DE69502805T2 - Membranventil - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Membranventil der Art, wie es z. B. in Fluidrohrleitungen in Halbleiterfertigungsanlagen, Kernkraftwerken und Arznei- und Lebensmittelherstellungseinrichtungen verwendet wird, und betrifft insbesondere ein Membranventil, in dem eine Ventilkammer durch eine an eine Ventilplatte geschweißte metallene Membran abgedichtet ist.
• Membranventile mit einer durch eine metallene Membran abgedichteten Ventilkammer werden häufig in Rohrleitungen, die hochreines Gas fördern, wie z. B. die Rohrleitungen in Halbleiterfertigungsanlagen, verwendet. Membranventile dieser Art sind im U. S. Patent 4 671 490 und der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 288786/87 offenbart.
• Gemäß Fig. 12 hat das Membranventil nach dem Stand der Technik einen Einströmkanal 15a, einen Ausströmkanal 15b, einen Ventilkörper 15 mit einer Ventilkammer 15c und einem Ventilsitz 15d, eine metallene Membran 16 zum Abdichten der Ventilkammer 15c, einen Ventildeckel 17, eine Ventildeckelmutter 18 zum sicheren Halten des Außenumfangskantenteils der metallenen Membran 16 gegen den Ventilkörper 15, einen Zylinder 19, der drehbar auf dem Ventildeckel 17 gehalten wird, so daß er in Achsenrichtung nicht bewegbar ist, einen Stößel 20, der über ein Gewinde mit dem Zylinder 19 in Eingriff steht und von ihm gehalten wird, einen Griff 21, der an dem Zylinder 19 angebracht ist, und eine Ventilplatte 22, die mit einem unteren Endteil des Stößels 20 verbunden ist. Wenn der Zylinder 19 durch den Griff 21 gedreht wird, bewegt sich der Stößel 20 aufwärts oder abwärts, wodurch auch die metallene Membran 16 und die Ventilplatte 22 aufwärts oder abwärts bewegt werden. Wenn sich die Ventilplatte 22 aufwärts oder abwärts bewegt, bewegt sich ein an der Ventilplatte 22 vorgesehener Sitz 23 davon weg oder in Kontakt dazu, wodurch der Ventilsitz 15d das Ventil öffnet, um einen Fluidfluß zwischen den Kanälen 15a, 15b zu ermöglichen, oder das Ventil schließt, um den Fluidfluß zu blockieren.
• Da das Innenkantenteil des Innenumfangs der metallenen Membran 16 an die Ventilplatte 22 geschweißt ist und der Kantenteil des Innenumfangs der metallenen Membran 16 fest zwischen einem Metallanschlußstück 24 und der Ventilplatte gehalten wird, hat das Membranventil ausgezeichnete Betriebseigenschaften, wie u. a. das sichere Verhindern des Austretens von Fluid an der Innenumfangskante der metallenen Membran 16.
• Da jedoch das Ventil so aufgebaut ist, daß die Innenumfangskante der metallenen Membran 16 fest zwischen dem haltenden Metallanschlußstück 24 und der Ventilplatte 22 gehalten wird, bildet sich zwischen der Unterseite der metallenen Membran 16 und der Oberseite der Ventilplatte 22 zwangsläufig ein Spalt. Folglich wird Fluid leicht in dem Spalt eingeschlossen, und es ist schwierig, das in dem Spalt befindliche Fluid zu entfernen. Dies führt in den Fällen zu einem Problem, in denen verschiedene Gase abwechselnd am Ventil angewendet werden und jeglicher Rückstand des ersten Gases im Ventil entfernt werden muß, bevor ein zweites Gas angewendet wird, oder in denen alle Restgase im Ventil zu einem gewissen Zeitpunkt während eines Verfahrens abgezogen werden müssen. Aufgrund der gebogenen Form der Oberseite der Ventilplatte 22 ist ein horizontal tiefer ringförmiger Spalt mit einem kleinen vertikalen Ausmaß zwischen der Oberseite der Platte 22 und der Unterseite der metallenen Membran 16 ausgebildet. Der Spalt ist bezogen auf seine Höhe schmal und wird zunehmend kleiner, bis er an der Stelle, an der das haltende Metallanschlußstück die Unterseite der Membran gegen die Oberseite der Ventilplatte klemmt, praktisch nicht mehr vorhanden ist. Daher ist es schwierig, Restgas vollständig aus dem Ventil zu entfernen.
• Da darüber hinaus die Innenumfangskante der metallenen Membran 16 zwischen das haltende Metallanschlußstück 24 und die Platte 22 geklemmt oder fest zwischen ihnen gehalten wird, wird das haltende Metallanschlußstück zu einem notwendigen Bestandteil, wodurch die Anzahl der Teile im Ventil erhöht wird.
• Die US-A-5 083 750 (Balik), die eine Grundlage für den Oberbegriff der Ansprüche 1 und 7 bildet, offenbart ein Membranventil mit einer metallenen Membran, die eine zentrale Öffnung hat und auf eine Art und Weise am Innenumfang an einem Ventilstößel angebracht ist, die die Möglichkeit einer Verunreinigung durch ein Ausschließen von Spalten verringert. Es ist jedoch immer noch das Problem vorhanden, daß nahe dem Schweißbereich Biegungen in der Membran auftreten, die während des Öffnens und des Schließens des Ventils nachteilig beeinflußt werden, und die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, dieses Problem zu überwinden.
