-
Hintergrund der Erfindung
-
1. Gebiet der Erfindung:
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Membranventile. Insbesondere
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Membranventile, die einen freien
Abfluss aus einem Ventilkörper
des Ventils gewährleisten,
wenn sich das Ventil in der geöffneten Position
befindet.
-
2. Beschreibung des Standes der Technik:
-
Die
Nachfrage nach Produkten höherer
Qualität
zwingt die Industrie dazu, Grund- und Basiselemente ihrer Prozesse
auf der Suche nach neuen Verfahren und besseren Komponenten kontinuierlich neu
zu bewerten, um zu größerer Einheitlichkeit
mit einem höheren
Grad an Reproduzierbarkeit zu gelangen, wodurch die gewünschte Qualität erreicht wird.
Die Bewertung von Kontrollergebnissen durch die United States Food
and Drug Administration(FDA)-Inspektoren in den vergangenen Jahren
hat diese Behörde
veranlasst, die Industrie anzuregen, ihren Fokus auf die Bewertung
von Reinigungsschritten und auf die Reinigungsmöglichkeiten von Vorrichtungen,
von besonderer Bedeutung für
diese Veröffentlichung,
zu richten, wovon ein großer
Anteil Hygieneventile darstellen. Zwischen den Betreffenden sind
einige Vorrichtungen in diesen Verfahren, welche nicht in adequater
Weise vor Ort reinigbar sind, wobei in-situ Reinigungsvorgänge selbst
nicht adequat sind, um die installierte Vorrichtung zu reinigen oder
wobei die Verfahren und Vorrichtung angemessen sind, aber die Verfahren
nicht korrekt ausgeführt werden.
-
Ventile
stellen die bei weitem größte Gruppe an
Vorrichtungen dar, welche in Verfahren verwendet werden. Bezogen
auf andere bekannte Ventilaufbauten sind Überlaufmembranventile verhältnismäßig einfach,
stellen eine gute Prozessisolation bereit, sind kosteneffektiv einzubauen
und zu warten und werden als einfach und verlässlich vor Ort zu reinigen betrachtet.
Im Gegensatz zu verschiedenen anderen Gruppen von Ventilaufbauten
bieten Überlaufmembranventile
im Allgemeinen gute Ablaufeigenschaften, verbunden mit geringer
Rückhaltung
von Material, wenn diese korrekt eingebaut sind. Wegen dieser Gründe haben
sie sich über
die letzten 50 Jahre als das Ventil der Wahl für eine Verwendung in Hygieneverfahren
dargestellt.
-
In
den letzten Jahren wurde die Funktion dieser Ventile einer größeren und
genaueren Prüfung unterzogen,
zumindest teilweise aufgrund des Druckes durch die FDA. Während sie
nach wie vor die bevorzugte Wahl für einige Anwendungen sind,
ist offensichtlich geworden, dass Überlaufmembranventile ein signifikantes
Risiko als eine Quelle für Cross-over-Kontaminationen
darstellen können,
insbesondere, wenn diese nicht korrekt eingebaut, betrieben und
gewartet sind, oder wenn Vor-Ort- Reinigung und Vor-Ort-Sterilisierungsverfahren
nicht korrekt durchgeführt
werden. Dies resultiert aus dem Basisaufbau der Überlaufmembranventile. Bezugnehmend
auf
10 ist ein typisches Überlaufmembranventil
101 dargestellt,
welches im Wesentlichen einem Ventil des Standes der Technik aus
EP-A 686 794 entspricht.
Das Überlaufmembranventil
101 umfasst
einen Ventilkörper
103,
eine Membran
133 und eine Haube, sowie andere typische
Ventilkomponenten (alle nicht dargestellt).
-
In 10 ist
eine statische Umfassung oder Umfangsdichtung 136 zwischen
dem Ventilkörper 103 und
der Haube durch eine Umfassung der Membran 133 gebildet.
Darüber
hinaus ist eine dynamische Liniendichtung 137 entlang eines Überlaufs 140 ausgebildet.
Das Hauptproblem des Aufbaus von Überlaufmembranventilen ist,
dass die statische Umfangsdichtung 136 über das obere Ende des Überlaufs 140 mit
der Liniendichtung 137 durchgängig ist, welche durch die
Membran 133 gebildet wird. Wenn der zentrale Abschnitt
der Membran 133 angehoben wird, um die Liniendichtung 137 über den Überlauf 140 zu
unterbrechen, um die Strömung
durch das Ventil zu gestatten, wird Druck auf die innere Kante der
Membran 133 dort angelegt, wo es die statische Umfangsdichtung 136 mit
dem Ventilkörper 103 bildet.
Folglich wird ein Teil der statischen Umfangsdichtung 136 ebenfalls
angehoben. Wenn die Liniendichtung 137 über den Überlauf 140 wieder
ausgebildet wird, indem die Membran 133 abgesenkt wird, wird
Material zwischen der inneren Kante der Membran 133 und
dem Ventilkörper 103 eingeschlossen,
d. h. innerhalb der statischen Umfangsdichtung 136. Dieses
eingeschlossene Material kann in den inneren Hohlraum 113 des
Ventilkörpers 103 im
Laufe der Zeit wandern. Obwohl dies während des Verlaufes eines Batchbetriebes
ein geringeres Problem ist, ist das nicht vollständige Entfernen von eingeschlossenen
Resten während
der Reinigungsvorgänge
zwischen zwei Batchbetrieben ein wesentlich gravierenderes Problem
und könnte
zwischen den Kampagnen der FDA für
unterschiedliche Produkte als sehr kritisch betrachtet werden.
-
Zusätzlich zu
dem oben Genannten wurden in der Vergangenheit Überlaufventile typischerweise in
einer Ausrichtung verwendet, bei der die Strömung durch das Ventil von dem
Einlasskanal zu dem Auslasskanal durch vertikales strömen über den Überlauf 140 erfolgt.
