-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membran zur Verwendung in Membranpumpen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
-
Aus der
DE 10 2005 038 483 83 sind Membranpumpen, speziell membranbetriebene Mikropumpen bekannt. In dieser Offenlegungsschrift wird eine Zweikammermikropumpe beschrieben, die eine Membran mit einem piezokeramischen Antriebsmechanismus verwendet. Die Piezokeramik ist fest auf der Membran montiert, beispielsweise geklebt. Bei der verwendeten Membran handelt es sich um ein elektrisch kontaktierbares Material, beispielsweise um eine metallisierte Siliziummembran.
-
In der
DE 10 2009 021 778 A1 ist eine Mikropumpe beschrieben, die nach dem Prinzip einer Verdrängerpumpe arbeitet, und in der als Kolben eine Flüssigkeit eingesetzt wird, die durch magnetische oder elektromagnetische Kräfte angetrieben wird. Diese Mikropumpe umfasset einen Einlass, einen Auslass, einen Kanal zwischen dem Ein- und dem Auslass und einen im Kanal befindlichen Kolben, wobei der Kolben eine Flüssigkeit ist, die mittels eines äußeren Feldes bewegt werden kann.
-
In der
DE 197 19 862 A1 ist eine weitere Mikromembranpumpe beschrieben. Sie weist eine Pumpmembran, die mittels einer Antriebseinheit in eine erste und eine zweite Stellung bewegbar ist, einen Pumpkörper, der mit der Pumpmembran verbunden ist, um eine Pumpkammer zwischen denselben festzulegen, sowie eine mit einem passiven Einlassventil versehene Einlassöffnung und eine mit einem passiven Auslassventil versehene Auslassöffnung auf. Die Pumpmembran vergrößert bei der Bewegung aus der ersten in die zweite Stellung das Volumen der Pumpkammer um ein Hubvolumen und verringert bei der Bewegung aus der zweiten in die erste Stellung das Volumen der Pumpkammer um dieses Hubvolumen.
-
In der
DE 199 22 612 A1 ist eine mikromechanische Pumpe beschrieben, die auf dem Prinzip eines peristaltischen Aktuators beruht, der durch das dichtende Überspannen eines mit einem Antriebsmittel gefüllten ringförmigen Hohlraumes in einem Substrat mit einer elektrisch leitfähigen Membran gebildet wird.
-
In der
DE 102 27 193 A1 ist eine Verbundmembran für Membranpumpen beschrieben, bestehend aus einem Elastomerkörper und einer produktseitigen Auflage aus Polytetrafluorethylen (PTFE). Der Elastomerkörper ist als kreisförmiger Teller ausgebildet, welcher einen Tellerrand mit einer Einspannfläche, einen Boden und einen Tellerrand mit dem Boden verbindenden biegsamen Membranabschnitt aufweist. Der biegsame Membranabschnitt weist eine Vielzahl von Noppen auf, die Erhebungen in der PTFE-Auflage bilden.
-
Um die Lehren dieser Veröffentlichungen an dieser Stelle nicht wiederholen zu müssen, wird auf die Offenbarungen dieser Dokumente verwiesen, die hiermit ausdrücklich und vollständig zum Bestandteil der vorliegenden Beschreibung gemacht werden.
-
Ausgehend vom diesem bekannten Stand der Technik ergibt sich damit die Aufgabe, eine Membran zur Verwendung in Membranpumpen anzugeben, die einzelne oder alle Vorteile unterschiedlicher bekannter Lösungen nach Möglichkeit vereint und deren Nachteile nach Möglichkeit vermeidet.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen eines der unabhängigen Ansprüche gelöst.
-
Erfindungsgemäß ist eine Membran zur Verwendung in Membranpumpen vorgesehen, welche einen Membrankörper aus einem wenigstens bereichsweise elektrisch leitfähigen thermoplastischen Elastomermaterial aufweist. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, die materialbedingten und herstellungstechnischen Vorteile thermoplastischer Elastomermaterialien mit den Vorteilen elektrisch leitfähiger Membrankörper zu verbinden.
