DE10058274A1 - Membran mit strukturierter Oberfläche - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Membran aus einem steifen, wenig dehnbaren Material, mit einem äußeren eingespannten Rand 1 und einem quer zu dem Rand bewegbaren Zentrum 4 sowie mit einem Profil, das in einem im wesentlichen ringförmigen Bereich 3 zwischen dem Rand und dem Zentrum 4 ausgebildet ist, wobei das Profil eine von dem Rand 1 in Richtung auf das Zentrum 4 verlaufende rillen- oder sickenförmige Struktur 5, 6 aufweist, wobei die Struktur zwei Scharen 5, 6 von Rillen oder Sicken bildet, die jeweils in einem Winkel von 20 DEG bis 65 DEG zu einer Radialrichtung verlaufen und die einander derart kreuzen, daß die Radialrichtung in der Mehrheit der Kreuzungspunkte etwa die Winkelhalbierende zwischen je zwei sich kreuzenden Rillen oder Sicken bildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membran mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Derartige Membranen sind aus dem Stand der Technik be­ kannt. So ist aus der DE 20 42 22 eine Metallmembran für Gasmotoren und Pumpen aller Art offenbart, die im wesent­ lichen rotationssymmetrisch ist und in einem mittleren Bereich in einer Kreisringfläche gewölbt ist. Die Kreis­ ringfläche ist dabei mit einer großen Anzahl von Riefen versehen, die schräg zur Tangentialrichtung und zur Ra­ dialrichtung angeordnet sind. Sie schließen mit der Ra­ dialrichtung einen Winkel von rund 70° ein. Mit dieser Oberflächengestaltung soll die bei der Hubbewegung der Membran im Bereich der Kreisringfläche unvermeidlich ent­ stehende Stauchung sowohl in Radialrichtung als auch in Umfangsrichtung kompensiert werden.

Aus der WO 98/11601 ist eine konische Scheibenfeder aus Kunststoff bekannt, die beispielsweise für Computertasta­ turen eingesetzt wird. Diese Scheibenfeder ist ebenfalls etwa rotationssymmetrisch und hat einen kreisringförmigen Bereich, der mit einer rillenförmigen Struktur versehen ist. Die Struktur verläuft ebenfalls in einem Winkel so­ wohl zur Radialrichtung als auch zur Umfangsrichtung.

Schließlich ist aus der DE 198 24 989 eine rotationssymme­ trische Membran bekannt, bei der die Oberflächenstruktur zur Kompensation von Stauchungen in Radialrichtung ebenso wie in Umfangsrichtung einen Winkel von etwa 45° zu bei­ den Richtungen aufweist. Diese Gestaltung soll eine gleichförmige Kompensation von Stauchungen in Radialrich­ tung und in Umfangsrichtung simultan ermöglichen.

Allen bekannten Membranen ist gemeinsam, daß die zur Kom­ pensation von Stauchungen aufgeprägte Struktur von Rillen gebildet ist, die etwa spiralförmig, sich nicht überkreu­ zend ausgerichtet sind. Hierdurch erfährt bei einer Hub­ bewegung der Membranmittelpunkt eine Verdrehung gegenüber dem äußeren Rand der Membran.

Bei Anwendungen, in denen sowohl der äußere Umfang der Membran als auch der Membranmittelpunkt drehfest einge­ spannt sind, führt diese induzierte Drehbewegung beim Membranhub zu einer beschleunigten Zerstörung der Mem­ bran, die aufgrund des drehfest eingespannten Membranzen­ trums dieses Drehmoment nicht kompensieren kann.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsbildende Membran dahingehend zu verbessern, daß eine Kompensation der Oberflächenstauchungen bei Hubbewe­ gungen nicht zu einer induzierten Drehbewegung des Zen­ trums führen.

Diese Aufgabe wird von einer Membran mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Weil die Struktur zwei Scharen von Rillen oder Sicken bildet, die jeweils in einem Winkel von etwa 45° zu einer Radialrichtung verlaufen und die einander derart kreuzen, daß die Radialrichtung in der Mehrheit der Kreuzungspunk­ te die Winkelhalbierende bildet, heben sich die von den Kompensationsstrukturen erzeugten Drehmomente auf. Das Zentrum der Membran bleibt bei einer Hubbewegung bezüg­ lich einer Verdrehung neutral.

