DE102007039964B4

DE102007039964B4 - Hochdruck-Doppelmembranpumpe und Membranelement für eine solche Pumpe

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Publication number: DE102007039964B4
Application number: DE102007039964A
Authority: DE
Original assignee: Timmer Pneumatik GmbH
Current assignee: Timmer GmbH
Priority date: 2007-08-23
Filing date: 2007-08-23
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2027-08-24
Also published as: DE202008017904U1; DE102007039964A1; US20110229352A1; WO2009024619A4; WO2009024619A1; EP2179177A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochdruck-Doppelmembranpumpe mit einem Zentralgehäuse (3), – zwei zylindrischen Pumpkammern (7, 8), – einer im Pumpbetrieb hin- und hergehenden Koppelstange mit Pumpkolben (9), – zwei je eine der Pumpkammern (7, 8) in eine Produkt- (11, 12) und eine Druckluftkammer (1, 2) mit wechselndem Volumina aufteilende Membranen (5, 6), deren elastomerer Membrankörper peripher eingespannt ist, wobei im zentralen Bereich des Membrankörpers ein starrer Implantatkörper (17) eingebettet ist, der mit einem Zapfen versehen ist, der mit einem Ende der Koppelstange verbunden ist, – einer pneumatischen Steuereinheit zur wechselnden Beaufschlagung der Druckluftkammern mit Druckluft. Zum Erhalt der Funktionsfähigkeit der Membranpumpe oberhalb eines Druckverhältnisses von Luftdruck zu Produktdruck von 1:3 im Bereich der Druckluftkammern (1, 2) ist je eine starre Stützscheibe (20) zwischen dem Ende der Koppelstange und der Innenseite der Membran (5) auf den Zapfen aufgeschoben, deren Durchmesser zwischen 50% und 95% des Durchmessers der Arbeitsfläche der Membran (5) beträgt und deren Peripherie als eine von dem Membrankörper abgewandt gerundete Schulter geformt ist, die von einem flachen Mittelbereich der Stutzscheiben (20) ausgeht und im Querschnitt in einen Teilkreis ausläuft, wobei der Teilkreis der Schulter in eine Schrägfläche ausläuft, wobei – im Querschnitt gesehen – eine Tangente (T) an die Schrägfläche in deren Endpunkt einen Winkel von 20 bis 60° mit der Bewegungsachse (A) der Koppelstange einschließt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochdruck-Doppelmembranpumpe mit

– einem Zentralgehäuse,
– zwei zylindrischen Pumpkammern,
– einer im Pumpbetrieb in- und hergehende Koppelstange mit Pumpkolben,
– zwei je eine der Pumpkammern in eine Produkt- und eine Druckluftkammer mit wechselndem Volumina aufteilende Membranen, deren elastomerer Membrankörper peripher eingespannt ist, wobei im zentralen Bereich des Membrankörpers ein starrer Implantatkörper eingebettet ist, der mit einem Zapfen versehen ist, der mit einem Ende der Koppelstange verbunden ist,
– einer pneumatischen Steuereinheit zur wechselnden Beaufschlagung der Druckluftkammern mit Druckluft.

Eine Membranpumpe der vorgenannten Art, bei der sich allerdings die Erfindung auf die spezielle Membran beschränkt, zeigt DE 94 06 216 U1 . Bei der Membran ist ein scheibenförmiger Implantatkörper vorhanden, dessen Durchmesser gegenüber dem Gesamtmembran-Durchmesser relativ klein ist.
Weiterhin bekannt ist aus DE 4427981 C1 eine Doppelmembranpumpe, bei der die Membran durch Einspannung zwischen zwei Befestigungsplatten gestützt wird. Hier ist jedoch der Bereich zwischen dem eingespannten Bereich der Membran und dem äußeren Radius der Befestigungsscheiben derart groß, dass die Pumpe für die Beaufschlagung mit Hochdruck nicht geeignet ist.
DE 19647882 A1 zeigt eine herkömmliche Membranpumpe mit Ex zenterantrieb, die zum einen nach einem anderen Prinzip als die erfindungsgemäße Pumpe arbeitet und zum anderen ebenfalls für den Betrieb im Hochdruckbereich nicht geeignet ist.