• Demgemäß sieht die vorliegende Erfindung ein Membranventil vor, umfassend:
• einen Ventilkörper mit einem Ventilsitz am Boden einer konkaven Ventilkammer, die mit einem Einströmkanal und einem Ausströmkanal verbunden ist;
• eine metallene Membran mit zentraler Öffnung, wobei die Membran einen Innenumfang mit einem Endkantenteil sowie einen Außenumfangskantenteil hat und elastisch in vertikaler Richtung verformbar und in der Ventilkammer dem Ventilsitz gegenüber angeordnet ist, um die Ventilkammer luftdicht zu halten;
• einen an dem Ventilkörper befestigten Ventildeckel, um den Außenumfangskantenteil der metallenen Membran gegen den Ventilkörper zu klemmen;
• einen in den Ventildeckel eingesetzten und von ihm gehaltenen Stößel, der über den Ventildeckel aufwärts und abwärts bewegbar ist; und
• eine Ventilplatte mit einem scheibenförmigen Sitzteil zum Kontaktieren mit und Entfernen von dem Ventilsitz, einem Schaftteil, der von der Oberseite des Sitzteils durch die zentrale Öffnung in der metallenen Membran ragt und einem Anschlußteil in Verbindung mit dem Schaftteil und einem unteren Endteil des Stößels, wobei eine Schweißverbindung den Endkantenteil am Innenumfang der metallenen Membran an dem Schaftteil über dessen gesamten Umfang befestigt und mit ihm integriert und einen Abstand von dem Sitzteil hat, wodurch ein Spalt zwischen der Unterseite der metallenen Membran und der Oberseite des Sitzteils besteht, wobei die metallene Membran aus mehreren übereinanderliegenden Metallplatten gebildet ist, und wobei die Ventilplatte einen Halteteil mit einem ringförmigen Tragteil abstehend von dem Schaftteil hat, wobei die Endkante des Innenumfangs der metallenen Membran durch die Schweißverbindung mit der Nabe und dem Schaftteil in einem unter dem Tragteil angrenzenden Bereich verbunden ist, wobei der Tragteil über der metallenen Membran nach außen und aufwärts absteht, um die metallene Membran zu halten, wenn sie sich durch die Aufwärts- und Abwärtsbewegung des Stößels elastisch verformt.
• In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein Membranventil vorgesehen, umfassend:
• einen Membrankörper mit einem Ventilsitz am Boden einer konkaven Ventilkammer, die mit einem Einströmkanal und einem Ausströmkanal verbunden ist;
• eine metallene Membran mit zentraler Öffnung, wobei die Membran einen Innenumfang mit einem Endkantenteil sowie einen Außenumfangskantenteil hat und elastisch in vertikaler Richtung verformbar und in der Ventilkammer dem Ventilsitz gegenüber angeordnet ist, um die Ventilkammer luftdicht zu halten;
• einen an dem Ventilkörper befestigten Ventildeckel, um den Außenumfangskantenteil der metallenen Membran gegen den Ventilkörper zu klemmen;
• einen in den Ventildeckel eingesetzten und von ihm gehaltenen Stößel, der über den Ventildeckel aufwärts und abwärts bewegbar ist; und
• eine Ventilplatte mit einem scheibenförmigen Sitzteil zum Kontaktieren mit und Entfernen von dem Ventilsitz, einem Schaftteil, der von der Oberseite des Sitzteils durch die zentrale Öffnung in der metallenen Membran ragt und einem Anschlußteil in Verbindung mit dem Schaftteil und einem unteren Endteil des Stößels, wobei eine Schweißverbindung den Endkantenteil am Innenumfang der metallenen Membran an dem Schaftteil über dessen gesamten Umfang befestigt und mit ihm integriert und einen Abstand von dem Sitzteil hat, wodurch ein Spalt zwischen der Unterseite der metallenen Membran und der Oberseite des Sitzteils besteht, wobei die metallene Membran aus mehreren übereinanderliegenden Metallplatten gebildet ist, und wobei der Schaftteil eine Außenumfangsfläche mit einer Stufe hat und der Kantenteil des Innenumfangs der metallenen Membran nach unten und dann nach innen gebogen ist, so daß der Endkantenteil des Innenumfangs der metallenen Membran die Außenumfangsfläche an der Stufe berührt, wobei die Schweißverbindung die Endkante des Innenumfangs der metallenen Membran mit dem Schaftteil an der Stufe verbindet.
• Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung sowie die Art und Weise ihrer Herstellung und Verwendung ergeben sich beim Studium der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
• Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Membranventil nach dem Stand der Technik;
• Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils des in Fig. 1 gezeigten Membranventils;
• Fig. 3 einen vergrößerten Längsschnitt durch einen Schweißbereich der metallenen Membran und der Ventilplatte eines Membranventils gemäß Fig. 1.