Eine gute Dauerhaltbarkeit bei relativ einfacher Oberflä­ chenstruktur ergibt sich, wenn die Scharen zumindest in einem in Radialrichtung mittleren Bereich der Struktur zwischen sich jeweils eine Planfläche in Form eines ach­ sensymmetrischen Drachens begrenzen, dessen eine Achse in Radialrichtung und dessen zweite Achse in Tangentialrich­ tung orientiert ist. Weiter ist vorteilhaft, wenn die Membran eine mediumseitige Vorderseite und eine an­ triebsseitige Rückseite aufweist, wobei die Struktur auf der Vorderseite angeordnet ist. Die Vorderseite ist übli­ cherweise aus einem Material gebildet, das besonders ge­ gen aggressive und abrasive Medien resistent sein soll. Gerade diese Materialien sind im allgemeinen wenig auf Stauchung belastbar. Die Struktur ist deshalb vorteilhaft unmittelbar im Material der Vorderseite ausgebildet. Da­ bei wird bevorzugt, wenn die Struktur in dieser Vorder­ seite vertiefte Rillen aufweist, so daß die dazwischen gebildeten Planflächen erhaben sind. Die mechanische Be­ lastbarkeit wird weiter verbessert, wenn die Membran ei­ nen Grundkörper und eine Beschichtung aufweist, wobei der Grundkörper vorzugsweise von einem gewebeverstärkten Ela­ stomer gebildet ist. Die Vorderseite trägt als Beschich­ tung bevorzugt eine PTFE-Schicht von im wesentlichen gleichförmiger Dicke.

Insbesondere für Druckluftmembranpumpen ist von Vorteil, wenn das Zentrum mit einem Antriebselement drehfest ver­ bunden ist. Dabei kann das Antriebselement ein Kolben sein, der in den Grundkörper eingeklebt oder einvulkani­ siert ist. Die gesamte Anordnung ist bevorzugt im wesent­ lichen rotationssymmetrisch ausgebildet.

Die erfindungsgemäßen Vorteile ergeben sich insbesondere bei Verwendung einer Membran, wie sie vorstehend be­ schrieben worden ist, in einer Druckluftmembranpumpe.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegen­ den Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Vektor einer erfindungsgemäßen Membran, wobei ein Querschnitt durch die Struktur in einem vergrößerten Bereich dargestellt ist; so­ wie

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine komplette erfindungsgemäße Membran mit einlaminier­ tem zentralem Antriebskolben.

In der Fig. 1 ist ein 90°-Sektor einer erfindungsgemäßen Membran in einer Draufsicht dargestellt. Die Membran um­ faßt von außen nach innen einen umlaufenden Wulst 1, an dem die Membran in einem Gehäuse eingespannt werden kann. Daran schließt ein nicht strukturierter Bereich 2 an, der in einem kontinuierlichen Übergang in den gewölbten, kreisringförmigen Bereich 3 übergeht, in dem erfindungs­ gemäß die Struktur vorgesehen ist. Radial innerhalb des Bereichs 3 ist ein unstrukturierter, steifer Bereich 4 mit glatter Oberfläche vorgesehen, in dem ein Anschluß für einen Antrieb angeordnet sein kann.

In dem Bereich 3 sind sich überkreuzende, gegenüber der Oberfläche vorspringende Sicken ausgebildet, die geome­ trisch in Gestalt von parallelen Bögen angeordnet sind. Die Sicken bilden eine erste Schar 5, die vom Mittelpunkt aus gesehen im Uhrzeigersinn gekrümmt ist. Eine zweite Schar 6 ist gegen den Uhrzeigersinn gekrümmt. Die Scharen 5 und 6 sind bezüglich einer radialen Achse achsensymme­ trisch ausgebildet.