Dementsprechend könnte
Material auf der Anströmseite
des inneren Hohlraumes 113 eingeschlossen werden. Dies
führt natürlich zu
Kreuzkontamination.
-
Heutzutage
empfehlen Hersteller in einem Bestreben, den Abfluss durch ihre
Ventile zu verbessern und die Rückhaltung
zu minimieren, dass Überlaufmembranventile
hervorragen auf der Seite, so dass Fluide vielmehr passiv um den Überlauf
strömen
und abfließen
können,
als vertikal über
den Überlauf.
Während
dies notwendig ist, um die Membranventile abzulassen, ordnet dies
auch einen Abschnitt der Umfangsdichtung 136 auf dem Boden
des Ventils an, wodurch dies ein Sumpf wird, in dem Material dazu
neigt, sich anzusammeln und aus dem ein kompletter Abfluss sehr
schwierig vollständig
zu erreichen ist. Konsequenterweise wird die signifikante Herausforderung
des Reinigungsprozesses und die Möglichkeit von Quellen für eine Kreuzkontamination wesentlich
verschlechtert, wenn ein Überlaufventil
in dieser Weise verwendet wird. Verschiedene Artikel können in
der Literatur gefunden werden, welche als Thema die Reinigung von Überlaufventilen
haben. Einer der letzten ist ein Artikel in „Pharmaceutical Processing" (September 2001,
Seite 80), in dem der Autor in einer vergleichenden Studie der Überlaufventile
und Radialmembranventile zeigt, dass Überlaufventile regelmäßig nicht
vollständig
gereinigt werden. In dieser Studie stellen Radialmembranventile eine
wesentliche höhere
Verlässlichkeit
bezüglich der
Vor-Ort-Reinigung dar.
-
Daraus
folgt, dass das Radialmembranventil eine erste Alternative bezüglich dem
Aufbau von Ventilen im Vergleich zu Überlaufventilen darstellt, welche
in vielen Industriezweigen bevorzugt worden sind, entsprechend dem
Test der oben erwähnten Studie. 11 zeigt
ein typisches Radialmembranventil 201. So wie Überlaufmembranventile
umfassen Radialmembranventile eine flexible Membran 233,
welche es dem Ventil 201 gestattet, geöffnet und geschlossen zu werden,
indem die mechanischen Elemente des Ventils 201 von dem
Prozess getrennt werden. Jedoch unterscheiden sich Radialmembranventile
von Überlaufmembranventilen
in verschiedenen, wichtigen Punkten. Der bedeutendste Vorteil den
Radialmembranventile anbieten ist, dass die statische Umfangsdichtung 236 zwischen
dem Ventilkörper 203 in
einem Radialmembranventil nicht durchgängig mit der dynamischen Dichtung 237 ist, wie
dies der Fall ist bei Überlaufventilen.
Da die beiden Dichtungen nicht durchgängig sind, kann ein Radialmembranventil
betrieben werden, ohne die Umfangsdichtung 236 zu beeinträchtigen.
Daraus folgt, dass Kreuzkontamination als ein Ergebnis von verbleibenden
Rückhaltungen
in der Umfangsdichtung 236 im Vergleich zu dem Überlaufmembranventil
effektiv vermieden wird.
-
Während es
scheint, dass die Lösung
der Kreuzkontaminationsprobleme, welche gegenwärtig die Industrie plagen,
durch Radialmembranventile gelöst
werden können,
ist es ein Nebenprodukt des radialen Aufbaus, dass die Radialmembranventile eine
weniger geeignete Lösung
des Problems darstellen. Wie oben beschrieben, sind Radialmembranventile
definiert durch die Trennung der Umfangsdichtung 236 von
der Strömungssteuerung
oder der dynamischen Dichtung 237 und dem Kanal, den sie abdichtet.
Eine Betrachtung des Standes der Technik wird zeigen, dass in der
dynamischen Dichtung 237 der Strömungssteuerungskanal 224 und
die entsprechende ringförmige
dynamische Dichtoberfläche 237 unmittelbar
zueinander in der Mitte des inneren Ventilhohlraumes positioniert
sind. Entsprechend ist der flexible Abschnitt 241 der Membran 233 zwischen
der statischen Umfangsdichtung 236 und der dynamischen
Dichtung 237 groß genug,
um den erforderlichen Spielraum der Bewegung der dynamischen Dichtspitze 235 der
Membran 233 zu gestatten, um den Strömungssteuerungskanal 224 abzudichten, während die
Spannung auf den flexiblen Abschnitt 241 der Membran 233 minimiert
ist. Im Hinblick darauf wird der Abschnitt der Membran 233,
welcher mit dem Ventilkörper 203 an
der Umfangsdichtung 236 gepaart ist, nicht angehoben. Daraus
folgt, dass kein Material in der Umfangsdichtung eingeschlossen wird,
wie dies bei Überlaufventilen
der Fall ist.
-
Wie
dies bei einer Anordnung eines Radialmembranventils ersichtlich
ist, ist eine Öffnung
in den inneren Hohlraum 213 eines Strömungskanals 226 radial
auswärts
von dem zentral angeordneten Strömungssteuerungskanal 224 und
radial inwärts
von der Umfangsdichtung 236. Es wird außerdem erwähnt, dass sich die Oberfläche dieser
beiden Öffnungen
in den inneren Hohlraum des Ventils 213 durch dieselbe
Wand 242 öffnet.
Die Wand 242 ist im Wesentlichen planar oder scheibenförmig, wie
dies in 11 dargestellt ist, und zumindest
eine der Achsen des Strömungskanals
neigt dazu, in den inneren Hohlraum 213 nahezu in einem
rechten Winkel einzudringen.