-
Im Zusammenhang mit der Beschreibung und der Charakterisierung der vorliegenden Erfindung soll unter einer Membran ein im Betriebszustand vorzugsweise reversibel verformbares Bauelement einer Membranpumpe verstanden, welches das zu fördernde Medium vom Antrieb trennt. Durch diese Trennmembran ist somit der Antrieb von schädlichen Einflüssen des Fördermediums abgeschirmt. Auch ist das Fördermedium von schädlichen Einflüssen des Antriebes (z. B. Verunreinigungen in der Pharma- oder Lebensmittelindustrie) getrennt. Die Auslenkung der Membran geschieht vorzugsweise hydraulisch, pneumatisch oder mechanisch. Die Dicke einer solchen Membran liegt vorzugsweise zwischen 1 und 4 mm.
-
In diesem Zusammenhang soll unter einem thermoplastischen Elastomermaterial oder kurz thermoplastischen Elastomer ein Material, vorzugsweise ein Kunststoff, verstanden werden, das sich in einem ersten Temperaturbereich, vorzugsweise bei Raumtemperatur, wie ein Elastomer verhält, und das sich in einem zweiten Temperaturbereich, dessen Temperatur vorzugsweise über den Temperaturen des ersten Temperaturbereichs liegen, plastisch verformen lässt und somit ein sogenanntes thermoplastisches Verhalten zeigt.
-
Klassische Elastomere sind Materialien, die chemisch vorzugsweise aus weitmaschig vernetzten Raumnetzmolekülen aufgebaut sind. Die Vernetzungen der Raumnetzmoleküle können ohne Zersetzung des Materials in vielen Fällen nicht gelöst werden.
-
Thermoplastische Elastomere (TPE) sind – in vielen Fällen aber nicht ausnahmslos – Werkstoffe, bei denen elastische Polymerketten in thermoplastisches Material eingebunden sind. Sie können in einem rein physikalischen Prozess durch eine Kombination von hohen Scherkräften, Wärmeeinwirkung und anschließender Abkühlung verarbeitet werden. Vorzugsweise findet eine chemische Vernetzung durch eine sogenannte Vulkanisation statt. Man spricht dann auch von einem thermoplastischen Vulkanisat (TPV). Viele thermoplastische Elastomere haben aufgrund ihrer besonderen Molekularstruktur gummielastische Eigenschaften. Erneute Wärme- und Scherkrafteinwirkung führt in vielen Fällen wieder zur Aufschmelzung und Verformung des Materials.
-
Einige thermoplastische Elastomere haben in Teilbereichen physikalische Vernetzungspunkte (Nebenvalenzkräfte oder Kristallite), die sich bei Wärme auflösen, ohne dass sich die Makromoleküle zersetzen. Daher lassen sie sich wesentlich besser verarbeiten als normale Elastomere. So können auch Kunststoffabfälle wieder eingeschmolzen und weiter verarbeitet werden.
-
Aufgrund der durch den kunststoffähnlichen Verarbeitungsprozess sehr kurzen Zykluszeiten in der Herstellung gewinnen thermoplastische Elastomere vermehrt Anwendung in Karosseriedichtungen von Automobilen. Sie können extrudiert, spritzgeformt oder auch blasgeformt werden und werden in der Regel gebrauchsfertig bezogen (Thomas Hirth; Polymer Engineering: Technologien und Praxis, S. 167–176, ISBN 978-3540724025).
-
Nach dem inneren Aufbau unterscheidet man hauptsächlich Blockcopolymere und Elastomerlegierungen. Blockcopolymere besitzen innerhalb eines Moleküls Hart- und Weichsegmente. Der Kunststoff besteht also aus einer Molekülsorte, in der beide Eigenschaften verteilt sind.
-
Elastomerlegierungen sind sogenannte Polyblends, also Zusammenmischungen (Gemenge) von fertigen Polymeren, der Kunststoff besteht also aus mehreren Molekülsorten. Durch unterschiedliche Mischungsverhältnisse und Zuschlagmittel erhält man maßgeschneiderte Werkstoffe (beispielsweise Polyolefin-Elastomer aus Polypropylen (PP) und Naturgummi (NR)).