Zwischen den sich jeweils mit einem Winkel von 90° kreu­ zenden Scharen 5 und 6 sind ebene Vertiefungen 7 ausge­ bildet, die im mittleren Bereich drachenförmig ausgebil­ det sind, d. h. die Flächen stellen ein Viereck (mit ab­ gerundeten Ecken) dar, dessen Achsen sich in einem Winkel von 90° schneiden. Die längere Achse ist dabei in Radial­ richtung angeordnet, während die kürzere Achse in die Um­ fangsrichtung ausgerichtet ist. Im Randbereich, in dem die von den Sicken 5 und 6 gebildete Struktur allmählich und sanft in die Bereiche 2 bzw. 4 übergeht, bilden die Planflächen 7 keine vollständigen Vierecke mehr.

Die von den Scharen 5 und 6 gebildete Struktur ist so ge­ wählt, daß sie sich mit einem bestimmten Winkelabstand α in Umfangsrichtung zyklisch wiederholt. Der Winkelabstand ist dabei in diesem Beispiel 10°, so daß sich jedes Merk­ mal der Struktur in Umfangsrichtung insgesamt 36 mal wie­ derholt.

In der Fig. 1 ist ein Detail mit dem Kreis x gekenn­ zeichnet. Dieses Detail ist bei y vergrößert in einem Querschnitt von der Seite wiederholt. Die Membran weist, wie in dem Querschnitt y zu sehen ist, einen Grundkörper 10 aus einem gewebeverstärkten Elastomer auf. Dabei ist das Gewebe bei 11 als eine dünne Schicht auf einem Nylon­ gewebe ausgebildet, das an seiner Oberseite und seiner Unterseite von dem Elastomer umgeben ist. Als Elastomer wird derzeit Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) be­ vorzugt. An der Oberseite des Elastomers ist eine Be­ schichtung vorgesehen, die gegen die mit der Membran in Kontakt kommenden Medien resistent ist. Bei einem Ausfüh­ rungsbeispiel ist vorgesehen, diese Schicht 12 aus PTFE mit gleichförmiger Dicke auszubilden. Dabei ist die Struktur der Sicken 5, 6 bereits in der der Schicht 12 zu­ gewandten Oberfläche des Elastomers ausgeprägt, so daß die Schicht 12 letztlich die Oberfläche des Elastomers abbildet.

Die Fig. 2 zeigt eine insoweit beschriebene Membran in einem Querschnitt von der Seite.

Es ist ersichtlich, daß innerhalb des Bereichs 3, der ge­ genüber der Ebene des Wulstes 1 gewölbt ausgebildet ist, ein Kolben 20 als Antriebselement der Membran in einer Membranpumpe vorgesehen ist. Der Kolben 20 ist dabei von gewebeverstärktem Elastomer umgeben und in dieses Elasto­ mer einvulkanisiert. Die Gewebeschicht 11 läuft dabei an der dem Medium zugewandten Seite des Kolbens 20 über des­ sen gesamte Oberfläche. An der Rückseite umgibt eine ent­ sprechende Gewebeschicht 21 den Kolben etwa bis heran zu einem Stößel 22.

In der Praxis wird die insoweit beschriebene Membran an ihrem äußeren Ringwulst 1 in das Gehäuse einer Membran­ pumpe eingespannt und an dem Stößel 22 mit einem Antrieb verbunden. Ein Hub in Richtung einer Achse 23 aus Fig. 2 führt dann zu einer Verformung des Bereichs 3, in dem sich die erfindungsgemäß ausgeprägte Struktur befindet. Jeder einzelne Punkt der Struktur wandert dabei aus geo­ metrischen Gründen radial nach außen oder nach innen, so daß sich in diesem Punkt der Membran eine Stauchung oder eine Dehnung ergibt. Diese Stauchungen und Dehnungen wer­ den durch die eingeprägten Scharen 5 und 6 von Rillen oder Sicken kompensiert, während die ebenen Bereiche 7 ebenso wie die übrigen Teile 1, 2,4 der Membran im wesent­ lichen unverändert bleiben.

Es ist ersichtlich, daß die insoweit beschriebene Membran in Umfangsrichtung keine Vorzugsrichtung aufweist, so daß sich bei einem Arbeitshub in Richtung der Achse 23 kein Drehmoment auf das Zentrum der Membran entwickelt. Dies macht die insoweit beschriebene Membran geeignet für An­ wendungen, bei denen der Stößel 22 oder allgemein das Zentrum der Membran drehfest eingespannt sein muß.