• Fig. 4 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils eines Membranventils als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
• Fig. 5 einen vergrößerten Längsschnitt durch einen Schweißbereich der metallenen Membran und der Ventilplatte eines Membranventils gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
• Fig. 6 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils eines Membranventils als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung;
• Fig. 7 einen vergrößerten Längsschnitt durch einen Schweißbereich der metallenen Membran und der Ventilplatte eines Membranventils gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel;
• Fig. 8 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils eines Membranventils als drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
• Fig. 9 einen vergrößerten Längsschnitt durch einen Schweißbereich der metallenen Membran und der Ventilplatte eines Membranventils gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel;
• Fig. 10 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils eines Membranventils als viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
• Fig. 11 einen vergrößerten Längsschnitt durch einen Schweißbereich der metallenen Membran und der Ventilplatte eines Membranventils gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel; und
• Fig. 12 einen Längsschnitt durch ein herkömmliches Membranventil.
• Die Fig. 1-3 zeigen ein Membranventil nach dem Stand der Technik. Das Membranventil hat einen Ventilkörper 1, eine metallene Membran 2, einen Ventildeckel 3, einen Stößel 4, einen Griff, eine Ventilplatte 6 und einen Ventildeckeleinsatz 7.
• Der Ventilkörper 1 ist nahezu blockförmig und kann aus einem metallenen Material wie z. B. rostfreiem Stahl hergestellt sein. In dem Ventilkörper 1 sind ein Einströmkanal 1a, ein Ausströmkanal 1b und eine konkave Ventilkammer 1c ausgebildet. Die Ventilkammer 1c ist zur Oberseite des Ventilkörpers 1 hin offen und steht am Boden mit den Kanälen 1a, 1b in Verbindung. Die Unterseite der Ventilkammer 1c ist abgeschrägt, um einen Ventilsitz 1d um die Öffnung des Einströmkanals 1a zu bilden. Eine Stufe 1e ist an der Innenumfangsfläche der Ventilkammer 1c vorgesehen, und die Außenumfangskante der Membran 2 liegt auf der Stufe auf. Oberhalb der Stufe 1e hat der Körper 1 ein Innengewinde 1f zur Aufnahme eines am Ventildeckel 3 vorgesehenen Außengewindes 3a. Der Ventildeckeleinsatz 7 ist unter dem Ventildeckel 3 angeordnet und hat vorzugsweise einen sich nach unten erstreckenden ringförmigen Vorsprung, um die Außenumfangskante der Membran 2 gegen die Stufe 1e zu klemmen, wenn der Ventildeckel auf dem Ventilkörper festgezogen wird, um dadurch für eine luftdichte Abdichtung zu sorgen.
• Die metallene Membran 2 besteht aus mehreren dünnen, scheibenförmigen und übereinanderliegenden Metallplatten. Die Platten können z. B. 0,1 mm bis 0,2 mm stark sein und aus einem Material wie z. B. rostfreiem Stahl (z. B. SUS316L) oder InconelTM hergestellt sein. Im zentralen Bereich der metallenen Membran 2 ist ein Befestigungsloch 2a durch das der Schaftteil 6b der Ventilplatte 6 eingefügt wird. Die Innenumfangskante der Membran 2 ist nach unten gebogen und berührt die Außenumfangsfläche des Schaftteils 6b.
• Der Ventildeckel 3 ist nahezu zylinderförmig und kann aus einem metallenen Material wie z. B. rostfreiem Stahl hergestellt werden. Der Ventildeckel hat zusätzlich zu dem Gewinde 3a, das ihn am Ventilkörper 1 befestigt, ein an seiner Innenumfangsfläche ausgebildetes Innengewinde 3b, das in das Außengewinde 4a am Stößel 4 eingreift.
• Der Stößel 4 ist nahezu schaftförmig aus einem metallenen Material wie z. B. rostfreiem Stahl ausgebildet. Der Stößel 4 wird in den Innengewindeteil 3b des Ventildeckels 3 eingefügt und in Eingriff gebracht und kann in dem Ventildeckel gedreht und aufwärts und abwärts bewegt werden. Der Griff 5 ist an dem oberen Endteil des Stößels 4 durch eine Stellschraube 12 befestigt. Am unteren Endteil des Stößels 4 ist ein Hohlraum 4b ausgebildet, um in den Anschlußteil 6c der Ventilplatte 6 einzugreifen. Das Ventilplattenteil 6c greift so in den Hohlraum 4b ein, daß der Stößel relativ zur Ventilplatte gedreht werden kann, die Ventilplatte sich aber mit dem Stößel bewegt, wenn sich dieser in Achsrichtung aufwärts oder abwärts bewegt.