-
Als
Konsequenz der Kombination der Orientierung der Kanäle relativ
zu der Wand 242 des inneren Hohlraums 213, durch
welche diese eintreten, ist die Öffnung
eines Fluidkanals 224 zentral in dem inneren Hohlraum 213 positioniert
mit dem anderen Kanal 226 radial positioniert. Des Weiteren
liegen beide Kanäle
innerhalb der Umfangsdichtung 236. Gemäß dem Stand der Technik können Radialmembranventile
nur dann dazu veranlasst werden, vollständig zu entleeren, wenn diese
vertikal orientiert sind, d. h. mit dem Auslass am Boden und werden nur
entleert, wenn der Boden des Auslasses nahe der Umfangsdichtung 236 liegt.
Entsprechend ist es in 11 notwendig, das Ventil 201 derart
zu orientieren, dass der Kanal 226 nach unten gerichtet
ist.
-
Es
ist leicht verständlich,
dass, wenn Radialmembranventile nur vollständig entleerbar sind, wenn
diese in einer vertikalen Weise orientiert sind, es gravierende
Begrenzungen gibt, wie Radialmembranventile gemäß dem Stand der Technik effektiv verwendet
werden können.
Insbesondere führt
die Ausrichtung eines Radialmembranventils in einer vertikalen Orientierung
zu einem signifikanten vertikalen Abfall über ihm. Aufgrund der Vielzahl
von Ventilen, welche für
einige Systeme notwendig sind, ist eine Orientierung aller Ventile
in einer vertikalen Weise aufgrund der räumlichen Begrenzung nicht möglich. Entsprechend
haben Radialmembranventile Überlaufmembranventile
in der Praxis nicht ersetzt trotz der Begrenzungen der in-situ-Reinigung
von Überlaufmembranventil-Aufbauten.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Nachdem
die Vorteile und Nachteile der beiden überwiegenden Ventilgruppen
beschrieben worden sind, welche für Hygieneverfahren verwendet werden,
möchte
der Erfinder einen neuen alternativen Ventilaufbau vorstellen, welcher
die günstigsten Merkmale
jeder der oben genannten Aufbauarten kombiniert, während die
Schwachstellen vermieden werden. Wie dies aus der vorliegenden Erfindung
ersichtlich ist, ist es möglich,
ein Ventilaufbau zu gestalten, welcher die gewünschte Membrandichtungskomponente
umfassen kann, wobei die dynamische Dichtung von der statischen
Umfangsdichtung getrennt ist, und die Verfahrenskontaktflächen des
Ventilkörpers
und der Membran vollständig
erreichbar sind für
die Prozessströme,
ohne die Bildung von Totgebieten, atmenden Dichtungen oder zusätzlichen Spalträumen, so
dass die Reinigung und Sterilisierung des Ventils vor Ort besonders
effektiv durchgeführt
werden kann.
-
Die
vorliegende Erfindung hat den zusätzlichen Vorteil, dass eine
kompakte Gestaltung vorliegt, welche darüber hinaus ökonomisch hergestellt werden
kann aufgrund teilweise der offenen Eigenschaft des inneren Hohlraumes
und der Kanäle,
welche in dem Ventilkörper
ausgebildet sind. Darüber
hinaus bietet die vorliegende Erfindung den Vorteil, dass, wenn
in einer Ausführungsform
Einlass- und Auslasskanäle
koaxial zueinander sind, sie zweiseitig symmetrisch ist, wodurch
es möglich
ist, sie ohne Modifikation und ohne den Verlust an operativer Effektivität zu verwenden
in einer rechts- oder
linksorientierten Anwendung, indem es einfach nur erforderlich ist,
den Körper
zu drehen. Das erfindungsgemäße Ventil
stellt eine verbesserte Strömung
bereit mit einer verbesserten Selbstreinigung und Sterilisierungscharakteristiken
aufgrund der Minimierung von Ruhezonen und dem extensiven ausschwemmenden Strömungsweg,
der erzeugt wird, in dem Material in und aus dem inneren Ventilhohlraum
strömt.
-
Es
ist eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung
bereitzustellen, welche vor Ort effektiv gereinigt und sterilisiert
werden kann, wobei der Prozess effektiv von den mechanischen Ventilelementen
getrennt werden kann, indem eine Membran oder andere effektive Dichtungsmittel
verwendet werden, und wobei ungestörter freier Ablass über das
Ventil nach wie vor erreicht werden kann.
-
Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Strömung durch
das Ventil zu ermöglichen,
ohne ein Ansteigen oder Abfallen der Strömung notwendig zu machen und
dies ohne die Ansammlung von Material zu ermöglichen, welches in dem Ventilkörper fließt, wie
dies letztlich in Radialmembranventilen des Standes der Technik
vorgekommen ist.
-
Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine dynamische
Membrandichtung bereitzustellen, um den Fluss des Prozesses reversibel durch
das Ventil abzudichten, welches getrennt und einzeln von der statischen
Dichtung ist, welche zwischen der Membran und dem Ventilkörper derart
gebildet ist, dass, wenn die dynamische Dichtung betätigt ist,
die statische Dichtung im Wesentlichen unbeeinflusst bleibt. Folglich
tendiert die statische Dichtung nicht dazu, Materialien entlang
der Grenze zwischen der Membran und dem Ventilkörper anzusammeln und zu beherbergen,
wie dies letztlich in Überlaufmembranventilen
vorkommt.
-
Ein
weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, eine Gestaltung
bereitzustellen, welche vor Ort effektiv gereinigt und sterilisiert
werden kann.
-
Ein
weiterer Zweck dieses Aufbaus ist es, einen Aufbau bereitzustellen,
welcher mit einer O-Ring-Dichtung oder einer Membrandichtung versehen
werden kann.
