Richtung aus der Kammer
106 durch einen Nackenteil 148, der auf der Unterseite der unteren Wand 86 gebildet ist. Die
Betätigungsstange 78 weist einen zentral angeordneten Dichtungsring 150 auf, der um die
Stange abdichtet, während er reziproke Bewegung bezüglich dieser erlaubt. Es sei bemerkt,
daß die Betätigungsstange 78 unter einer ständigen, nach oben gerichteten Vorspannung
durch eine verhältnismäßig leichte Kompressionsfeder 154 gehalten wird, die sich gegen eine
auf der Stange 78 gebildete Schulter 156 stützt. Das untere Ende der Kompressionsfeder 154
stützt sich gegen einen elastisch federnden Führungsring 160, der in der Gegenbohrung 162
angeordnet ist.
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Die Federn 112 und 110, welche die Vorspannung des Kolbens 98 nach unten bewirken,
haben deutlich größere Leistung als die Feder 154. Zusätzlich ist der Aufbau des
Vervielfältigungsmechanismus 116 für die Bewegung derart, daß er zu einer beträchtlichen
Verstärkung der durch die Kompressionsfedern 110 und 112 erzeugten Kräfte führt. Diese
kombinierte Kraft neigt dazu, die Kompressionsfeder 154 aufzuheben und hält normalerweise
die Betätigungsstange 78 vorgespannt nach unten gerichtet, um das Ventil in eine
geschlossene Position zu zwingen, wie in Fig. 4 dargestellt ist. Nur wenn Luft aus der
Luftzufuhrquelle 94 der Kammer 106 zugeführt wird und der Kolben nach oben gegen die
Vorspannung der Federn 110 und 112 betätigt wird, kann die Feder 154 die
Betätigungsstange nach oben bewegen, um nach oben gerichtete Bewegung und das Öffnen der Membran
40 zu erlauben. Dies resultiert selbstverständlich daraus, daß die natürliche Federkraft der
Membran 40 diese veranlaßt, sich in die obere gebogene Position zu bewegen, wie in den
Fig. 1 und 3 gezeigt ist.
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Aus dem Vorangegangenen erkennt man, daß die tatsächliche Bewegung der
Betätigungsstange 78, die dem Ventil erlaubt, aus einer völlig offenen in eine völlig geschlossene Position
zu gehen, eine verhältnismäßig kurze Bewegung ist. Aufgrund der erzeugten hohen Kräfte und
des kurzen Abstandes sowie der tatsächlichen Bewegung zwischen einer völlig offenen und
einer völlig geschlossenen Position ist das Positionieren der Stange und der Betätigungstaste
66 bezüglich der Membran verhältnismäßig kritisch, und Toleranzschwankungen und
dergleichen in der Herstellung der Betätigungsvorrichtung können verhältnismäßig bedeutende
Unterschiede in der Position der Betätigungstaste zur Folge haben. Daher ist die Anordnung
so aufgebaut, daß der Hub auf äußerst enge Toleranzen eingestellt werden kann. Um die
Einstellung zu erlauben, ist das untere Ende der Ausdehnung 148 mit Gewinde versehen und
wird mit Gewinde in dem Kappenteil 26 wie gezeigt aufgenommen. Eine geeignete Dichtung
170 dichtet um das untere Ende der Ausdehnung 148 ab, und durch Drehen der
Betätigungsvorrichtung 12 bezüglich der Kappe 26 kann die tatsächliche Position der Betätigungsstange
78 in ihre völlig ausgedehnte Position so eingestellt werden, daß die maximale Schließkraft
gegen die Membran wirkt und das Sitzelement fein eingestellt werden kann. Zur Durchführung
dieser Einstellung werden das Kappenelement und die Betätigungsvorrichtung aus dem Ventil
entfernt und in einer Stand- oder Testelementvorrichtung angeordnet, die geeignet eingerichtet
ist, so daß durch Enddrehung der Betätigungsvorrichtung bezüglich der Kappe die maximale
Endausdehnungsposition und der Kraftausgang der Betätigungstaste fein gesteuert werden
können. Wenn die Einstellung richtig ist, wird weitere relative Bewegung zwischen den
Komponenten durch ein Sperrmittel in der Form einer oder mehrerer Stellschrauben 176
verhindert, die sich in Gewindeeingriff mit dem Kappenteil 26 durch dieses erstrecken. Durch
Anziehen der Stellschraube 176 werden die Ausdehnung 148 und die Betätigungsanordnung
12 in Position gesperrt. Es ist zu bemerken, daß die Stellschraube 176 derart angeordnet ist,
daß wenn die Anordnung auf dem Ventilkörper in Position gebracht ist und die
Aufnahmekappenmutter nach unten angezogen ist, die Stellschraube 176 völlig eingeschlossen ist und nicht
gelöst werden kann. Dies verhindert unerlaubtes Einstellen des Hubes. Nur durch tatsächliches
Entfernen der Anordnung von dem Ventilkörper ist es möglich, den Hub einzustellen. Dies
hindert Personen an dem Versuch, einen undichten Sitz durch Aufbringen größerer
Schließkräfte durch Einstellen des Ventilhubes zu korrigieren. Es sei auch bemerkt, daß der
vorliegende Aufbau derart ist, daß wenn sich eine Undichtigkeit durch die Membran 140
entwickeln sollte, die Abdichtungen 170 und 150 so angeordnet sind, daß sie einen
sekundären oder Ersatzdichtungsaufbau schaffen. Jede Undichtigkeit, die in dem Bereich
zwischen den Dichtungen 170 und 150 stattfindet, kann durch die Öffnung 180 überwacht
werden. Geeignete Überwachungsvorrichtungen können, wenn es notwendig ist oder
gewünscht wird, direkt mit dieser Öffnung verbunden werden.