• Die Ventilplatte 6 hat eine monolithische Struktur und kreisförmige Konfiguration und hat in der Ebene ihrer Achse einen Querschnitt, der in etwa die Form eines umgedrehten Buchstabens T hat. Die Ventilplatte kann aus einem metallenen Material wie z. B. rostfreiem Stahl (SUS316L) hergestellt sein. Die Ventilplatte 6 hat zusätzlich zu dem Schaftteil 6b und dem Anschlußteil 6c einen Sitzteil 6a, der die Form einer Scheibe mit großem Durchmesser hat, mit einem ringförmigen Ventilsitz 8, der an seiner Unterseite befestigt ist. Der Schaftteil 6b ist an seinem unteren Rand mit dem zentralen Bereich der Oberseite des Sitzteils 6a und an seinem oberen Rand mit dem ebenfalls scheibenförmigen Anschlußteil 6c verbunden. Ein ringförmiger Steg oder Vorsprung 6d ist an der Außenumfangsfläche des Schaftteils 6b vorgesehen, wobei der Steg einen festen Abstand zur Oberfläche des Sitzteils 6a hat.
• Der Innenumfangsteil der Membran 2, der das Befestigungsloch 2a umgibt, erstreckt sich nach unten parallel zur Außenumfangsfläche des Schaftteils 6b, und der Endkantenteil des Innenumfangsteils der Membran 2 ist durch eine Schweißverbindung W an der Ventilplatte befestigt und mit ihr integriert. Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, wird der Schaftteil 6b der Ventilplatte 6 durch das Befestigungsloch 2a von der Unterseite der Membran 2 eingefügt, bis der Steg 6d die Endfläche der Innenumfangskante der Membran berührt. Der Kantenteil der Membran 2 wird dann durch Schweißen am Steg befestigt und mit ihm integriert, um die Schweißverbindung W zu bilden, die sich über den gesamten Umfang des Schaftteils 6b erstreckt. Folglich ist der Innenumfangskantenteil der Membran 2 an einer Stelle an dem Schaftteil 6b befestigt, die von dem Sitzteil 6a beabstandet ist, so daß kein kleiner Spalt zwischen der Membran und dem Sitzteil besteht.
• Die Bedingungen, unter denen das Elektronenstrahlschweißen durchgeführt wird, sind nach allgemein bekannter Art passend gewählt, so daß die Membran 2 ohne Schweißfehler und ohne Deformierung oder Verzerrung der Membran und/oder der Ventilplatte fest an die Ventilplatte 6 geschweißt wird. Das Elektronenstrahlschweißen ist im allgemeinen für das vorstehend genannte Schweißen geeignet, da es (1) aufgrund des geringen Schweißwärmeeinsatzes mit daraus resultierenden minimalen schädlichen Auswirkungen auf die Membran 2 und die Ventilplatte 6 eine minimale Deformierung und Verzerrung im Schweißbereich hervorruft, (2) aufgrund eines eng ausgelegten Schweißbereiches ein Präzisionsschweißen ermöglicht, und (3) aufgrund der hohen Schmelztiefe die Möglichkeit zum Schweißen starker Teile bietet.
• Nachdem die Membran 2 an die Ventilplatte 6 geschweißt wurde, wird das Ventil auf eine im allgemeinen herkömmliche Art zusammengesetzt. Der Anschlußteil 6c der Ventilplatte wird durch die Öffnung im Ventildeckeleinsatz 7 geführt und mit dem Hohlraum 4b im Stößel 4 in Eingriff gebracht. In einer Nut im Ventildeckel 3 wird ein O-Ring 9 angeordnet, und der Ventildeckel wird relativ zum Stößel gedreht, um den Stößel in den Ventildeckel zu schrauben. Die gesamte Anordnung wird anschließend über der Kammer 1c angeordnet und der Ventildeckel 3 in den Ventilkörper 1 geschraubt. Wenn der Ventildeckel auf dem Ventilkörper festgezogen wird, wird die Membran 2 zwischen den Ventildeckeleinsatz 7 und die Stufe 1e geklemmt, so daß zwischen der Außenbodenumfangsfläche der Membran und der Stufe 1e eine luftdichte Abdichtung gebildet wird. Der Griff 5 kann dann mit der Stellschraube 12 am Stößel angebracht werden. Die Elemente 10 und 11 bilden keinen Teil der vorliegenden Erfindung; das Element 10 ist zum Anzeigen der offenen/geschlossenen Stellung des Ventils und das Element 11 als Typenschild vorgesehen.
• Wenn der Griff 5 zum Drehen des Stößels 4 gedreht wird, sorgen die Schraubgewinde 3b, 4a dafür, daß sich der Stößel aufwärts oder abwärts in Abhängigkeit von der Rotationsrichtung des Griffes bewegt. Der Stößel rotiert frei um den Anschlußteil 6c der Ventilplatte 6, aber wenn er sich axial bewegt, umgreift die obere oder die untere Fläche des Hohlraums 4b den Anschlußteil 6c, so daß die Ventilplatte axial bewegt und die Membran 2 in vertikaler Richtung elastisch verformt wird. Fig. 1 zeigt das Ventil in der offenen Stellung, in der Fluid durch die Kammer 1c zwischen den Kanälen 1a und 1b fließen kann. Wenn der Stößel 4 nach unten bewegt wird, umgreift die Dichtung 8 die Fläche 1d um den Bereich herum, in dem der Kanal 1a mit der Kammer 1c verbunden ist, und verhindert dadurch den Fluidfluß zwischen den Kanälen.