-
Man unterscheidet hauptsächlich folgende Gruppen (http://www.allod.com/Wissen_2.html):
- a) TPE-O oder TPO = Thermoplastische Elastomere auf Olefinbasis, vorwiegend PP/EPDM, z. B. Santoprene (AES/Monsanto);
- b) TPE-V oder TPV = Vernetzte thermoplastische Elastomere auf Olefinbasis, vorwiegend PP/EPDM, z. B. Sarlink (DSM), Forprene (SoFter);
- c) TPE-U oder TPU = Thermoplastische Elastomere auf Urethanbasis, z. B. Desmopan, Texin, Utechllan (Bayer);
- d) TPE-E oder TPC = Thermoplastische Polyesterelastomere/Thermoplastische Copolyester, z. B. Hytrel (DuPont) oder Riteflex (Ticona);
- e) TPE-S oder TPS = Styrol-Blockcopolymere (SBS, SEES, SEPS, SEEPS und MBS), z. B. Styroflex (BASF), Septon (Kuraray) oder Thermolast (Kraiburg TPE);
- f) TPE-A oder TPA = Thermoplastische Copolyamide, z. B. PEBAX (Arkema).
-
In diesem Zusammenhang soll unter einem elektrisch leitfähigen thermoplastischen Elastomermaterial oder kurz unter einem elektrisch leitfähigen thermoplastischen Elastomer ein thermoplastischer Elastomer verstanden werden, dessen elektrischer Oberflächen-Widerstand unter 100 Giga-Ohm (GΩ), vorzugsweise unter einem Giga-Ohm und besonders vorzugsweise unter einem Mega-Ohm (MΩ) liegt. Solche Materialen werden in der Technik auch als statisch ableitfähig bezeichnet. Sie Wirken der elektrostatischen Aufladung der aus diesen Materialen aufgebauten Gegenstände oder Anordnungen entgegen, in dem ihr vergleichsweise geringer elektrische Oberflächenwiderstand den Abbau elektrostatischer Aufladungen durch den Transport ausreichend großer Entladungsströme.
-
Die elektrische Leitfähigkeit dieser Materialien wird vorzugsweise durch das Einbringen von Graphitpartikeln oder Metallionen in die Kunststoffmatrix oder durch das Aufbringen eines Antistatikums oder einer elektrisch leitfähigen Beschichtung auf die Oberfläche oder durch andere Maßnahmen erreicht, die geeignet sind, die Beweglichkeit von Ladungsträgern längs der Polymerketten und/oder zwischen den Polymerketten des thermoplastischen Elastomers zu verbessern. Vorzugsweise werden hierzu auch sogenannte selbstleitende Polymere in die Materialzusammensetzung aufgenommen. Bei diesen handelt es sich vorzugsweise um Polymere mit einem ausgedehnten n-Elektronensystem in Form sogenannter konjugierter Doppelbindungen. Vorzugsweise wird auch eine Kombination derartiger Maßnahmen verwendet, um die elektrische Leitfähigkeit von thermoplastischen Elastomeren (TPE), insbesondere von thermoplastischen Vulkanisaten (TPV) zu erhöhen.
-
Vorzugsweise ist auch eine Beschichtung eines aus einem elektrisch nicht leitfähigen thermoplastischen Elastomermaterial bestehenden oder eines ein solches Material aufweisenden Membrankörpers mit einem elektrisch leitfähigen thermoplastischen Elastomermaterial vorgesehen.
-
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen dargelegt.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, deren Merkmale auch mit Merkmalen anderer Ausführungsformen kombiniert werden können, ist der Membrankörper als kreisförmiger Teller ausgebildet, dessen Durchmesser vorzugsweise zwischen 120 und 352 mm liegt. Bei axialsymmetrisch angeordnetem Antrieb der Membran ergibt sich als Folge der Kreisform der Membran eine gleichmäßige, axialsymmetrische Belastung und Beanspruchung des Membrankörpers und in der Folge eine geringere Materialbeanspruchung als bei anderen möglichen Formen des Membrankörpers. Insbesondere auf dem Membrankörper gegebenenfalls angebrachte Beschichtungen sind auf diese Weise geringeren Beanspruchungen ausgesetzt, wodurch die Lebensdauer solcher Anordnungen und insbesondere dieser Beschichtungen erhöht wird.
