Membran
Englisch: diaphragm
Eine flexible Trennwand zwischen zwei Kammern, die an ihrem Umfang befestigt ist und je nach Druckunterschied in die eine oder andere Kammer ausweicht.
Membran: flexible Membran, die auf Druckunterschiede reagiert
Eine Membran ist eine dünne, flexible Membran, die an ihren Rändern zwischen zwei Kammern oder Räumen geklemmt oder verschweißt ist. Sie wölbt sich je nach Druckveränderung zur einen oder anderen Seite und wandelt den Druckunterschied in mechanische Bewegung um. Das Material ist üblicherweise Elastomer (Natur- oder Synthesekautschuk), Metalllegierung oder Schichtverbund, ausgewählt nach Druckbereich, Temperatur und beteiligtem Fluid. Anders als ein Kolben, der in einer Bohrung gleitet, verformt sich eine Membran über die gesamte Fläche ohne Dichtungen oder Lager, deshalb kommt sie in Tausenden von Anwendungen vom kleinsten bis zum größten Format vor.
Die Grundfunktion ist entweder Messung oder Regelung. In Druckmanometern und Druckaufnehmern bewegt die Membranauslenkung einen Zeiger oder erzeugt ein elektrisches Signal proportional zum Druck. In Reglern und Überdruckventilen öffnet oder schließt die Membranbewegung eine Öffnung, um den Sollvvdruck zu halten. Elastomermembranen eignen sich für niedrige Drücke und korrosive Medien; Metallmembranen, typischerweise aus Stahl oder Bronze mit 0,3 bis 1 mm Dicke, halten höhere Drücke und Temperaturschwankungen aus. Bälge und mehrschichtige Schichtverbunde erweitern den Bereich weiter.
Die Auslegung wird durch die dem Druckunterschied ausgesetzte Fläche und die Federrate bestimmt, die nötig ist, um beim Zieldruck nützliche Bewegung zu erzeugen. Eine 50 mm Durchmesser große Elastomermembran könnte sich über einen Bereich von 0,5 bar um 5 bis 10 mm bewegen; eine 25 mm Metallmembran über 2 bis 3 bar könnte nur 2 mm wegfahren. Der Rand- oder Klemmring ist entscheidend: unzureichendes Klemmen verursacht Undichtheiten; zu starkes Klemmen reißt das Material oder führt zu Kriechen und Ausfällen.
Ausfallarten und Lebensdauer
Ermüdungsrisse entstehen, wenn zyklische Druckwechsel das Dauerfestigkeitslimit des Materials übersteigen, typischerweise nach Millionen von Zyklen. Elastomermembranen können auch verhärten, aufquellen oder durch UV-, Ozon- oder chemischen Angriff abbau werden. Ventilmembranen in Reglern fallen aus, wenn Verschmutz auf dem Sitz festsitzt und vollständiges Schließen verhindert, oder wenn die Feder schwach wird. Metallamüdung ist seltener, aber katastrophal; eine durchstoßene Membran zerstört die Dichtheit und die Regelung. Vorbeugende Wartung umfasst regelmäßige Druckprüfung und Materialuntersuchung, wo zugänglich.
Membranen kommen in pneumatischen und hydraulischen Systemen, Wasserdruck-Behältern, Brennstoffreglern, Vakuumschaltern, atemgesteuerten Regelungen und Dosierpumpen vor. Ihre Einfachheit, keine beweglichen Teile in den Kammern, niedrige Kosten und intrinsische Ausfallmodi, die meist sicheres Schließen beim Bruch bedeuten, machen sie zum Standard in sicherheitskritischen Anwendungen. Der Name stammt vom Griechischen diaphragma, was Trennwand bedeutet, und ist etymologisch dasselbe wie das anatomische Zwerchfell, das auch trennt und unter Druckunterschied flexibel wird.