Bei der ebenfalls bekannten Membranpumpe aus DE 4007932 ist die Eignung für den Hochdruckbetrieb wegen der nur ringförmig erfolgenden Unterstützung der Membran durch die das Stützelement nicht vorhanden.
Die in DE 19535745 C1 gezeigte Membranpumpe weist im mittleren Bereich der Membran zwar eine die Membran insgesamt versteifende Verdickung auf, jedoch ist eine zusätzliche Stützplatte nicht vorhanden, so dass der relativ große, nicht abgestützte Bereich der Membran bei der Beaufschlagung mit Hochdruck in schädlicher Weise eine Verformung erfahren und bersten könnte.
Es hat sich gezeigt, dass bei Membranpumpen, bei denen ein Übersetzungsverhältnis von Eingangsdruck der Druckluft zu Ausgangsdruck des geförderten Mediums größer ist als 1:3 oder höher, die bekannten und üblicherweise verwendeten Membranen sehr stark beansprucht werden. Insbesondere im Zwischenbereich zwischen dem äußeren Einspannpunkt und der Peripherie des Implantatkörpers werden die elastomeren Werkstoffe gewalkt und stark beansprucht, so dass nach kurzer Zeit ein Bruch der Membrane auftritt und die Pumpe ausfällt.
Es stellt sich die Aufgabe, die Standzeit und die Zahl der Hübe, die die Membran durchführen kann, wesentlich zu erhöhen, ohne das Druckverhältnis von 1:3 oder höher wesentlich zu verringern.
Diese Aufgabe wird gelöst bei einer Doppelmembranpumpe der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass im Bereich der Druckluftkammern je eine starre Stützscheibe zwischen dem Ende der Koppelstange und der Innenseite der Membran auf den Zapfen aufgeschoben ist, deren Durchmesser zwischen 50% und 95% des Durchmessers der Arbeitsfläche der Membran beträgt und deren Peripherie als eine von dem Membrankörper abgewandt gerundete Schulter geformt ist, wobei der Winkel zwischen der Bewegungsrichtung des Kolbens und einer an die Membran-Anlagefläche der Schulter gelegten Tangente in einem vorteilhaften Bereich zwischen 20° und 60° ausgestaltet ist.
Die Stützscheibe verhindert eine übermäßige Verkippung der Membrane und damit eine zu große asymmetrische Verformung der Membranoberfläche. Insbesondere die gerundete Schulter der Stützscheibe nimmt einen Teil der überzogenen Verformung der Membran auf und stützt diese damit, ohne dass die Effizienz der Pumpe damit wesentlich verringert wird. Das Verdichtungsverhältnis einer derartigen Membrane ist also demnach nicht eingeschränkt.
Vorzugsweise ist der Durchmesser der Stützscheibe zwischen 70 und 85% des Durchmessers der Arbeitsfläche der Membran. Die Stützscheibe sollte nicht die gesamte Arbeitsfläche ausfüllen. Auch sollte der Durchmesser der Stützscheibe größer sein als der Durchmesser des Implantatkörpers.
Die Stützscheibe ist vorzugsweise nicht mit der Membran fest verbunden. Vorzugsweise ist sie mit einem Mittelloch versehen, dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser des Zapfens, so dass eine Bewegung entlang der Zapfenachse in Richtung der Bewegungsachse der Koppelstange erlaubt ist.
Die Form der Schulter richtet sich auch nach der Form der Membran. Vorzugsweise geht die Schulter der Stützscheibe von einem flachen Mittelbereich aus und läuft im Querschnitt nach außen in einen Teilkreis aus. Dabei ist vorzugsweise der Teilkreis so gerundet, dass – im Querschnitt gesehen – eine Tangente an die Schrägfläche in deren Endpunkt einen Winkel von 20 bis 60° mit der Bewegungsachse der Koppelstange einschließt.
Ist, wie bei gängigen Membranen üblich, die Membran untertassenförmig zur Luftkammer hin gewölbt, so ist es vorteilhaft, die Stützscheibe in den konkaven Bereich der Membranwölbung einzulegen, so dass sich der Membran-Außenringbereich bei Druckbeaufschlagung um die Schulter schmiegen kann.
