Membrananordnung für einen Druckschalter

Abstract

 Ein Membranstützteller (10) weist an seinem äusseren Rand (20) eine axial gerichtete Ringnut (30) auf, in welche eine ringförmige Membran (22) mit ihrem am inneren Rand angeordneten Einspannwulst (28) verzugsfrei eingelegt wird. Durch Bördeln wird ein neben der Ringnut (30) am Membranstützteller (10) angeordneter Bördelrand (32) radial nach aussen verformt. Durch das dadurch erfolgte Verschliessen der Ringnut (30) ist die aus einem hochelastischen Werkstoff bestehende Membran (22) druckdicht und verzugsfrei am Membranstützteller (10) verankert.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Membrananordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, auf ein Verfahren zum Verbinden der Membran mit einem Membranstützteller sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

[0002] Im Feinstdruckbereich werden beispielsweise bei Gasheizkesseln zur Überwachung der Abgase Schaltgenauigkeiten von wenigen Pascal gefordert, die mit Druckschaltern der bekannten Bauart kaum mehr garantiert werden können. In der Regel handelt es sich dabei um Einstellungen von Arbeitsdrücken in der Grössenordnung von weniger als 200 Pa bzw. Druckdifferenzen von weniger als 20 Pa.

[0003] Druckregler und Druckschalter für sehr geringe Druckdifferenzen im Feinstdruckbereich benötigen in der Regel relativ grossflächige Membranen mit geringsten Reibungswiderständen. Dafür eignen sich insbesondere sehr dünne Membranen aus einem hochelastischen Werkstoff. Um die erforderliche Stabilität solcher Membranen zu gewährleisten und um die durch die Druckdifferenz aufgebrachte Kraft auf einen Schalt- oder Gebermechanismus zu übertragen, ist es allgemein bekannt, eine solche Membran mit einem aus einem relativ steifen Werkstoff bestehenden Membranstützteller abzustützen.

[0004] Um Werkstoff und Gewicht einzusparen, ist es vorteilhaft, die Membran ringförmig auszubilden, so dass sie sich radial an den Membranstützteller anschliesst, ohne die gesamte Fläche zu überspannen. Im Unterschied zu ganzflächigen Membranen, bei deren Handhabung und Lagerung vor dem Einbau besondere Sorgfalt erforderlich ist, sind ringförmige Membranen wesentlich unempfindlicher, so dass sie sich ohne Schaden wie Schüttgut behandeln lassen. Durch eine solche Vereinfachung ergeben sich niedrigere Herstellungskosten.

[0005] Bei einer bekannten Anordnung ist eine ringförmige Membran an einem Membranstützteller in einer radial angeordneten Nut befestigt. Dabei ist der Membranstützteller an die Membran angespritzt.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Membrananordnung zu schaffen, bei der eine ringförmige Membran verzugsfrei und druckdicht mechanisch an einem Membranstützteller befestigt ist. Ferner sollen ein Verfahren zum rationellen Verbinden der beiden Teile miteinander und eine dazu vorteilhafte Vorrichtung angegeben werden.

[0007] Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die in den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 1, 5 und 7 angegebenen Merkmale gelöst.

[0008] Durch die erfindungsgemässe Lösung nach Anspruch 1 lassen sich beliebige Werkstoffe für die Membran und den Membranstützteller miteinander kombinieren, auch solche, die in der Regel nicht dazu geeignet sind, geklebt, geschweisst oder als Kunststoffe aneinandergespritzt zu werden.

[0009] Im Gegensatz zu einer Anordnung mit einer ganzflächigen, auf einem Membranstützteller aufliegenden Membran ist eine Druckbeaufschlagung in beiden Richtungen möglich, ohne dass sich die Membran vom Membranstützteller abhebt. Die ringförmige Ausbildung erlaubt im Vergleich zu einer ganzflächigen Membran auch eine Einsparung an relativ kostspieligem Werkstoff, wie beispielsweise einem Siliconkautschuk. Zudem ermöglicht eine solche Anordnung eine sehr präzise Druckerfassung bei kleinsten Drücken in der Nähe des Nullpunktes.

[0010] Bei einer Ausführungsform nach Anspruch 2 ist gewährleistet, dass die Membran zum Verbinden mit dem Membranstützteller mit ihrem am inneren Rand angeordneten Einspannwulst ohne aufzuweiten und daher verzugsfrei in die am äusseren Rand des Membranstütztellers angeordnete Nut einlegbar ist.

[0011] Bei einer Ausführungsform nach Anspruch 3 lässt sich die Membran mit ihrem inneren Einspannwulst zuverlässig und druckdicht in der Nut des Membranstütztellers verankern, ohne dass der Einspannwulst dabei deformiert und die Membran verzogen wird, da die Nut durch den Bördelrand lediglich verschlossen, jedoch nicht in ihrer Ausdehnung verändert wird.

[0012] Eine Ausführungsform nach Anspruch 4 dient dazu, dem Membranstützteller bei geringstmöglichem Gewicht die erforderliche Steifheit zu verleihen.