-
Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung
bereitzustellen, welche einfach demontiert, überprüft und gewartet werden kann.
-
Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Apparat
bereitzustellen, der einfach manuell oder automatisch betrieben
werden kann.
-
Noch
eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung
bereitzustellen, welche modifiziert und kombiniert werden kann,
um ein Ventil mit Einlässen
und Auslässen
zu bilden, welche in verschiedenen Winkeln zueinander ausgerichtet
sind, so dass in einem Falle eines L-förmigen Ventils Ventile mit
einem oder mehreren Einlässen und/oder
Auslässen
gebildet werden, so dass in dem Falle eines 2-Wege-Ventils Kompaktventile gebildet werden
können,
welche einen einzigen Körper
mit verschiedenen inneren Hohlräumen,
Einlässen
und Auslässen
kombiniert, welche oder nicht miteinander verbunden sind.
-
Die
vorher genannten Aufgaben der vorliegenden Erfindung können ergänzt werden
durch die Bereitstellung eines Ventilkörpers gemäß dem Anspruch 1. Der Ventilkörper weist
einen darin ausgebildeten inneren Hohlraum auf. Ein Einlasskanal
und ein Auslasskanal sind in dem Körper ausgebildet. Der Einlasskanal
hat eine Einlassöffnung
in Verbindung mit dem inneren Hohlraum und der Auslasskanal hat eine
Auslassöffnung
in Verbindung mit dem inneren Hohlraum. Eine Umfangsdichtfläche ist
an einer Wand des inneren Hohlraums ausgebildet. Zumindest ein Abschnitt
der Umfangsdichtfläche
erstreckt sich zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung und
umgibt den inneren Hohlraum. Des Weiteren erstreckt sich ein kontinuierlicher
unversperrter Strömungsweg
entlang des Ventilbodens über
den Einlasskanal, den inneren Hohlraum und den Auslasskanal, so
dass eine koplanare Oberfläche
gebildet ist, welche einen Freiablauf aus dem Körper gestattet. Weitere Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den anhängigen Unteransprüchen aufgeführt.
-
Das
Ventil der vorliegenden Erfindung kann mit einem Radialmembrandichtelement
oder einer O-Ring-Dichtung ausgestattet sein, kann manuell oder
automatisch betätigt
werden und kann gebildet sein aus einem einzelnen Ventil oder miteinander verbundenen
als eine Strömungssteuereinheit,
welche verschiedene Strömungswege
und verschiedene innere Hohlräume
umfasst.
-
Der
weitere Umfang der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung wird
offensichtlich aus der folgenden detaillierten Beschreibung. Jedoch
ist es verständlich,
dass die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele,
welche bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung darstellen, nur auf einer darstellenden Weise
wiedergegeben werden, da unterschiedliche Veränderungen und Modifikationen
innerhalb der Zielsetzung und des Umfangs der Erfindung für den Fachmann
offensichtlich werden, ausgehend von dieser detaillierten Beschreibung.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Die
vorliegende Erfindung wird verständlicher
durch die detaillierte Beschreibung, welche nachfolgend aufgeführt ist,
und die beigefügten Zeichnungen,
welche rein illustrativ dargestellt sind und nicht als begrenzend
für die
vorliegende Erfindung betrachtet werden und in denen
-
1 einen
vertikalen Querschnitt durch das Ventil der vorliegenden Erfindung
zeigt, wobei das Ventil in einer geschlossenen Position dargestellt
ist;
-
2 ein
vertikaler Querschnitt durch das Ventil der vorliegenden Erfindung
ist, welches das Ventil in einer geöffneten Position zeigt;
-
3 eine
perspektivische Ansicht des Ventilkörpers und der Membran der vorliegenden
Erfindung ist gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
-
4 ein
horizontaler Querschnitt des Ventils auf mittlerer Höhe des Einlasses
und des Auslasses ist, wenn das Ventil für die Anwendung positioniert
ist, welche im Falle dieses Ventils (das gleiche wie dargestellt
in 3) über
seine Seite mit einem Winkel von 45° zur Horizontalen hervorsteht;
-
5 eine
obere Ansicht des Ventils der 3 ist;
-
6 ein
vertikaler Querschnitt des Ventils der 3 ist;
-
7 ein
vertikaler Querschnitt ist, vergleichbar mit der 6,
darstellend eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils;
-
8 eine
perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils
ist;
-
9 eine
perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils
ist;
-
10 eine
perspektivische Ansicht eines Ventils gemäß dem Stand der Technik ist,
und
-
11 ein
Querschnitt eines Ventils gemäß dem Stand
der Technik ist.
-
Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
-
Die
vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme der beigefügten Zeichnungen
beschrieben. Bezogen auf die 1–5 wird
ein erstes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die 1 und 2 sind
vertikale Querschnitte durch das Ventil 1 der vorliegenden Erfindung. 1 stellt
das Ventil in einer geschlossenen Position und 2 stellt
das Ventil in einer geöffneten
Position dar.
-
Das
Ventil 1 umfasst einen Ventilkörper 3 und eine Haube 5.
Die Haube 5 kann mit dem Ventilkörper 3 über verschiedene
Arten von Mechanismen verbunden werden, umfassend Klammern etc.
Jedoch ist in den 1-5 die Haube 5 dargestellt, verbunden
mit dem Ventilkörper 3 über eine
Vielzahl von Bolzen 7, welche sich in korrespondierende
Bolzenlöcher 9 erstrecken,
welche in der Haube 5 und in dem Ventilkörper 3 ausgebildet
sind (siehe 3).