• Da der Endkantenteil des Innenumfangs der metallenen Membran 2 an einer beabstandeten Stelle in nach oben gehende Richtung von dem Sitzteil 6a aus am Schaftteil 6b der Ventilplatte befestigt ist, bildet sich zwischen der Unterseite der Membran 2 und der Oberseite des Sitzteils 6a der Ventilplatte kein enger Spalt, in dem Gas eingeschlossen werden könnte. Folglich ist die Gasaustauschleistung des Membranventils gemäß der vorliegenden Erfindung stark verbessert, verglichen mit der eines herkömmlichen Membranventils.
• Da die Innenumfangskante der Membran 2 nach unten gebogen ist und die Außenumfangsfläche des Schaftteils 6b der Ventilplatte berührt, tritt eine Biegungsbeanspruchung, die während der elastischen Deformierung hervorgerufen wird, oder eine Biegung der Membran außerdem im gebogenen Teil der Membran (Fig. 3) auf, der vom Schweißbereich beabstandet ist. Folglich tritt im Schweißbereich keine große Beanspruchung auf, so daß sich dort nicht leicht Risse bilden. Außerdem wird die Lebensdauer der Membran 2 erhöht.
• Ein weiterer Vorteil des beschriebenen Ventils liegt darin, daß, verglichen mit früheren Membranventilen, weniger Teile erforderlich sind. Da der Innenumfangskantenteil der metallenen Membran 2 und die Ventilplatte 6 zusammengeschweißt sind, muß kein haltendes Metallanschlußstück vorgesehen werden, um die Innenumfangskante der Membran wie in herkömmlichen Membranventilen an die Ventilplatte zu klemmen.
• Die Struktur der Ventilplatte 6 und die Art, in der die Membran 2 geformt und an der Ventilplatte angebracht ist, bilden den Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist, kann die Ventilplatte 6 ein erstes Element mit einem Sitzteil 6a mit einem Außengewindeteil 6e, der davon nach oben absteht, und ein zweites, monolithisches Element mit einem Schaftteil 6b und einem Anschlußteil 6c haben. Der Schaftteil 6b hat eine zentrale Öffnung mit Innengewinden zur Aufnahme des Außengewindeteils 6e.
• Wie in dem vorstehend beschriebenen Ventil hat der Sitzteil 6a die Form einer Scheibe mit großem Durchmesser, und seine Unterseite ist mit einem ringförmigen Sitz 8 ausgestattet. Der Anschlußteil 1c erstreckt sich von der Oberfläche des Schaftteils 6b und ist in dem Hohlraum 4b des Stößels 4 angeordnet, um sich mit dem Stößel aufwärts und abwärts zu bewegen.
• Der Schaftteil 6b der Ventilplatte ist mit einem Teil 6f mit großem Durchmesser ausgebildet, um die Innenumfangskante der metallenen Membran 2 zu berühren. Eine Stufe 6g ist an der Unterseite des Teils 6f ausgebildet, und die Endfläche der Innenumfangskante der Membran 2 liegt an der Stufe an.
• Wie in dem oben beschriebenen Ventil erstreckt sich der Schaftteil der Ventilplatte durch eine zentrale, in den Platten der Membran 2 vorgesehene Öffnung. Die Innenumfangskante der Membran 2 ist jedoch in den Ausführungsbeispielen der Fig. 4 und 5 nach unten und dann nach innen in Richtung des Schaftteils 6b der Ventilplatte gebogen, um den Außenumfang und die Unterseite des Teils 6f mit großem Durchmesser zu berühren.
• Der Innenumfangskantenteil der Membran 2 und der Schaftteil 6b der Ventilplatte werden durch eine Umfangsschweißnaht W befestigt und integriert, um eine luftdichte Verbindung herzustellen.
• Die Membran 2 und die Ventilplatte 6 werden zusammengesetzt, indem man zunächst den unteren Endteil des Schaftteils 6b von der Oberseite der Membran durch das Befestigungsloch 2a einfügt, bis die Innenumfangskante der Membran den Außenumfang und die Unterseite des Teils 6f mit großem Durchmesser berührt. Die Endfläche des Kantenteils der Membran 2 kann auf der Stufe 6g anliegen. Die Endkante der Membran 2 wird anschließend an das Teil 6f mit großem Durchmesser durch einen von unten gerichteten Elektronenstrahl geschweißt.
• Nachdem die Membran an den Teil 6f mit dem großen Durchmesser geschweißt wurde, wird der Gewindeteil 6e des Sitzteils 6a in den Boden des Schaftteils 6b geschraubt, bis die Unterseite des Schaftteils 6b an der Oberseite des Sitzteils 6a anliegt. Der Schaftteil und der Sitzteil werden dann miteinander durch Elektronenstrahlschweißen befestigt und integriert, so daß eine Schweißverbindung W über den gesamten Umfang der Ventilplatte ausgebildet wird.
• Das Membranventil der Fig. 4 arbeitet auf die gleiche Weise und bietet die gleichen Vorteile wie das in Fig. 1 gezeigte Membranventil. Da die Innenumfangskante der Membran 2 nach unten und dann nach innen gebogen wird, um die Innenumfangskante der Membran 2 an den Schaftteil 6b zu schweißen, tritt die Biegebeanspruchung, die zum Zeitpunkt der elastischen Deformierung der Membran erzeugt wird, an einer Stelle auf, die von dem Schweißbereich beabstandet ist, und daher ist es noch unwahrscheinlicher, daß die Beanspruchung im Schweißbereich auftreten wird. Folglich ist die Lebensdauer der in Fig. 4 dargestellten Membran erhöht.