Die Gestaltung und der schichtförmige Aufbau der Membran muß nicht notwendig dem gezeigten Ausführungsbeispiel entsprechen. So kann insbesondere auch dahingehend vari­ iert werden, daß die Scharen 5 und 6 nicht als erhabene Sicken auf der fluidseitigen Oberfläche der Membran aus­ geprägt sind, sondern als Rillen eingeprägt sind. Die Flachstellen 7 sind dann erhabene, plane Bereiche. Der Winkel α, in dem die Struktur rekursiv in Umfangsrichtung auftritt, kann auch anders gewählt sein. Er muß lediglich der Forderung genügen, daß ein ganzzahliges Vielfaches des Winkels α 360° ergibt.

Statt des beschriebenen Schichtaufbaus mit einem gewebe­ verstärkten Elastomer kann auch ein Grundkörper aus einem nicht faser- oder gewebeverstärkten gummielastischen Ma­ terial eingesetzt werden.

Schließlich muß die geometrische Form der Scharen 5 und 6 auch nicht streng so ausgeprägt sein, daß sich wie bei diesem Ausführungsbeispiel die Scharen 5 und 6 mit jeder Radialrichtung an jedem Punkt unter 45° schneiden, sie sich also untereinander stets in einem Winkel von 90° be­ gegnen. Es ist auch denkbar, die Scharen 5 und 6 als ge­ rade Linien auszuprägen, die in der Mitte des Bereichs 3 einen Radius unter 45° schneiden, während im inneren und im äußeren Rand des Bereichs 3 ein anderer Winkel ent­ steht.

Claims (12)

1. Membran aus einem steifen, wenig dehnbaren Material, mit einem äußeren eingespannten Rand (1) und einem quer zu dem Rand bewegbaren Zentrum (4) sowie mit ei­ nem Profil, das in einem im wesentlichen ringförmigen Bereich (3) zwischen dem Rand (1) und dem Zentrum (4) ausgebildet ist, wobei das Profil eine von dem Rand (1) in Richtung auf das Zentrum (4) verlaufende ril­ len- oder sickenförmige Struktur (5, 6) aufweist, da­ durch gekennzeichnet, daß die Struktur (5, 6) zwei Scharen von Rillen oder Sicken bildet, die jeweils in einem Winkel von 20° bis 65° zu einer Radialrichtung verlaufen und die einander derart kreuzen, daß die Radialrichtung in der Mehrheit der Kreuzungspunkte etwa die Winkelhalbierende zwischen je zwei sich kreuzenden Rillen oder Sicken bildet.

2. Membran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scharen (5, 6) von Rillen oder Sicken jeweils in einem Winkel von etwa 45° zu einer Radialrichtung verlaufen.

3. Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Scharen (5, 6) zumindest in einem in Radialrichtung mittleren Bereich (3) der Struktur zwischen sich jeweils eine Fläche (7) in Form eines achsensymmetrischen Drachens begrenzen, dessen eine Achse in Radialrichtung und dessen zweite Achse in Tangentialrichtung orientiert ist.

4. Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Membran eine mediumsei­ tige Vorderseite (12) und eine antriebsseitige Rück­ seite aufweist, wobei die Struktur (5, 6) auf der Vor­ derseite angeordnet ist.

5. Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Struktur (5, 6) in der Vorderseite (12) vertiefte Rillen aufweist, so daß die dazwischen gebildeten Flächen (7) erhaben sind.

6. Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Membran einen Grundkör­ per (10) und eine Beschichtung (12) aufweist.

7. Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (10) von einem gewebeverstärkten Elastomer gebildet ist.

6. Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Vorderseite (12) als Beschichtung eine PTFE-Schicht im wesentlichen gleichförmiger Dicke trägt.

9. Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Zentrum (4) mit einem Antriebselement (20) drehfest verbunden ist.

10. Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Antriebselement (20) ein Kolben ist, der in den Grundkörper (10) einge­ klebt oder einvulkanisiert ist.

11. Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die gesamte Anordnung im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet ist.

12. Verwendung einer Membran nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche in einer Druckluftmembranpumpe.