Als Material für die Stützscheibe eignet sich Metall, vorzugsweise rostfreier oder vernickelter Stahl. Es ist jedoch auch möglich, die Stützscheibe aus hochfestem, gewebeverstärktem Kunststoff herzustellen. Wesentlich ist, dass die Stützscheibe wesentlich starrer und unelastischer ist als das Material der Membran außerhalb des Implantatkörpers.
Die Stützscheibe kann verschiedene Formen aufweisen, insbesondere auch polygonal gestaltet sein. Auch sind Ausschnitte oder Materialverdünnungen möglich.
Insbesondere sollte auch die zur Membran zeigende Außenseite der Stützscheibe glatt sein, um eine möglichst große Auflagefläche zu schaffen.
Eine weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand der Zeichnung. Die Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:
1 in schematischer Darstellung eine geschnitten gezeichnete Hochdruck-Doppelmembranpumpe gemäß Erfindung;
2 einen Schnitt durch ein Membranelement einer Doppelmembranpumpe gemäß 1;
3 in auseinandergezogener Darstellung erfindungswesentliche Teile der erfindungsgemäßen Doppelmembranpumpe.
Die in 1 dargestellte Hochdruck-Doppelmembranpumpe arbeitet mit Druckluft, die beispielsweise mit 5 Bar Überdruck von einem Kompressor eingespeist wird und über eine pneumatische Steuereinheit (hier nicht dargestellt) bestimmten Elementen der Doppelmembranpumpe – wie an sich bekannt – zugeleitet wird.
Die Hochdruck-Doppelmembranpumpe verfügt über ein Zentralgehäuse 3, in dessen Zentrum sich eine bei Pumpenbetrieb hin- und hergehende Koppelstange 4 mit einem Pumpkolben 9 befindet. Die Koppelstange 4 ist gegenüber dem Zentralgehäuse 3 abgedichtet. Der Pumpkolben 9 wird richtungswechselnd gesteuert und dabei abwechselnd von beiden Seiten mit Druckluft beaufschlagt.
Die Koppelstange 4 verbindet zwei spiegelbildlich angeordnete Membranen 5 und 6. Wie es dem System von Membranpumpen entspricht, teilen die Membranen 5 und 6 jeweils eine Pumpkammer 7, 8 mit wechselndem Volumen auf in eine Produktkammer 11, 12 und eine Druckluftkammer 1, 2. In der 1 steht demnach die eine Membrane 5 in einer Saugstellung und die andere Membrane 6 in einer Druckstellung. Der Membrankörper besteht aus einem Elastomer und ist peripher eingespannt, wie die 1 zeigt. Hierfür weist die Membrane 5 an ihrer Peripherie einen verdickten Randwulst 10 auf.
Einen Schnitt durch die Membrane 5 zeigt die 2. Der den Hauptteil der Membrane bildende elastomere Membrankörper 15 besteht beispielsweise aus zwei Schichten 15.1 und 15.2, nämlich einer Hauptschicht 15.1 aus einem Gummiwerkstoff, und einer relativ zur Hauptschicht dünneren Schutzschicht 15.2, die aus einem PTFE-Kunststoff besteht.
Im zentralen Bereich des Membrankörpers 15 ist ein starrer Implantatkörper 17 eingebettet, der mit einem Gewindezapfen 18 versehen ist. Dieser ist mit einem Ende der Koppelstange 4 verbunden. Der Implantatkörper 17 füllt nur einen zentralen Bereich des Membrankörpers 15 aus.
Es hat sich gezeigt, dass bei dem Betrieb von Hochdruck-Membranpumpen mit einem Druckverhältnis von 1:3 und höher ein schneller Verschleiß des Membrankörpers 15 auftrat. Im Bereich der peripheren Anbindung der Membrane traten Brüche und andere Zerstörungen auf, da wegen des Walkens und »Aufblasens« der Membrane im hoch beanspruchten Bereich diese nach kurzer Zeit verschlissen war. Die gleiche Erscheinung trat bei einem Betrieb mit einem Druckverhältnis im Bereich 1:1 zwischen Druckluft und Produktdruck nicht auf. Wird dagegen aufgrund der Größenverhältnisse von Kolben und aktiver Membranfläche das Verhältnis beispielsweise auf 1:3 hochgeschraubt, so zeigten sich sehr schnell Brüche und Risse, die zu einer Funktionsunfähigkeit der Pumpe führten.