-
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, deren Merkmale auch mit Merkmalen anderer Ausführungsformen kombiniert werden können, weist der Membrankörper einen Rand mit einer Einspannfläche auf. Eine derartige Einspannfläche bewirkt ebenfalls eine gleichmäßige, axialsymmetrische Belastung und Beanspruchung des Membrankörpers und in der Folge eine gegebenenfalls zusätzlich verringerte Materialbeanspruchung als bei anderen möglichen Formen des Membrankörpers ohne eine Einspannfläche. Insbesondere auf dem Membrankörper gegebenenfalls angebrachte Beschichtungen sind auf diese Weise besonders in der Nähe zum Rand geringeren Beanspruchungen ausgesetzt, wodurch die Lebensdauer solcher Anordnungen und insbesondere dieser Beschichtungen erhöht wird.
-
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, deren Merkmale auch mit Merkmalen anderer Ausführungsformen kombiniert werden können, weist der Membrankörper einen Boden, einen Tellerrand und einen den Tellerrand mit dem Boden verbindenden biegsamen Membranabschnitt auf. Der Boden kann bei geeigneter Ausgestaltung die durch den Angriff des Antriebsmechanismus – beispielsweise in Gestalt eines einvulkanisierten Kerns mit einer Anschlusseinrichtung für eine Kolbenstange – bewirkten Beanspruchungen und Verschleißvorgänge reduzieren, was ebenfalls der Lebensdauer einer auf dem Membrankörper gegebenenfalls angebrachte Beschichtung förderlich sein kann.
-
Vorzugsweise weist der biegsame Membranabschnitt, der im Betrieb einer diese Membran aufweisenden Membranpumpe verformt wird, wenigstens bereichsweise Noppen auf, die den biegsamen Membranabschnitt wenigstens lokal versteifen, wobei diese Noppen vorzugsweise als Kalotten mit einer kreisförmigen Grundfläche ausgebildet sind. Durch diese Noppen erfährt der biegsame Membranabschnitt lokale Versteifungen. Die Bereiche zwischen den Noppen sind flexibel, so dass der biegsame Membranabschnitt mit geringem Druck umgestülpt werden kann, wobei sich aufgrund der punktuellen Versteifungen keine Stauchfalten bzw. Knicklinien in der PTFE-Auflage bilden können.
-
Die vorgesehene Noppenstruktur der Membran fördert außerdem eine verbesserte Haftung zwischen dem Elastomerkörper der Membran und einer an diesem gegebenenfalls angebrachten Beschichtung, beispielsweise einer Metallisierung oder einer anderen elektrisch leitfähigen Beschichtung, beispielsweise einer mit Graphitpulver dotierten Auflage aus einem thermoplastischen Vulkanisat. Ein Beispiel für ein derartiges thermoplastisches Vulkanisat ist das Produkt SantopreneTM.
-
Santoprene und ähnliche thermoplastische Vulkanisate oder thermoplastische Elastomere auf Olefinbasis verbinden die vorteilhaften Eigenschaften von vulkanisiertem Gummi mit der leichten Verarbeitbarkeit von Thermoplasten. Diese Materialien können mit bekannten Verfahren der Spritzgießtechnik, des Extrudierens, des Blasformens oder des Thermoformens verarbeitet werden. Sie sind außerdem innerhalb des Polyolefin-Recycle-Stroms wiederverwendbar. Teile aus Santoprene können zwischen –60 Grad Celsius und +135 Grad Celsius ohne Rissbildung oder Klebrigkeit verwendet werden.
-
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, deren Merkmale auch mit Merkmalen anderer Ausführungsformen kombiniert werden können, weist die Membran einen wenigstens bereichsweise mit einem elektrisch leitfähigen Material dotierten Membrankörper aus einem thermoplastischen Elastomermaterial auf.
-
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, deren Merkmale auch mit Merkmalen anderer Ausführungsformen kombiniert werden können, weist die Membran einen wenigstens bereichsweise mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichteten Membrankörper aus einem thermoplastischen Elastomermaterial auf.