[0013] Das erfindungsgemässe Verfahren nach Anspruch 5 ist sowohl für einen Membranstützteller aus Kunststoff wie auch für einen solchen aus Metall, beispielsweise aus Spritzguss, geeignet.

[0014] Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens nach Anspruch 6 dient zum rationellen Verbinden der Membran mit einem Membranstützteller aus Kunststoff. Dabei handelt es sich wie auch bei einem Membranstützteller aus Metall im wesentlichen um eine mechanische Verbindung, bei deren Herstellung keine Lösungsmitteldämpfe zu erwarten sind, wie sie beim Kleben und gegebenenfalls auch beim Anspritzen des einen Teils an das jeweils andere oder beim Verschweissen auftreten können.

[0015] Die Ansprüche 7 bis 10 beschreiben eine bevorzugte Ausführung einer Vorrichtung zum Verbinden der Membran mit einem Membranstützteller aus Kunststoff.

[0016] Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

Eine Draufsicht auf einen Membranstützteller mit einer Membran,

Fig. 2

eine Schnittansicht der Membran,

Fig. 3

eine Schnittansicht des Membranstütztellers,

Fig. 4

eine Vorrichtung zum Verbinden der Membran mit einem Membranstützteller aus Kunststoff und

Fig. 5

eine Schnittansicht des Randbereiches einer an einem Membranstützteller befestigten Membran.

[0017] Der in der Fig. 1 dargestellte Membranstützteller 10 weist in seinen Zentrum eine Nabe 12 und einen Stössel 14 auf. Von der Nabe 12 erstrecken sich acht Verstärkungsrippen 16 sternförmig in radialer Richtung bis zu einem kreisförmigen Rippenrand 18. Am äusseren Rand 20 des Membranstütztellers 10 ist eine ringförmige Membran 22 befestigt. Diese weist an ihrem äusseren Rand einen zum Einspannen in ein nicht dargestelltes Druckschalter- oder Druckgebergehäuse bestimmten äusseren Einspannwulst 24 auf.

[0018] Gemäss Fig. 2 weist die ringförmige Membran 22 eine sehr dünnwandige Sicke 26 auf, der sich in radialer Richtung ringförmig zwischen dem äusseren Einspannwulst 24 und einem inneren Einspannwulst 28 erstreckt.

[0019] Aus der Fig. 3 ist ersichtlich, dass der Membranstützteller 10 in seinem äusseren Rand 20 eine axial gerichtete Ringnut 30 aufweist, deren Durchmesser demjenigen des inneren Einspannwulstes 28 der Membran 22 entspricht, so dass der innere Einspannwulst 28 in die Ringnut 30 hineinpasst. Auf der Innenseite der Ringnut 30 erstreckt sich in axialer Richtung ein ebenfalls ringförmiger Bördelrand 32. Dieser dient zum Verschliessen der Ringnut 30, nachdem die Membran 22 mit ihrem inneren Einspannwulst 28 in die Ringnut 30 eingelegt worden ist.

[0020] Die in der Fig. 4 dargestellte Vorrichtung dient zum Verbinden der Membran 22 mit dem Membranstützteller 10. Sie weist ein ortsfestes matrizenartiges Unterteil 34 und ein in axialer Richtung auf das Unterteil 34 zustellbares stempelartiges Oberteil 36 auf. Die einander zugekehrten Stirnseiten 38, 40 des Unterteils 34 und des Oberteils 36 sind der Form der fertigen Membrananordnung 10, 22 mindestens annähernd angepasst. Das Oberteil 36 weist dazu auf der Stirnseite 40 eine ringförmige, zum Bördeln bestimmten, schräg nach aussen gerichtete Bördelfläche 42 auf. Diese Bördelfläche 42 dient zur Verformung des ringförmigen Bördelrandes 32 des Membranstütztellers 10.

[0021] In der Fig. 5 ist der Randbereich der fertigen Membrananordnung 10, 22 im Schnitt dargestellt. Dabei ist der sich vor der Montage in axialer Richtung erstreckende Bördelrand 32 (Figuren 3 und 4) derart verformt, dass er sich nun, wie bei 32' dargestellt, mindestens annähernd radial nach aussen erstreckt. Durch diese Verformung ist die Membran 22 mit ihrem inneren Einspannwulst 28 druckdicht und verzugsfrei mit dem Membranstützteller 10 verbunden, da der innere Einspannwulst 28 ebenso wie der übrige Teil der Membran 22 aus einem hochelastischen Werkstoff hergestellt wird, wie beispielsweise aus Zweikomponenten-Flüssigsiliconen. Der Membranstützteller 10 besteht vorzugsweise aus einem Kunststoff, wie z.B. einem Polycarbonat.

[0022] Gemäss Fig. 4 sind im Unterteil 34 an der Stirnseite 38 Öffnungen 43 angeordnet, die über Kanäle 44 mit einer nicht dargestellten Unterdruckquelle bekannter Bauart verbunden sind. Durch diese Öffnungen 43 wird die Membran 22 mittels Unterdruck festgehalten, nachdem zuvor der Membranstützteller 10 und anschliessend die Membran 22 auf das Unterteil 34 gelegt wurden. Der Unterdruck greift dabei an der Sicke 26 der Membran 22 an, um diese zuverlässig mit ihrem inneren Einspannwulst 28 in die Ringnut 30 des Membranstütztellers 10 hineinzuziehen.