Eine wesentliche Verbesserung der Standzeit ergibt sich durch eine Stützscheibe 20, die auf der der Druckluft zugewandten Seite auf den Zapfen im Bereich der Membran 5 aufgeschoben ist. Die Stützscheibe 20 hat einen Durchmesser D, der gemäß Ausführungsbeispiel etwa 80% des Durchmessers der Arbeitsfläche der Membran 5 beträgt, wobei dieses Verhältnis vorzugsweise zwischen 50% und 90% variierbar ist. Jedenfalls ist der Durchmesser der Stützscheibe 20 kleiner als der Durchmesser der Arbeitsfläche der Membran.
Der Durchmesser der Stützscheibe 20 ist größer als der Durchmesser der scheibenförmigen Fläche des Implantatkörpers 17, das heißt, er liegt etwa bei 150% bis 210% des Durchmessers des Implantatkörpers 17.
Normalerweise handelt es sich bei der Stützscheibe 20 um ein geschlossenes, lediglich mit einer Zentralöffnung versehenes Gebilde. Es soll aber nicht ausgeschlossen werden, dass die Stützscheibe 20 auch Ausschnitte oder Materialverdünnungen aufweist. Auf ihrer zur Membran 5 zeigenden Seite ist die Stützscheibe glatt. Sie ist im vorliegenden Fall entweder aus rostfreiem Stahl oder aus einem mit einer vernickelten Oberfläche versehenen Stahlmaterial gefertigt. Sie ist im Ausführungsbeispiel kreisrund. Es soll aber nicht ausgeschlossen werden, dass sie auch eine Polygon- oder Sternform aufweist.
Wesentlich ist, dass die Stützscheibe 20 eine Peripherie besitzt, die vom Membrankörper 15 abgewandt eine gerundete Schulter 21 aufweist.
Aus der 2 ist ersichtlich, dass die Stützscheibe einen flachen Mittelbereich 23 aufweist, der die Zentralöffnung 22 besitzt. Im dargestellten Querschnitt läuft die Oberfläche vom Mittelbereich 23 zum Rand hin an der Schulter 21 in einen Teilkreis oder einen Bogenabschnitt aus. Der Teilkreis oder Bogenabschnitt endet jedoch nicht im rechten Winkel zur Ebene des flachen Mittelbereiches, sondern läuft in eine Schrägfläche aus, die – im Querschnitt gesehen – eine Tangente T in ihrem Endpunkt hat, die einen Winkel von 20 bis 60° mit der Bewegungsachse A der Koppelstange 4 einschließt.
Wie aus der 1 zu erkennen, kann dann, wenn der Membrankörper 15 untertassenförmig zur Luftkammer hin gewölbt ist, die Stützscheibe 20 in den konkaven Bereich der Membranwölbung eingelegt sein, so dass sich der Membran-Außenringbereich bei Druckbeaufschlagung um die Schulter 21 der Stützscheibe 20 schmiegt.
Damit wird der Membrankörper 15 gestützt, wenn ein erheblicher Druck auf ihn einwirkt. Der Außenbereich des Membrankörpers 15 wird nicht zu stark verformt. Bei der Gegenbewegung, bei der sich der Membrankörper von der lose auf dem Gewindezapfen 18 liegenden Stützscheibe 20 löst, kann aber die Membran 5 die Form annehmen, die unter den herrschenden Druckverhältnissen optimal ist.
Die in bestimmter Position gegebene Starrheit des aus der Membran und der Stützscheibe 20 bestehenden Membranelementes 100 verhindert eine unnötige Walkarbeit und Druckbelastung im Walkbereich W. Der Membrankörper 15 braucht auch weniger Walkwärme im Walkbereich abzuführen, was ebenfalls der Materialermüdung entgegenwirkt.
