DE19901893C1 - Membranpumpe mit hydraulisch angetriebener Membran - Google Patents

Abstract

Bei einer Membranpumpe mit hydraulisch angetriebener Membran (10a, 10b, 10c), die in radialer Richtung wellenförmig verläuft, ist die Anordnung derart getroffen, daß die Wellenlänge und/oder die Amplitude der wellenförmigen Ausbildung der Membran (10a, 10b, 10c) in radialer Richtung variabel ausgestaltet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Membranpumpe mit hydraulisch angetriebener Mem­ bran gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Wachsende Umweltschutzforderungen verbunden mit strengen Gesetzesauflagen können künftig meist nur mit hermetisch dichten Prozeßanlagen erfüllt werden. Leckfreie Fluidarbeitsmaschinen, wie beispielsweise Pumpen und Verdichter, sind dabei von großer Bedeutung. Besonders für die Förderung toxischer, gefährlicher, belästigender, empfindlicher, abrasiver, korrosiver Fluide sowie für aseptische Be­ dingungen sind Membranpumpen eine optimale Lösung. Die Membran als zen­ trales Element erfüllt die Doppelfunktion als statische Dichtung und Verdränger in Form einer elastischen Förderraumwand. Die statische Membrandichtung ist die Grundlage für die hermetische Dichtheit von Membranpumpen. Die Membran überträgt ferner die oszillierende Hubbewegung eines Antriebs auf das zu fördern­ de Fluid, wodurch nicht nur die pulsierende Förderung, sondern auch eine Interak­ tion mit den Fluidmassen im Rohrleitungssystem zustande kommt. Bei Membran­ pumpen mit hydraulischem Membranantrieb wird die oszillierende Bewegung ei­ nes Antriebsorgans über eine Hydraulikvorlage, welche ein Hydraulikfluid umfaßt, auf die Membran übertragen. Die hydraulisch angetriebene Membran arbeitet stets druckausgeglichen und muß nur Auslenkungsbeanspruchungen ertragen.

Membranen für hydraulische Membranpumpen sollen möglichst verformungsfähig sein, um zwischen den Grenzen der positiven und negativen Verformung mög­ lichst viel Volumen einzuschließen. Dabei kann es jedoch in unerwünschter Weise zu einem lokalen Beulen der Membran kommen. Hieraus ergeben sich lokal große Biegewechselbeanspruchungen, die relativ schnell zu Werkstoffermüdungen füh­ ren.

Aus der DE 196 31 081 C1 ist eine Membran mit großer Haltbarkeit bekannt, wel­ che konzentrische Rillen auf einer einem Medium abgewandten Oberseite und konzentrische Wölbungen auf einer einem Medium zugewandten Unterseite auf­ weist. Hierbei sind die Rillen mit kantigen Übergängen in der Oberfläche der Membran angeordnet, und die Wölbungen liegen den tiefsten Punkten der Rillen gegenüber, wobei beim Betätigen der Membran die Oberseite stärker verändert wird und die Rillen beidseitig mit ihren Kanten zusammengedrückt werden und damit die Materialstauchung kompensieren, während die Wölbungen auf der Un­ terseite nur schwach hervortreten. Jedoch sind auch dieser Membran bezüglich Haltbarkeit und Lebensdauer Grenzen gesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Membranpumpe mit hydraulisch angetriebener Membran der o. g. Art derart zu verbessern, daß zwei konkurrieren­ de Bedingungen für die Membran erfüllt sind, nämlich einerseits eine höchstmögli­ che Verformbarkeit, die es ermöglicht, während der Arbeitsbewegung ein größt­ mögliches Volumen zu durchstreichen, und andererseits eine minimale Neigung zu lokalen Beulvorgängen während der Bewegung.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Membranpumpe der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestal­ tungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Wellen konzentrisch um den Mit­ telpunkt der Membran herum ausgebildet. Hierdurch ergibt sich eine rotations­ symmetrische Spannungsbelastung der Membran im Betrieb.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Wellenlänge und/oder die Amplitude der wellenförmigen Ausbildung der Membran in radialer Richtung unterschiedlich ausgebildet ist.

Dies hat den Vorteil, daß bei ausreichender Verformbarkeit der Membran für einen Betrieb mit großem Hub gleichzeitig eine ausreichende Steifigkeit gegen die Aus­ bildung lokaler Beulen gewährleistet ist. Dadurch erhöht sich die Betriebssicher­ heit und Standzeit der Membranpumpe.