-
Das
Ventil 1 umfasst auch eine Ventilbetätigungsstange 10,
welche in der Haube 5 montiert ist. In den 1 und 2 ist
die Ventilbetätigungsstange 10 dargestellt
mit einem manuellen Betätigungselement 11 zum Öffnen und
Schließen
des Ventils. Jedoch ist es offensichtlich, dass ein automatisches
Betätigungselement,
beispielsweise ein pneumatisches Betätigungselement, ebenso verwendet
werden könnte.
-
Die
Struktur des Ventilkörpers 3 der
vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben. Der Ventilkörper 3 umfasst
einen inneren Hohlraum 13, einen Einlasskanal 27 und
einen Auslasskanal 31, welche darin ausgebildet sind. Eine
Bodenlinie, welche sich durch den Einlasskanal 27, den
inneren Hohlraum 13, und den Auslasskanal 31 erstreckt,
bildet eine koplanare Oberfläche 20,
wenn sich der Ventilkörper über eine
Achse des Einlasskanals 27 hinaus erstreckt. In der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die Bodenlinie durch eine koplanare Oberfläche 20 gebildet,
um eine kontinuierliche, glatte und ununterbrochene Strömungslinie
von dem Einlass 25 zu dem Auslass 29 zu bilden, wenn
sich das Ventil 1 auf einer Seite um 45° hinaus erstreckt. Diese Orientierung
des Ventils 1 erlaubt es dem Ventil 1, auf der
Prozessseite frei abgelassen zu werden, wenn sich das Ventil 1 in
einer offenen Position, wie in 2 dargestellt,
befindet. Es sei auch bemerkt, dass in einem typischen System das
Ventil derart ausgerichtet wäre,
dass der Einlass 25 leicht oberhalb des Auslasses 29 angeordnet
ist, um das freie Abfließen
zu unterstützen.
-
In
den 1-5 ist das Ventil als ein 45°-Ventil dargestellt,
welches demnach so angeordnet wäre,
dass das Ventil über
die Achse des Einlasskanals 27 um 45° hinausragt. Jedoch ist es einem Fachmann
offensichtlich, dass das Ventil auf andere Arten ebenso konstruiert
werden kann in Abhängigkeit
der Anwendung. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Ventil,
zum Beispiel als 57°-
oder 24°-Ventil,
auch gestaltet sein, welches erforderlich machen würde, dass
das Ventil derart angeordnet wird, dass das Ventil über die
Achse des Einlasskanals 27 um 57° bzw. 24° hinausragt.
-
Nochmals
bezugnehmend auf 1 umfasst ein Hauptabschnitt
des inneren Hohlraums 13 einen zylindrischen Abschnitt 15 und
einen konischen Abschnitt 17. Jedoch ist es offensichtlich,
dass die Form des inneren Hohlraums 13 auch in anderen Formen
ausgebildet werden kann. Der Ventilkörper 3 kann auch einen
Kanal 19 umfassen, welcher in Verbindung mit einer Einlassöffnung 21 des
Einlasskanals 27 steht und dem Hauptabschnitt des inneren Hohlraums 13.
Die Einlassöffnung 21 steht
ebenso in Verbindung mit einem Einlass 25 über den
Einlasskanal 27. Darüber
hinaus ist eine Auslassöffnung 23 des
Auslasskanals 31 in Verbindung mit dem Hauptabschnitt des
inneren Hohlraums 13. Die Auslassöffnung 23 steht in
Verbindung mit einem Auslass 29 über den Auslasskanal 31.
-
Es
sollte erwähnt
werden, dass die Begriffe „Einlass" und „Auslass" nur verwendet werden,
um gegenüberliegende
Seiten einer Umfangsdichtfläche 37 zu
bezeichnen, welche in dem inneren Hohlraum 13 ausgebildet
ist, die eine stromaufwärtige
von einer stormabwärtigen
Seite eines Prozesses trennt. Jedoch kann ein erfindungsgemäßes Ventil 1 derart
angeordnet werden, dass entweder der Einlass 25 oder der
Auslass 29 auf der stromaufwärtigen oder der stromabwärtigen Seite
des Prozesses ausgerichtet ist. Zusätzlich kann ein Prozess in
eine Richtung relativ zu dem Ventil 1 in einigen Situationen
strömen und
in einer zweiten entgegengesetzten Richtung in anderen Situationen.
-
Bezugnehmend
nochmals auf 1 der vorliegenden Erfindung
ist Ventil 1 in einer geschlossenen Position dargestellt,
während
in 2 das Ventil 1 in einer geöffneten Position
dargestellt ist. Um die Prozessseite des Ventils 1 von
der Nicht-Prozessseite des Ventils 1 getrennt zu halten,
kann eine Membran 33 verwendet werden. Die Membran 33 umfasst eine
Dichtspitze 35, welche in und aus einem Kontakt mit einer
Umfangsdichtfläche 37 über ein
manuelles Betätigungsmittel 11 bewegt
werden kann. Die Membran 33 weist auch eine nach vorne
gerichtete Ausdehnung 39 auf, welche unterschnitten werden
kann (nicht dargestellt), um den flexiblen Abschnitt 41 der Membran 33 einer
größere Flexibilität zu ermöglichen.
Dementsprechend wird es der Dichtspitze 35 ermöglicht,
einen größeren Bereich
zu überstreichen und
demnach kann ein größerer Bereich
der Strömung
durch das Ventil 1 erreicht werden. Die Dichtspitze der
Membran 33 kann konisch oder in der Form eines Kegelstumpfes
ausgebildet sein, um mit der Umfangsdichtfläche 37 zu kooperieren.