3 zeigt in Explosionsdarstellung die zur Erfindung gehörenden, wesentlichen Teile. Die äußeren Begrenzungen der Pumpkammern bilden die Pumpendeckel 31 und 32. In den Pumpräumen angeordnet sind die Membranen 5, 6, die mit der aufgelegten Stützscheibe 20 versehen sind. Das Zentralgehäuse 3 der Pumpe ist bestückt mit dem Pumpkolben 9, in dem zentrisch die Koppelstange 4 angeordnet ist. Den Abschluss bildet die der Pumpendeckel 32. Wiederum wird hierdurch und durch die Abschlusswand 33 ein Pumpraum begrenzt, in dem sich die Membran 6 mit der Stützscheibe 20 bewegt.

Claims

Hochdruck-Doppelmembranpumpe mit – einem Zentralgehäuse (3), – zwei zylindrischen Pumpkammern (7, 8), – einer im Pumpbetrieb hin- und hergehenden Koppelstange (4) mit Pumpkolben (9), – zwei je eine der Pumpkammern (7, 8) in eine Produkt- (11, 12) und eine Druckluftkammer (1, 2) mit wechselndem Volumina aufteilende Membranen (5, 6), deren elastomerer Membrankörper (15) peripher eingespannt ist, wobei im zentralen Bereich des Membrankörpers (15) ein starrer Implantatkörper (17) eingebettet ist, der mit einem Zapfen (18) versehen ist, der mit einem Ende der Koppelstange (4) verbunden ist, – einer pneumatischen Steuereinheit zur wechselnden Beaufschlagung der Druckluftkammern mit Druckluft, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erhalt der Funktionsfähigkeit der Membranpumpe oberhalb eines Druckverhältnisses von Luftdruck zu Produktdruck von 1:3 im Bereich der Druckluftkammern (1, 2) je eine starre Stützscheibe (20) zwischen dem Ende der Koppelstange (4) und der Innenseite der Membran (5) auf den Zapfen (18) aufgeschoben ist, deren Durchmesser zwischen 50% und 95% des Durchmessers der Arbeitsfläche der Membran (5) beträgt und deren Peripherie als eine von dem Membrankörper (15) abgewandt gerundete Schulter (21) geformt ist, die von einem flachen Mittelbereich der Stützscheiben (20) ausgeht und im Querschnitt in einen Teilkreis ausläuft, wobei der Teilkreis der Schulter in eine Schrägfläche ausläuft, wobei – im Querschnitt gesehen – eine Tangente (T) an die Schrägfläche in deren Endpunkt einen Winkel von 20 bis 60° mit der Bewegungsachse (A) der Koppelstange einschließt.
Hochdruck-Doppelmembranpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Pumpbetrieb die Membranpumpe mit einem Druckverhältnis von Luftdruck zu Produktdruck im Verhältnis von 1:3 bis 1:6 arbeitet.
Hochdruck-Doppelmembranpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Stützscheibe (20) zwischen 70 und 85% des Durchmessers der Arbeitsfläche der Membran ist.
Hochdruck-Doppelmembranpumpe nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Stützscheibe (20) größer ist als der Durchmesser des Implantatkörpers.
Hochdruck-Doppelmembranpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Stützscheibe (20) 150 bis 210% des Durchmessers des Implantatkörpers beträgt.
Hochdruck-Doppelmembranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützscheibe (20) mit einer Zentralöffnung (22) versehen ist, die eine Bewegung des Zapfens (18) in Richtung der Bewegungsachse (A) der Koppelstange (4) erlaubt.
Hochdruck-Doppelmembranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem untertassenförmig zur Luftkammer hin gewölbten Membrankörper (15), dadurch gekennzeichnet, dass die Stützscheibe (20) in den konkaven Bereich der Membranwölbung eingelegt ist und sich der Membran-Außenringbereich bei Druckbeaufschlagung um die Schulter (21) schmiegt.
Hochdruck-Doppelmembranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Stützscheibe (20) ein Metall, vorzugsweise rostfreier Stahl, ist.
Hochdruck-Doppelmembranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Stützscheibe (20) ein hochfester, gewebeverstärkter Kunststoff ist.
Hochdruck-Doppelmembranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützscheibe Ausschnitte oder Materialverdünnungen aufweist.
Hochdruck-Doppelmembranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Membran zeigende Außenseite der Stützscheibe glatt ist.