Zweckmäßigerweise nimmt die Wellenlänge und/oder die Amplitude vom Mittel­ punkt der Membran ausgehend in radialer Richtung nach außen zu oder nimmt zunächst zu, erreicht ein Maximum und fällt (nimmt) dann wieder ab.

Zum entsprechenden Abstützen der Membran sind einen Arbeitsraum der Mem­ bran begrenzende Stützflächen vorgesehen, wobei wenigstens die hydraulikseiti­ ge Stützfläche eine Anlagekontur für die Membran in deren ausgelenkter Position aufweist, die im wesentlichen der wellenförmigen Ausbildung der Membran ent­ spricht. Hierdurch liegt die Membran nicht nur mit ihren Wellenbergen, sondern über einen großen Teil der Kontur an den Stützflächen an. Dies verbessert die Abstützung wesentlich, so daß die Membran, ohne Schaden zu nehmen, mit Druck beispielsweise gegen die hydraulikseitige Stützfläche bzw. Anlage anpreß­ bar ist.

Die Membran ist beispielsweise aus einem wenigstens teilweise plastomeren bzw. elastischen Werkstoff, insbesondere PTFE oder PE, hergestellt.

In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt, vom Mittelpunkt der Membran ausgehend, ab 30% des Außenradius eine Wellenlänge der wellenförmigen Aus­ bildung 6% bis 13% des Radius und eine Amplitude der wellenförmigen Ausbil­ dung 2% bis 6% des Radius.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils im Schnitt:

Fig. 1 eine Membranpumpe,

Fig. 2 verschiedene Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Mem­ branformen und

Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform von Stützflächen für die Membran.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, umfaßt die dargestellte Membranpumpe eine Membran 10, welche einen Förderraum 12 von einem Hydraulikraum 14 trennt. Als Hydrau­ likantrieb ist ein Kolben 16 vorgesehen, der im Betrieb um eine konstante Kol­ benmittellage oszilliert. Der Kolben 16 ist beispielhaft in der Kolbenmittellage 18 sowie in der vorderen Totlage 20 dargestellt. Die oszillierende Bewegung des Kol­ bens 16 wird über eine Hydraulikflüssigkeit im Hydraulikraum 14 auf die Membran 10 übertragen, die eine entsprechende oszillierende Bewegung um die Mittellage herum ausführt. Auf diese Weise wird von einer Saugseite 22 der Membranpumpe Fluid angesaugt und an einer Förderseite 24 wieder abgegeben. Der Hydrau­ likraum 14 ist über ein druckbegrenzendes Überdruckventil 26 und ein als Schnüffelventil ausgebildetes Nachfüllventil 28 mit einem Hydraulikvorratsraum 30 verbunden. Ferner sind Stützflächen 31, 33 vorgesehen, die einen Arbeitsraum der Membran 10 seitlich begrenzen. Hierbei bezeichnet 31 die hydraulikseitige Stützfläche und 33 die förderraumseitige Stützfläche.

Bei den aus Fig. 2 ersichtlichen verschiedenen Membran-Ausführungsformen 10a, 10b, 10c ist die Ausgestaltung derart getroffen, daß in einem bestimmten Abstand R, vom Mittelpunkt 32 der Membran ausgehend, die wellenförmige Ausbildung der jeweiligen Membran 10a, 10b, 10c im radialen Schnitt einen Krümmungsradius r aufweist. Vom Mittelpunkt 32 ausgehend bis zu einem Lagerungspunkt 34 der Membran 10a, 10b, 10c nimmt hierbei die Krümmung der jeweiligen Wellen stän­ dig zu.

Bei der Membran 10b nimmt im radialen Schnitt die Höhe der Wellen, also die Amplitude, mit zunehmendem Mittelpunktsabstand R ebenfalls zu.

Bei der Membran 10c nimmt die Wellenlänge mit zunehmendem Mittelpunktsab­ stand R ab.

Bei einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform der Membran 10 nimmt die Amplitude mit R zu (gemäß Membran 10b), während gleichzeitig die Wellenlänge mit zunehmendem R abnimmt (gemäß Membran 10c).

Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausbildung der Stützflächen 31 und 33, welche den Arbeitsraum der Membran 10 begrenzen. Hierbei ist die Membran 10 analog der Membran 10b gemäß Fig. 2 ausgebildet. Die Stützflächen 31, 33 weisen eine der wellenartigen Ausbildung der Membran 10 analoge Kontur auf, so daß die Mem­ bran 10 in den vollständig ausgelenkten Positionen nicht nur mit ihren Wellenber­ gen an den Stützflächen 31, 33 anliegt, sondern auch mit einem wesentlichen Teil ihrer Oberfläche. Auf diese Weise kann die Membran 10 auch mit hohen Drücken an die Stützflächen 31, 33 angepreßt werden, ohne daß sie dabei Schaden nimmt.

Aufgrund der beschriebenen Ausbildung der Membran 10 kann ein Beulen durch eine gewisse räumliche Mindestkrümmung (Versteifung durch Schalenformen) der gefährdeten Geometrie vermieden werden. Für die räumliche Krümmung KR gilt:

KR = f(R; r)

wobei R = Abstand vom Membranmittelpunkt 32 (also gewissermaßen eine Orts­ koordinate) und r = lokaler Krümmungsradius im radialen Profilschnitt.

Zu große Krümmungen schränken die Verformbarkeit ein und führen bei gleicher Verformung ebenfalls zu einer Zunahme der "formbedingten" Ermüdungsgefahr. Die beschriebene Membranform weist daher Formelemente auf, die zwischen Er­ müdung durch lokales Beulen und formbedingter Ermüdung liegen.

Um über die gesamte Membranoberfläche lokales Beulen zu vermeiden und ande­ rerseits das Maximum der Verformbarkeit so weit wie möglich auszudehnen, wird erfindungsgemäß die zunehmende Krümmungsabnahme bei zunehmendem Ab­ stand R vom Membranmittelpunkt 32 durch eine Zunahme der lokalen Krümmung r(R) im radialen Schnitt ausgeglichen.

Es ergeben sich somit für die Membran 10 Geometrieelemente, die von den übli­ chen ebenen oder kalottenförmigen Begrenzungsflächen des Membranarbeits­ raumes 12, 14 abweichen. Diesem ist durch die erfindungsgemäß ausgebildeten Stützflächen 31, 33 gemäß Fig. 3 mit einer der Membran 10 entsprechenden Kontur Rechnung getragen.

Der hier verwendete Ausdruck "Wellen" bezeichnet im wesentlichen nur solche Formausprägungen, die einen deutlich meßbaren Anteil an der Verformung der Membran 10 und damit an deren Verdrängungsvolumen aufweisen.

Claims (8)

1. Membranpumpe mit hydraulisch angetriebener Membran (10; 10a; 10b; 10c), wobei die Membran (10; 10a; 10b; 10c) in radialer Richtung wellen­ förmig ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge und/oder die Amplitude der wellenförmigen Ausbildung der Membran (10; 10a; 10b; 10c) in radialer Richtung unterschiedlich aus­ gestaltet ist.

2. Membranpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wel­ lenlänge vom Mittelpunkt (32) der Membran (10; 10a; 10b; 10c) ausgehend in radialer Richtung nach außen zu- oder abnimmt.

3. Membranpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude vom Mittelpunkt (32) der Membran (10; 10a; 10b; 10c) ausge­ hend in radialer Richtung nach außen zu- oder abnimmt.

4. Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wellen konzentrisch um den Mittelpunkt (32) der Membran (10; 10a; 10b; 10c) herum ausgebildet sind.

5. Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß einen Arbeitsraum (12, 14) der Membran (10; 10a; 10b; 10c) begrenzende Stützflächen (31, 33) vorgesehen sind, wobei wenigstens die hydraulikseitige Stützfläche (31) eine Anlagekontur für die Membran (10; 10a; 10b; 10c) in deren ausgelenkter Position aufweist, die im wesent­ lichen der wellenförmigen Ausbildung der ausgelenkten Membran (10; 10a; 10b; 10c) entspricht.

6. Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Membran (10; 10a; 10b; 10c) aus einem wenigstens teilweise plastomeren bzw. elastischen Werkstoff, insbesondere PTFE oder PE, hergestellt ist.

7. Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß vom Mittelpunkt (32) der Membran (10) ausgehend ab 30% des Außenradius eine Wellenlänge der wellenförmigen Ausbildung 6% bis 13% des Radius beträgt.

8. Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß vom Mittelpunkt (32) der Membran (10) ausgehend ab 30% des Außenradius eine Amplitude der wellenförmigen Ausbildung 2% bis 6% des Radius beträgt.