Andere Ausführungsformen
der Erfindung sind ebenso möglich,
wobei die Membran 33 keine andere sich nach vorne ausdehnende
Erstreckung aufweist als eine große Vertiefung gestaltet zu
sein in einer ansonsten flachen Membran, wobei ein vorderer Abschnitt
der Vertiefung sich mit der Umfangsdichtfläche 37 vereint und
abdichtet. Jedoch ist es verständlich,
dass die Form der Dichtspitze auch in anderen geschlossenen Formen
ausgebildet sein kann. Alles was erforderlich ist, dass die Dichtspitze 35 und
die Umfangsdichtfläche 37 miteinander
derart kooperieren, dass eine Dichtung um den Umfang des inneren
Hohlraumes 13 gebildet wird.
-
Der äußere Rand 47 der
Membran 33 ist im Allgemeinen rund und kann eine oder mehrere
Lippen umfassen, welche in dem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt
ist mit einer vorderen Lippe 43 und einer rückwärtigen Lippe 45,
um die Verankerung des Randes 47 der Membran in dem Ventilkörper 3 zu
unterstützen.
Eine vordere ringförmige
Wand 49 der Membran 33 bildet eine statische Dichtfläche mit einer
rückwärtigen Wand 51 des
Ventilkörpers 3.
Die vordere Lippe 43 passt in eine Vertiefung 53,
welche in dem Ventilkörper 3 ausgebildet
ist.
-
Der
Rand 47 der Membran 33 wird dadurch an Platz gehalten,
indem er von hinten durch eine vordere Fläche 55 eines Kompressionsringes 57 gepresst
wird. Der Kompressionsring 57 ist von hinten durch eine
vordere Fläche 59 der
Haube 5 gepresst. Wie oben erwähnt, wird die Haube 5 nach
unten auf den Ventilkörper 3,
beispielsweise durch Bolzen, Klammern etc. gedrückt, wobei Bolzen 7 in
den 1–5 dargestellt
sind.
-
Drehen
des manuellen Betätigungselements 11 veranlasst
die Ventilbetätigungsstange 10 reversibel
aus der geschlossenen oder dichtenden Position zurückgezogen
zu werden. Das vordere Ende 65 der Ventilbetätigungsstange 10 ist
in einer Vertiefung 67 in der Membran 33 befestigt.
Dies veranlasst, dass sich das dichtende Ende 35 der Membran 33 mit
der Umfangsdichtfläche 37 des
Ventilkörpers 3 um
die Auslassöffnung 23 des
Auslasskanals 31 verbindet. Ein Stift 69 ist in
ein Loch 71 in der Haube 5 gepresst. Der Stift 69 ragt
in einen Schlitz 73, welcher in der Ventilbetätigungsstange 10 ausgebildet
ist, um diesen am Drehen zu hindern, wenn der Knopf 75 des manuellen
Betätigungselements 11 gedreht
wird. Dementsprechend zwingen die weiblichen Gewindegänge 77,
welche in der Knopfanordnung 75 ausgebildet sind, die männlichen
Gewindegänge 79,
welche in der Ventilbetätigungsstange 10 ausgebildet sind,
die Ventilbetätigungsstange 10 zurückzuziehen und
ebenso die verbundene Dichtspitze 35, so dass das Ventil 1 öffnet, wie
dies in 2 dargestellt ist.
-
Gemäß 3 der
vorliegenden Erfindung ist eine perspektivische Ansicht des Ventils 1 dargestellt.
In 3 sind die Achse des Einlasskanals 27 und
des Auslasskanals 31 aus einem Zentrum des Ventilkörpers 3 versetzt.
Dementsprechend kann diese Ausführungsform,
wenn das Ventil in vielen Ausrichtungen betrieben wird, gefertigt
werden, aufweisend eine kontinuierliche glatte und ununterbrochene horizontale
Strömungslinie
von dem Einlass 25 zu dem Auslass 29, wenn die
Achse durch den Einlass 25 und Auslass 29 horizontal
ist, und wenn das Ventil an einer Seite über eine Achse des Einlasskanals 27 hervorragt.
In diesem speziellen Fall würde
das Ventil um 45° hervorragen.
Um in einem System die Orientierung des Ventilkörpers 3 zu erleichtern,
kann eine gewinkelte Fläche 31 an
der äußeren Fläche des Ventilkörpers 3 ausgebildet
werden. Dies bildet eine Sichtlinie, welche verwendet werden kann,
um sicherzustellen, dass das Ventil 1 in einem System richtig
positioniert ist. Wenn die gewinkelte Fläche 31 parallel zu
einer horizontalen Ebene angeordnet ist, ist die Bodenlinie ausgebildet,
eine koplanare Fläche 20 zu
bilden, um eine kontinuierliche glatte und ununterbrochene Strömungslinie
von dem Einlass 25 zu dem Auslass 29 zu bilden.
Entsprechend sollte die gewinkelte Fläche 81 derart konstruiert
sein, dass sie parallel zu der koplanaren Fläche 20 läuft, aber
von dieser beabstandet ist. Es sollte auch erwähnt werden, dass die gewinkelte
Fläche 81 ebenso
gewinkelt sein kann, um die Strömung
durch das Ventil 1 von dem Einlass 25 zu dem Auslass 29,
wie oben erwähnt,
zu unterstützen.
-
In 3 ist
der Kanal 19 deutlich in seiner bevorzugten Form dargestellt,
wobei ein glatter Übergang
von der Einlassöffnung 21 ausgebildet
ist. Die gestrichelte Linie in 3 stellt
den Strömungsweg zwischen
dem Kanal 19 und der Auslassöffnung 23 dar. Wie
dies einfach zu verstehen ist, wird der Strömungsweg, wenn die gestrichelte
Linie parallel zu einer horizontalen Ebene ausgerichtet ist, parallel
zu dem äußeren Rand
der konischen Fläche
sein, welche durch den konischen Abschnitt 17 des inneren Hohlraums 13 gebildet
wird. Von einer anderen Seite betrachtet heißt dies, wenn die gestrichelte
Linie parallel zu einer horizontalen Ebene ausgerichtet ist, würde der
Strömungsweg
entlang des Bodens des Kanals 19 koplanar mit dem äußeren Rand
der konischen Fläche
sein, wo die beiden sich treffen. Eine Linie, welche sich vom konischen
Rand gegen das, was als konischer Scheitelpunkt bezeichnet wird,
erstreckt, ein Punkt innerhalb der Auslassöffnung 23, wird also
demnach auch koplanar sein. Dementsprechend kreuzt die Strömung die
Umfangsdichtung, welche zwischen der Umfangsdichtfläche 37 und
der Dichtspitze 35 der Membran 33 gebildet ist.