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Bezüglich eines Fehlers der Membrananordnung wurde herausgefunden, daß bei
kuppelförmigen Membranen des hier verwendeten Typs Fehler häufig durch Springen aufgrund von
Ermüdung auftritt. In typischer Weise liegt der Sprung nahe einer Stelle, welche dem äußeren
Durchmesser der Betätigungstaste entspricht. Wenn die Membran springt, ist dies anfänglich
sehr gering, in der Art eines Mikrosprunges und kann mit dem bloßen Auge allein nicht
gesehen werden. Im allgemeinen bildet sich der Sprung zuerst nur durch die innerste
Membranschicht 40a, welche der Sitzoberfläche 54 zugewandt ist (siehe Fig. 5). Wenn das
Ventil unter Druck steht, tritt das Drucksystemfluid durch den Sprung und gerät zwischen die
Bodenschicht 40a der Membran und die nächste darüber angrenzende Schicht 40b. Dies kann
zum Vorspannen der Bodenschicht 40a nach unten gegen die Sitzoberfläche 54 führen, was
den Fluß durch das Ventil abstellt, selbst wenn sich die Ventilbetriebsvorrichtung in der
offenen Position befindet. Dies kann in bestimmten Systemarten schwerwiegende Probleme
hervorrufen.
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Um den vermerkten Problemen abzuhelfen, die aus einem Fehler der untersten
Membranschicht herrühren, ist die vorliegende Vorrichtung mit einem Aufbau zum Ablassen des
Druckes zwischen den Schichten 40a und 40b durch Schaffen von Entlüftungsmitteln
versehen. Insbesondere in der vorliegenden Ausführungsform weist die bevorzugte Form des
Entlüftungsmittels Öffnungen 182 mit sehr geringem Durchmesser auf, welche durch die
oberen Membranschichten 40b, 40c, 40d und 40e gebildet sind, um zu erlauben, daß jeder
Druck aus dem Raum zwischen den Schichten 40a und 40b zu dem Raum oberhalb der
Membran 40 passieren kann und somit durch die Öffnung 180 überwacht wird. Da der Druck
zwischen den Schichten 40a und 40b entlüftet wird, entsteht kein unerwünschtes Schließen
der Schicht 40a gegen die Sitzoberfläche 54.
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Man kann erkennen, daß Öffnungen 182 an vielen Positionen auf den oberen
Membranschichten angeordnet sein könnten, jedoch wird bevorzugt, daß sie an einem unteren
Belastungsbereich der Membran angeordnet sind. Ferner wird äußerst bevorzugt, daß sie
verhältnismäßig klein sind, der Art von nur einigen tausendstel cm (Zoll) im Durchmesser, um
die Festigkeit oder Steifigkeit der Membran nicht zu beeinflussen.
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Durch Entlüften der oberen Membranschichten in der beschriebenen Weise kann die
Fehlerbetriebsart des Ventils dahingehend gezwungen werden, daß sie ähnlich der der mehr
herkömmlichen Ventile ist, die über einen ausgedehnten Zeitraum in Gebrauch waren und mit
denen jeder vertraut ist.