[0023] Nachdem der Membranstützteller 10 und die Membran 22 in die Vorrichtung eingelegt und die Unterdruckquelle eingeschaltet wurde, wird das Oberteil 36 in Pfeilrichtung 46 zugestellt. Bei einem vorbestimmten Anpressdruck wird das Oberteil 36 mittels Schwingungen im Ultraschallbereich in axialer Richtung erregt. Durch die Wirkung der Schwingungen bei dem vorbestimmten Anpressdruck wird der Bördelrand 32 durch die Bördelfläche 42 gebördelt.

[0024] Die Frequenz der Ultraschallschwingungen, mit der die als Oberteil 36 dienende Sonotrode 48 erregt wird, beträgt in der Regel 20 oder 40 kHz. Unter der Wirkung der Schwingungen entsteht in dem damit beanspruchten Teil Wärme und dadurch ein Schmelzfluss, der zur Verformung, im vorliegenden Fall zum Bördeln dient.

[0025] Zum Erzeugen der Ultraschallschwingungen dient ein nicht dargestellter Ultraschallgenerator bekannter Bauart, dessen elektrische Ausgangsleistung mittels eines ebenfalls nicht dargestellten Konverters in mechanische Schwingungen umgesetzt wird. Diese werden über einen Booster 50 auf die Sonotrode 48 übertragen. Der Booster 50 beeinflusst die Amplitude, um diese auf den an der Sonotrode 48 benötigten Wert umzuformen.

[0026] Durch die Erfindung ist eine zuverlässige Verankerung einer ringförmigen Membran aus einem hochelastischen Werkstoff an einem Membranstützteller gewährleistet. Insbesondere eignet sich die Erfindung zum druckdichten Verbinden von zwei unterschiedlichen Werkstoffen, die nicht miteinander verklebbar oder verschweissbar sind.

Ansprüche

1. Membrananordnung für einen Druckschalter oder einen auf Druck ansprechenden Geber, bestehend aus einer an einem Membranstützteller (10) befestigten ringförmigen Membran (22), welche mit ihrem inneren Rand (28) in eine Nut (30) am äusseren Rand (20) des Membranstütztellers (10) eingreift, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (22) in der Nut (30) des Membranstütztellers (10) druckdicht und verzugsfrei durch einen Bördelrand (32) befestigt ist.

2. Membrananordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (30) am äusseren Rand (20) des Membranstütztellers (10) eine axial gerichtete Ringnut ist, in welche die Membran (22) mit einem an ihrem inneren Rand angeordneten Einspannwulst (28) eingreift.

3. Membrananordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranstützteller (10) an der seinem Zentrum zugekehrten Seite der Ringnut (30) einen die Nut mindestens annähernd verschliessenden, radial nach aussen gebördelten Bördelrand (32') aufweist, durch welchen der innere Einspannwulst (28) der Membran (22) in der Ringnut (30) eingeklemmt ist.

4. Membrananordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Nabe (12) oder einen Stössel (14) aufweisende Membranstützteller (10) aus einem Werkstoff geringer Dicke besteht und von der Nabe (12) oder dem Stössel (14) ausgehende, radial verlaufende Verstärkungsrippen (16) aufweist.

5. Verfahren zum Verbinden der Membran mit dem Membranstützteller nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (22) mit ihrem inneren Rand (28) verzugsfrei in die Nut (30) des Membranstütztellers (10) eingelegt und durch Bördeln eines am Membranstützteller (10) angeordneten Bördelrandes (32) befestigt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5 zum Verbinden der Membran mit dem Membranstützteller nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (22) mit ihrem inneren Einspannwulst (28) in die Ringnut (30) eines aus einem Kunststoff bestehenden Membranstütztellers (10) eingelegt und der sich vor der Verbindung in axialer Richtung erstreckende Bördelrand (32) des Membranstütztellers (10) mittels Ultraschall radial nach aussen gebördelt wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass diese ein matrizenartiges Unterteil (34) und ein stempelartiges Oberteil (36) aufweist, deren einander zugekehrte Stirnseiten (38, 40) an die Form der Membran (22) mit Stützteller (10) angepasst und die relativ aufeinander zustellbar angeordnet sind und von denen das eine der beiden Teile (34, 36) mittels Schwingungen im Ultraschallbereich erregbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberteil (36) mit einem Booster (50) eines Ultraschallgenerators gekoppelt ist und auf seiner Stirnseite (40) eine ringförmige, schräg nach aussen gerichtete Bördelfläche (42) zum Bördeln des Bördelrandes (32) des Membranstütztellers (10) aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberteil (36) in axialer Richtung auf das Unterteil (34) zustellbar angeordnet und mittels Ultraschall erregbar ist und dass die Ultraschall-Schwingungsrichtung axial ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterteil (34) an seiner Stirnseite (38) angeordnete, mit einer Unterdruckquelle verbundene Öffnungen (43) zum Ansaugen und Festhalten der Membran (22) aufweist.

Zeichnung