-
Bezugnehmend
auf 4 der vorliegenden Erfindung wird die Strömung durch
das Ventil 1 erklärt.
Wie oben bereits erwähnt,
erlaubt die Strömung durch
das Ventil 1 ein freies Ablauf des Ventils von dem Einlass 25 zu
dem Auslass 29, wenn sich das Ventil in einer geöffneten
Position, wie in 2 dargestellt, befindet. In 4 ist
die Strömung
durch das Ventil durch Pfeile dargestellt. Wie dies einfach zu verstehen
ist, tritt die Strömung
durch den Einlass 25 ein und setzt sich durch den Einlasskanal 27,
die Einlassöffnung 21,
den Kanal 19 des inneren Hohlraumes 13, der Auslassöffnung 23,
des Auslasskanals 31 und des Auslasses 29 in der
angegebenen Reihe fort.
-
4 ist
ein Querschnitt durch den Ventilkörper 3 der 3 entlang
einer Ebene parallel zu der koplanaren Fläche 20. Wie dies einfach
zu verstehen ist, ist eine kontinuierliche Strömung durch das Ventil 1 ausgebildet,
wenn die Bodenlinie des Einlasskanals 27, der innere Hohlraum 13 und
der Auslasskanal 31 die koplanare Fläche 20 bilden, wenn
das Ventil über
der Achse des Einlasskanals 27 hervorragt, um die koplanare
Fläche
parallel zu einer horizontalen Ebene auszurichten. Wie oben bereits
erwähnt, sollte
das Ventil 1 in der ersten Ausführungsform um 45° hervorragen.
-
In
den 3 und 4 der vorliegenden Erfindung
sind die Achsen des Einlasskanals 27 und des Auslasskanals 31 auf
einer Seite des Ventilkörpers 1 versetzt.
Es sollte jedoch erwähnt
werden, dass der Einlasskanal 27 und der Auslasskanal 31 auch
derart konstruiert sein können,
dass sie durch ein Zentrum des Ventilkörpers 3 verlaufen.
Mit dieser Konstruktion kann das Ventil 1 bilateral konstruiert sein,
so dass das Ventil 1 entweder in einer rechtsgerichteten
oder linksgerichteten Orientierung verwendet werden kann. Jedoch
sollte es verständlich
sein, dass abhängig
davon, ob das Ventil 1 verwendet wird als ein rechtshändiges Ventil
oder ein linkshändiges Ventil,
das Ventil über
die Achse des Einlasskanals 27 und des Auslasskanals 31 auf
der rechten Seite bzw. der linken Seite hervorragt.
-
Bezugnehmend
auf 5 der vorliegenden Erfindung ist die Umfangsdichtfläche 37 deutlich
dargestellt als kreisförmig
ausgebildet, welche sich rund um einen Rand des inneren Hohlraums 13 erstreckt. Es
sollte erwähnt
jedoch werden, wie oben bereits erwähnt, dass die Umfangsdichtfläche 37 nicht
in der Form eines Kreises ausgebildet sein muss, sondern in jeder
anderen geschlossenen Form ausgebildet sein kann, solange sich die
Umfangsdichtfläche 37 um
den inneren Hohlraum 13 um 360° erstreckt.
-
In 5 erfolgt
die Strömung,
wie bereits oben beschrieben, von dem Einlass 25 durch
den Einlasskanal 27 in die Einlassöffnung 21 und setzt sich
dann weiter fort durch den Kanal 19, entlang der Fläche des
konischen Abschnitts 17 zu der Auslassöffnung 23, und setzt
sich dann weiter fort durch den Auslasskanal 31 zu dem
Auslass 29. Obwohl das Ventil der vorliegenden Erfindung
beschrieben wurde als einen konischen Abschnitt 17 aufweisend
und einen Kanal 19 in dem inneren Hohlraum 13,
ist es natürlich
für einen
Fachmann offensichtlich, dass nur der glatte Übergang zwischen der Einlassöffnung 21 und
der Auslassöffnung 23 bereitzustellen
ist. Folglich kann der innere Hohlraum 13 ebenso in jeder
anderen Form ausgebildet sein.
-
Bezugnehmend
auf 6 der vorliegenden Erfindung ist eine Detailansicht
einer alternativen Anordnung der Membran 33 dargestellt.