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Das Vorhandensein von Öffnungen 182 macht es wichtig, daß die die Membran 40 bildenden
Schichten in der richtigen Reihenfolge installiert werden. Man versteht, daß wenn die
Schichten in einer nicht richtigen Reihenfolge mit Öffnungen 182, die sich in die Ventilkammer
18 öffnen, installiert würden, die Membrananordnung sich in der Weise einer Membran nach
dem Stand der Technik mit einem Ermüdungssprung in den unteren vier Schichten verhalten
würde, d. h. daß die unteren vier Schichten nach unten gegen die Sitzoberfläche 54
vorgespannt würden. Aus diesem Grund sind Mittel vorgesehen, um die Möglichkeiten einer
zufällig nicht richtigen Installation der Membran zu verringern und das Ventil daran zu hindern,
einen Undichtigkeitstest zu durchlaufen, wenn die Membranschichten nicht richtig installiert
sind. Die Mittel können verschiedene Formen haben. In der vorliegenden Ausführungsform
weist es einen Schlitz oder eine Umfangsausnehmungsöffnung 184 auf, die sich in die äußere
Oberfläche der Membranschicht 40e erstreckt, wie man am besten in Fig. 7 sieht. Natürlich
erstreckt sich die Ausnehmung 184 axial in die Membran nur über eine kurze Entfernung, wie
zum Beispiel durch nur eine oder zwei der Schichten. Die radiale Ausdehnung der Öffnung 184
ist jedoch derart, daß sich die Öffnung, wenn die Membranschichten in nicht richtiger
Reihenfolge installiert sind, über den Dichtungswulst 42a des Ringes 42 erstreckt. Dies hindert
den Ring 42a daran, mit der Membrananordnung eine Dichtung zu bilden. Wenn also das Ventil
auf Undichtigkeit getestet wird, ist die nicht richtig installierte Membran leicht zu erkennen.
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Fig. 8 zeigt eine modifizierte Form einer Membran 40, welche die Probleme überwinden kann,
welche mit dem Fehler der ersten oder untersten Membranschicht zusammenhängen. Es ist
zu bemerken, daß in der Ausführungsform der Fig. 8 die einzelnen Membranschichten in
einem sehr begrenzten Bereich zentral von der Anordnung an einer Stelle miteinander
verbunden sind, die sich allgemein in axialer Ausrichtung mit der Mitte der Betätigungstaste
66 befindet. Diese Verbindung wird vorzugsweise durch ein Elektronenstrahlschweißen 100
durchgeführt. Durch Begrenzen der positiven Verbindung der Membranschichten auf die radiale
Mitte der Anordnung bleiben die Gesamtfunktionsvorteile und die verlängerte
Membranlebensdauer erhalten, welche durch mehrfache dünne Membranschichten erreicht wird. Dies ist der
Fall, weil die Verbindung nicht das leichte relative Gleiten und die freie Bewegung verhindert,
die zwischen den Membranschichten notwendig ist, wenn sie zwischen der offenen und
geschlossenen Position gebogen werden.
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Bei den wie gezeigt verbundenen Membranschichten kann Gas, das zwischen den Schichten
als Folge eines Fehlers der unteren Membranschicht eingeschlossen ist, kein nach unten
gerichtetes Druckdifferential auf die untere Membranschicht erzeugen. Dies ist der Fall, weil
die Verbindung ein Ausgleichen der Kräfte zur Folge hat, welche auf die untere
Membranschicht wirken.
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In der Ausführungsform der Fig. 8 wird die Verbindung wirkungvoll zwischen den
verschiedenen Membranschichten gezeigt. In anderen Ausführungsformen kann die Verbindung
jedoch, um wirkungsvoll zu sein, zum Beispiel nur zwischen der ersten und zweiten Schicht
angeordnet sein.
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Fig. 9 zeigt eine weitere Modifikation der Membran, welche den oben erwähnten Problemen
abhelfen kann, die aus einem Fehler der unteren Membranschicht resultieren. Die Membran ist
speziell mit 40' bezeichnet und weist die mehrschichtigen, dünnen Metallschichten 40a'-40e'
auf, welche den allgemeinen Aufbau und die Merkmale haben, die zuvor in Bezug auf die
Anordnung 40 der Fig. 1 bis 4 erläutert wurden. Die Membran 40' unterscheidet sich
jedoch darin, daß die Metallschichten 40a'-40e' durch sehr dünne Schichten getrennt sind,
die aus einem elastischen und federnden Material, wie zum Beispiel Teflon mit einer Dicke der
Größenordnung von 0,0127 mm (0.0005 Zoll) gebildet sind. Die Schichten 102a-102d sind
mit den zugeordneten Metallschichten 40a'-40e' verbunden.
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Die dünnen Zwischenschichten aus Teflonverbindendungsmaterial beeinflussen das Arbeiten
und die relative Bewegung der einzelnen Metallmembranschichten nicht. Sie begrenzen jedoch
die Menge an Gas, die zwischen die Metallmembranschichten eintreten kann, wenn die innere
Membran 40a' fehlerhaft sein sollte.
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Das elastische/federnde Material der Fig. 9 kann auf Wunsch in der Ausführungsform der
Fig. 8 verwendet werden.
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Die Erfindung wurde in Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben.
Modifikationen und Änderungen, welche den bevorzugten Ausführungsformen im allgemeinen
äquivalent sind, können innerhalb des Rahmens der Erfindung durchgeführt werden.