• Die Fig. 6 und 7 zeigen einen Teil eines Membranventils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, das sich von den oben aufgeführten Ausführungsbeispielen in vieler Hinsicht unterscheidet. Erstens wird der Innenkantenteil der metallenen Membran 2 nicht nach unten gebogen. Zweitens hat die Ventilplatte 6 einen ringförmigen Tragteil 6i, der monolithisch mit dem Schaftteil 6b und dem Anschlußteil 6c ausgebildet ist. Drittens hat der Sitzteil 6a der Ventilplatte in seiner Oberfläche ein Loch 6h, um einen unteren Teil des Schaftteils 6b mit einem verringertem Durchmesser aufzunehmen. Schließlich hat die Oberseite des Stößelhohlraumes 4b eine Aussparung zur Aufnahme einer Kugel 13, deren Zweck es ist, die Reibung zwischen der Oberfläche des Hohlraumes 4b und der Oberfläche des Ventilplattenanschlußteils 6c zu verringern, wenn der Stößel 4 relativ zur Ventilplatte 6 gedreht wird.
• Die metallene Membran 2 wird an der Ventilplatte 6 befestigt, indem der Schaftteil 6b von oben durch das Befestigungsloch 2a der Membran eingefügt wird, bis die Oberfläche des Innenumfangsteils der Membran an der Unterseite des Tragteils 6i anliegt, wo das Tragteil mit dem Schaftteil 6b verbunden ist, und der Innenumfangskantenteil der Membran an dem Schaftteil 6b, wie in Fig. 7 gezeigt, anliegt. Die Membran wird anschließend mit dem Schaftteil 6b und dem Tragteil 6i durch einen von unterhalb der Membran nach oben gerichteten Elektronenstrahl verbunden, um eine sich um den Umfang des Schaftteils erstreckende Umfangsschweißnaht W zu bilden.
• Nachdem die Membran an den Schaftteil 6b geschweißt worden ist, wird das untere Ende des Schaftteils in das Loch 6h im Sitzteil 6a eingefügt, so daß der Schaftteil an der Oberfläche des Sitzteils anliegt. Der Schaftteil und der Sitzteil werden dann miteinander durch eine weitere Umfangsscheißnaht W befestigt.
• Das in Fig. 6 gezeigte Membranventil hat dieselben Vorteile wie das erste, oben beschriebene Ausführungsbeispiel. Der ringförmige Halteteil 6i dient als Rückenstütze für den Bereich der Membran 2, der sich biegt, wenn die Membran während einer Aufwärts-/Abwärtsbewegung der Ventilplatte 6 elastisch verformt wird. Daher tritt kein starkes Verbiegen der Membran auf und die Lebensdauer der Membran ist weiter erhöht.
• Die Fig. 8 und 9 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel bildet der Ventilplattenanschlußteil 6c ein Element und ist mit einem Loch mit Innengewinde zur Aufnahme des oberen Endes des Ventilplattenschaftteils 6b, der ein Außengewinde 6j hat, versehen. Der Schaftteil 6b und der Sitzteil 6c bilden ein zweites monolithisches Element.
• Der Schaftteil 6b hat an seiner Außenumfangsfläche eine Stufe 6k, die zur Oberseite des Sitzteils 6a einen Abstand hat, der ausreicht, um ein einfaches Entfernen des Gases aus dem Bereich angrenzend an den Schaftteil 6b und zwischen der Unterseite der Membran 2 und der Oberseite des Sitzteils 6a zu ermöglichen.
• Der Ventilplattentragteil 6i ist anfangs ein vom Ventilplattenschaftteil 6b getrenntes Element. Das Tragteil hat eine ringförmige gestufte Nabe 61, die die Stufe 6k am Schaftteil 6b berührt, wenn der Tragteil auf den Schaftteil abgesenkt wird. Von der Nabe 6l aus, erstreckt sich der Tragteil 6i nach außen und unten, so daß er die Form einer Scheibe aufweist. Der Außenumfang der Nabe 6l ist so, daß er die Innenumfangsfläche der Membran 2 berührt, die das Befestigungsloch 2a umgibt.
• Die Membran 2 und die Ventilplatte 6 werden durch Absenken der Membran 2 von oben auf den Schaftteil 6b zusammengefügt. Der Tragteil 6i wird anschließend von oben auf den Schaftteil 6b abgesenkt, bis die Nabe 6l mit der Stufe 6k in Eingriff steht und innerhalb des Befestigungsloches 2a in der Membran angeordnet ist. Wie in Fig. 9 gezeigt wird, werden dann der Schaftteil 6b, der Innenumfang der Membran 2 und die Nabe 6l durch einen Elektronenstrahl, der von oben durch die Öffnung in dem Tragteil 6i auf die Teile gerichtet wird, aneinander befestigt. Die Schweißverbindung W erstreckt sich über den gesamten Außenumfang des Schaftteils 6b.
• Nachdem die Membran 2, der Schaftteil 6b und der Tragteil 6i zusammengeschweißt worden sind, wird der Anschlußteil 6c oben auf den Schaftteil geschraubt.