In dieser Ausführungsform
weist die Membran 33 eine wesentlich kürzere vordere Ausdehnung 39 auf,
welche einen geringeren Bereich der Bewegung gestattet im Zurückziehen
der Dichtspitze 35 von der damit vereinten Umfangsdichtfläche 37,
aber kann signifikant das innere Volumen des Ventilkörpers 3 reduzieren,
wobei es möglich
ist, das Ventil 1 wesentlich kompakter zu gestalten, während um
die Leitung der Ströme durch
den inneren Hohlraum 13 unterstützt wird, um eine optimale
Durchflusseffizienz zu erreichen. So wie mit jedem Ventil können überdimensionierte
Ventilbetätigungskomponenten
und zugeordnete Dichtelemente das Ventil veranlassen suboptimal
zu operieren. In diesem Fall ohne Bewegungsstops würde die
statische Dichtung, welche durch den Dichtkörper 3 und den Rand 47 der
Membran 33 gebildet wird, beeinflusst werden, indem die
Membran 33 von dem Körper 3 entlang
der statischen Dichtung getrennt wird, welche zwischen der vorderen
ringförmigen Wand 49 und
der rückwärtigen Wand 51 gebildet
ist. Eine derartige Überdimensionierung
könnte
eine vorübergehende
Tasche ausbilden, in der sich Material ansammeln könnte und
eine Art Kreuzkontaminationsproblem erzeugen kann, welche kürzlich in Überlaufmembranventilen
gefunden wurden. Wie oben erwähnt,
ist die Flexibilität
des Membranabschnitts zwischen der Umfangsdichtfläche 37,
welche eine dynamische Dichtung bildet, und der vorderen ringförmigen Wand 49 der
Membran 33, welche die statische Dichtung zwischen dem
Ventilkörper 3 und
dem Rand 47 der Membran 33 bildet, von Bedeutung,
da eine zu geringe Trennung und/oder zu steifes Material den Transfer
der Bewegung des dynamischen Dichtabschnitts der Membran zu dem
Abschnitt, der statisch verbleiben sollte, bewirkt. In dieser Ausführungsform
ist die Bewegung der Membran begrenzter als in der Ausführungsform,
welches in 2 dargestellt ist, aber die
Strömung
durch den Ventilkörper wird
relativ etwas höher
und effizienter sein, da die Querschnitte der Einlassöffnung 21 und
der Auslassöffnung 23 größer sind
relativ zu der Größe des inneren
Hohlraums des Ventils. Unter Berücksichtigung der
Tatsache, dass nur eine geringe Bewegung notwendig ist, um das Ventil
von der geöffneten
in die geschlossene Position zu bewegen und dass es eine geringe
innere Oberfläche
gibt, ist diese Kombination der Eigenschaften hocherwünscht und
vorteilhaft. Dieser Aufbau vermeidet die Problemen der aus dem Stand
der Technik bekannten Ventile, die beispielsweise die Ansammlung
von Material rund um die statische Dichtung des Ventils erfahren,
wenn innerhalb der Aufbauspezifikationen betrieben.
-
Als
eine alternative Anordnung zeigt 7 der vorliegenden
Erfindung einen O-Ring 83, welcher zwischen der Ventilbetätigungsstange 10 und
der Haube 5 abdichtet. Ebenso ist eine statische ringförmige Dichtung 85 zwischen
der Haube 5 und dem Ventilkörper 3 vorgesehen
und eine dynamische Dichtung zwischen der Umfangsdichtfläche 37 und der
Dichtspitze 35, welche an der Betätigungsstange 10 befestigt
ist. Diese Anordnung stellt keinen Druck auf die statische Dichtung
bereit zwischen dem Ventilkörper 3 und
der Haube 5 während
der Betätigung des
Ventils 1. Entsprechend kann das Material, welches in dem
Raum eingeschlossen wird, der zwischen dem Ventilkörper 3 und
der Haube 5 ausgebildet ist, wesentlich reduziert werden.
-
Bezugnehmend
auf die 8 und 9 der vorliegenden
Erfindung werden zwei Ausführungsformen
eines 3-Wege-Ventils dargestellt. In den 8 und 9 ist
dann, wenn sich das Ventil 1 in einer geschlossenen Position
befindet, der Einlass 25 abgedichtet. Eine Strömung ist
jedoch möglich,
welche sich zwischen dem Einlass 86 und dem Auslass 87 fortsetzt.
Es ist verständlich,
dass der Einlass 86 und der Auslass 87, sowohl
stromaufwärts
bzw. stromabwärts
geöffnet
und geschlossen werden kann, durch ein zusätzliches Ventil 1 der
vorliegenden Erfindung oder einen anderen Ventiltyp in dem System.
Wenn es gewünscht
ist, eine Strömung
zwischen dem Einlass 25 und dem Einlass 86 und
dem Auslass 87 bereitzustellen, wird entweder der Einlass 86 oder
der Auslass 87 geschlossen und die Dichtspitze 35 wird weg
von der Umfangsdichtfläche 37 gebracht,
um eine Kommunikation zwischen denselben zu erlauben.
-
Es
sollte erwähnt
werden, dass die 8 und 9 vergleichbare
Ausführungsformen
zeigen. Jedoch besteht der Unterschied zwischen den Ausführungsformen
der 8 und 9 in der Tatsache, dass die
Strömung
durch das Ventil 1 in der geschlossenen Position in der
Ausführungsform
der 8 geradlinig ist, während die Strömung durch das
Ventil 1 in der 9 einen Winkel von 90°. Zusätzlich zeigt
die Ausführungsform
der 8 vier Kanäle 19,
welche in dem inneren Hohlraum 13 gebildet sind, während 9 zwei
Kanäle 19 darstellt.
In 9 sind die Einlassöffnung und die Auslassöffnung 89 als
nebeneinander liegend dargestellt.
-
Beide
der Ausführungsformen
der 8 und 9 sind 30°-Ventile und umfassen zwei gewinkelte
Flächen 81,
welche die Positionierung des Ventils 1 in einem System
unterstützen,
abhängig
davon, ob das Ventil 1 als ein rechtshändiges oder ein linkshändiges Ventil
verwendet wird.
-
Die
so beschriebene Erfindung kann offensichtlich in vielfältiger Weise
variiert werden. Derartige Variationen können nicht als außerhalb
des Gegenstandes und der Aufgabe der Erfindung betrachtet werden
und derartige Modifikationen, wie solche, die für einen Fachmann offensichtlich
sind, liegen weiterhin innerhalb des Gegenstandes der umfassten
Ansprüche.