• Das in Fig. 8 gezeigte Membranventil arbeitet auf die gleiche Weise, und hat die gleichen Vorteile wie das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel. Da die Membran 2, der Ventilplattenschaftteil 6b und der Halteteil 6i von einer über der Membran liegenden Stelle geschweißt werden, können metallene Bestandteile und dergleichen, die während des Schweißens evaporieren, sich darüber hinaus nicht an solche Flächen der Membran und der Ventilplatte anlegen, die anschließend mit durch die Kammer 1c strömendem Fluid in Berührung kommen. Daher ist es mög lich, die Reinheit des durch das Membranventil fließenden Fluids zu erhalten. Darüber hinaus ist im Gegensatz zu dem zweiten oben beschriebenen Ausführungsbeispiel nur ein Schweißvorgang notwendig.
• Da die Ventilplatte 6 den ringförmigen Halteteil 6i zum Halten des Bereiches der metallenen Membran 2 hat, der bei der Aufwärts- oder Abwärtsbewegung des Stößels 4 elastisch verformt wird, ist außerdem die Wahrscheinlichkeit geringer, daß eine scharfe Biegung in der Membran auftreten wird, und die Lebensdauer der Membran ist verlängert.
• Die Fig. 10 und 11 zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich nur geringfügig von dem vorstehend beschriebenen dritten Ausführungsbeispiel unterscheidet. Wie Fig. 11 sehr gut zeigt, hat die Nabe des Ventilplattentragteils 6i keinen gestuften Bereich, der sich nach unten in das Befestigungsloch 2a der Membran erstreckt. Stattdessen liegt die Innenumfangsfläche der Membran 2, die das Befestigungsloch 2a begrenzt, an der Außenumfangsfläche des Ventilplattenschaftteils 6b direkt unter der Stelle an, an der sich der Durchmesser des Schaftteils zum Ausbilden der Stufe 6k ändert.
• Die Membran 2 und die Ventilplatte 6 werden zusammengefügt, indem zuerst die Membran und dann der Ventilplattentragteil 6i von oben auf dem Schaftteil 6b positioniert und anschließend die Teile durch einen von oben durch die Öffnung im Tragteil gerichteten Elektronenstrahl zusammengeschweißt werden. Daher hat das Ausführungsbeispiel der Fig. 10 die gleichen Vorteile wie das in Fig. 8 gezeigte Ausführungsbeispiel.
• Bei jedem dieser vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele besteht die metallene Membran 2 aus mehreren sehr dünnen Metallplatten, sie kann jedoch auch aus einer einzigen dünnen Metallplatte bestehen.
• Aus der vorstehenden Beschreibung wird erkennbar, das bei einem gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauten Membranventil die Membran an einer Stelle an die Ventilplatte geschweißt wird, die von der Oberseite der Ventilplatte beabstandet ist, so daß zwischen der Unterseite der Membran und der Ventilplatte kein enger Spalt ausgebildet wird, wie es bei herkömmlichen Membranventilen der Fall ist. Folglich ist die Gasaustauschleistung, verglichen mit der von herkömmlichen Membranventilen, bedeutend verbessert.
• Wenn die Innenumfangskante der metallenen Membran nach unten gebogen ist und die Außenumfangsfläche des Ventilplattenschaftteils berührt und der Endteil des Innenumfangs der Membran an den Schaftteil der Platte angeschweißt ist, wird eine Biegungsspannung, die beim Auftreten einer elastischen Deformierung (Verbiegung) der metallenen Membran erzeugt wird, an einer Stelle wirksam, die vom Schweißbereich entfernt liegt. Folglich kann verhindert werden, daß sich in dem Schweißbereich Risse ausbilden, indem vermieden wird, daß große Spannungen im Schweißbereich auftreten.
• Ferner wird in dem Fall, in dem ein ringförmiger Halteteil an einer Steile am Ventilplattenschaftteil über der metallenen Membran und am Schaftteil der Platte vorgesehen ist, um das Biegen der Membran zu stützen, der Halteteil auch ein solches Biegen stützen, wenn die Membran elastisch verformt wird. Folglich treten in der Membran keine scharfen Biegungen auf, und ihre Lebensdauer ist verlängert.
• Da die Innenumfangskante der metallenen Membran und die Platte zur Befestigung und Integration miteinander verschweißt sind, ist es darüber hinaus nicht notwendig, die Innenumfangskante der metallenen Membran mit einem haltenden Metallanschlußstück anzuklemmen, wodurch die Anzahl der Teile verringert werden kann.
• Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen wird der Stößel 4 von Hand aufwärts und abwärts bewegt, wobei die Erfindung jedoch genauso zur Verwendung bei Ventilen geeignet ist, in denen der Stößel durch ein Betätigungselement wie z. B. einen Fluiddruckzylinder und dergleichen bewegt wird.
• In jedem der vorstehenden Ausführungsbeispiele wird beschrieben, daß die metallene Membran 2 und die Platte 6 durch Elektronenstrahlschweißen zusammengeschweißt werden, aber es können auch andere Schweißverfahren wie z. B. Laserschweißen verwendet werden.
• Weitere Abänderungen und Ersetzungen können in den beschriebenen Ausführungsbeispielen vorgenommen werden, ohne daß der in den beigefügten Ansprüchen festgelegte Schutzbereich der Erfindung verlassen wird.

Claims (7)

1. Membranventil, umfassend:

einen Ventilkörper (1) mit einem Ventilsitz (1d) am Boden einer konkaven Ventilkammer (1c), die mit einem Einströmkanal (1a) und einem Ausströmkanal (1b) verbunden ist;

eine metallene Membran (2) mit zentraler Öffnung, wobei die Membran einen Innenumfang mit einem Endkantenteil sowie einen Außenumfangskantenteil hat und elastisch in vertikaler Richtung verformbar und in der Ventilkammer dem Ventilsitz gegenüber angeordnet ist, um die Ventilkammer luftdicht zu halten;

einen an dem Ventilkörper befestigten Ventildeckel (3);

einen in den Ventildeckel eingesetzten und von ihm gehaltenen Stößel (4), der über den Ventildeckel aufwärts und abwärts bewegbar ist; und

eine Ventilplatte (6) mit einem scheibenförmigen Sitzteil (6a) zum Kontaktieren mit und Entfernen von dem Ventilsitz (1d), einem Schaftteil (6b), der von der Oberseite des Sitzteils durch die zentrale Öffnung in der metallenen Membran ragt und einem Anschlußteil (6c) in Verbindung mit dem Schaftteil und einem unteren Endteil des Stößels (4), wobei eine Schweißverbindung (W) den Endkantenteil am Innenumfang der metallenen Membran (2) an dem Schaftteil über dessen gesamten Umfang befestigt und mit ihm integriert und einen Abstand von dem Sitzteil hat, wodurch ein Spalt zwischen der Unterseite der metallenen Membran (2) und der Oberseite des Sitzteils (6a) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die metallene Membran aus mehreren übereinanderliegenden Metallplatten gebildet ist, daß der Ventildeckel (3) den Außenumfangskantenteil der metallenen Membran gegen den Ventilkörper klemmt, und daß die Ventilplatte einen Halteteil mit einem ringförmigen Tragteil (6i) abstehend von dem Schaftteil (6b) hat, wobei die Endkante des Innenumfangs der metallenen Membran durch die Schweißverbin dung mit dem Schaftteil in einem Bereich neben und unter dem Tragteil (6i) verbunden ist, welcher über der metallenen Membran nach außen und auf wärts absteht, um die metallene Membran zu halten, wenn sie sich durch die Aufwärts- und Abwärtsbewegung des Stößels elastisch verformt.

2. Membranventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Tragteil (6i) die Form einer Nabe (61) mit einer Öffnung hat, die auf einer Stufe (6k) an dem Schaft aufliegt, und daß die Schweißverbindung (W) im Bereich der Stufe vorgesehen ist.

3. Membranventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe eine flache Unterseite hat, die teilweise auf der Stufe (6k) aufliegt und radial von dem Schaftteil absteht, und daß der Endkantenteil des Innenumfangs der metallenen Membran an dem Schaftteil anliegt.

4. Membranventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe einen ihre Öffnung umgebenden, nach unten ragenden ringförmigen Vorsprung hat, der auf der Stufe liegt, und daß der Endkantenteil des Innenumfangs der metallenen Membran an dem ringförmigen Vorsprung anliegt.

5. Membranventil nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilplatte ein erstes, durch einen Gewindeoberteil, den Schaftteil und den Sitzteil gebildetes Element und ein zweites, durch den Anschlußteil gebildetes Element hat, das mit einem Innengewinde zur Aufnahme des Gewindeoberteils des ersten Elements versehen ist.

6. Membranventil nach Anspruch 1, 2, 3, oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilplatte ein erstes, monolithisches Element, das den Sitzteil und den Schaftteil bildet, und ein zweites, den Anschlußteil bildendes Element hat.

7. Membrankörper (1) mit einem Ventilsitz (1d) am Boden einer konkaven Ventilkammer (1c), die mit einem Einströmkanal (1a) und einem Ausströmkanal (1b) verbunden ist;

einer metallenen Membran (2) mit zentraler Öffnung, wobei die Membran einen Innenumfang mit einem Endkantenteil sowie einen Außenumfangsteil hat und elastisch in vertikaler Richtung verformbar und in der Ventilkammer dem Ventilsitz gegenüber angeordnet ist, um die Ventilkammer luftdicht zu halten;

einem an dem Ventilkörper befestigten Ventildeckel (3);

einem in den Ventildeckel eingesetzten und von ihm gehaltenen Stößel (4), der durch den Ventildeckel aufwärts und abwärts bewegbar ist; und

einer Ventilplatte (6) mit einem scheibenförmigen Sitzteil (6a) zum Kontaktieren mit und Entfernen von dem Ventilsitz (1d), einem Schaftteil (6b), der von der Oberseite des Sitzteils durch die zentrale Öffnung in der metallenen Membran ragt und einem Anschlußteil (6c) in Verbindung mit dem Schaftteil und einem unteren Endteil des Stößels (4), wobei eine Schweißverbindung (W) den Endkantenteil am Innenumfang der metallenen Membran (2) an dem Schaftteil über dessen gesamten Umfang befestigt und mit ihm integriert und einen Abstand von dem Sitzteil hat, wodurch ein Spalt zwischen der Unterseite der metallenen Membran (2) und der Oberseite des Sitzteils (6a) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die metallene Membran aus mehreren übereinanderliegenden Metallplatten gebildet ist, daß der Ventildeckel (3) den Außenumfangskantenteil der metallenen Membran gegen den Ventilkörper klemmt, daß der Schaftteil eine Außenumfangsfläche (6f) mit einer Stufe (6g) hat, und daß der Kantenteil des Innenumfangs der metallenen Membran nach unten und dann nach innen gebogen ist, so daß er die Außenumfangsfläche an der Stufe (6g) berührt, wobei die Schweißverbindung die Endkante des Innenumfangs der metallenen Membran mit dem Schaftteil an der Stufe verbindet.