-
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, deren Merkmale auch mit Merkmalen anderer Ausführungsformen kombiniert werden können, weist die Membran einen Membrankörper aus einem elektrisch leitfähigen thermoplastischen Elastomermaterial auf, welcher als ein vorzugsweise mit Graphitpulver wenigstens bereichsweise dotiertes Elastomermaterial, vorzugsweise aus einem thermoplastischen Vulkanisat ausgestaltet ist.
-
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, deren Merkmale auch mit Merkmalen anderer Ausführungsformen kombiniert werden können, weist die Membran einen Membrankörper aus einem elektrisch leitfähigen thermoplastischen Elastomermaterial auf, welcher als ein vorzugsweise mit silbergefülltem Silikon wenigstens bereichsweise beschichtetes Elastomermaterial, vorzugsweise aus Silikon, ausgestaltet ist.
-
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, deren Merkmale auch mit Merkmalen anderer Ausführungsformen kombiniert werden können, weist die Membran einen Membrankörper aus einem elektrisch leitfähigen thermoplastischen Elastomermaterial auf, welcher wenigstens bereichsweise als ein vorzugsweise homogenes Gemisch aus elektrisch leitenden Partikeln mit einem Elastomermaterial, vorzugsweise mit Silikon, besonders vorzugsweise in einem Mischungsverhältnis der Partikel zu dem Elastomer von 80:20 ausgestaltet ist.
-
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
-
1: ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Membran in Form eines kreisförmigen Tellers;
-
2: das in der 1 gezeigte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Membran in Seitenansicht.
-
Das in der 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Membran zur Verwendung in Membranpumpen weist einen Membrankörper 1 in der Form eines kreisförmigen Tellers aus einem wenigstens bereichsweise elektrisch leitfähigen thermoplastischen Elastomermaterial auf. Der Membrankörper weist einen Rand (2) mit einer Einspannfläche auf, mit deren Hilfe der Membrankörper in einen Rahmen oder eine entsprechende Struktur eines Pumpengehäuses eingespannt werden kann.
-
Der Membrankörper weist außer dem Tellerrand (2) einen Boden (3) und einen den Tellerrand mit dem Boden verbindenden biegsamen Membranabschnitt auf, der im Betrieb einer diese Membran aufweisenden Membranpumpe verformt wird. Dieser biegsame Membranabschnitt weist wenigstens bereichsweise Noppen (4) auf, die den biegsamen Membranabschnitt wenigstens lokal versteifen, wobei diese Noppen 4 vorzugsweise als Kalotten mit einer kreisförmigen Grundfläche ausgebildet sind.
-
Die erfindungsgemäße Membran weist vorzugsweise einen wenigstens bereichsweise mit einem elektrisch leitfähigen Material dotierten Membrankörper 1 aus einem thermoplastischen Elastomermaterial auf.
-
In weiteren Ausführungsbeispielen weist die Membran einen wenigstens bereichsweise mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichteten Membrankörper 1 aus einem thermoplastischen Elastomermaterial auf.
-
In Verbindung mit diesen Ausführungsbeispielen oder dazu alternativ weist die Membran einen Membrankörper aus einem elektrisch leitfähigen thermoplastischen Elastomermaterial auf, welcher als ein vorzugsweise mit Graphitpulver wenigstens bereichsweise dotiertes Elastomermaterial, vorzugsweise aus einem thermoplastischen Vulkanisat ausgestaltet ist.
-
In Verbindung mit diesen Ausführungsbeispielen oder dazu alternativ weist die Membran einen Membrankörper aus einem elektrisch leitfähigen thermoplastischen Elastomermaterial auf, welcher als ein vorzugsweise mit silbergefülltem Silikon wenigstens bereichsweise beschichtetes Elastomermaterial, vorzugsweise aus Silikon, ausgestaltet ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Membrankörper
- 2
- Rand des Membrankörpers
- 3
- Boden des Membrankörpers
- 4
- Noppen
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 10200503848383 [0002]
- DE 102009021778 A1 [0003]
- DE 19719862 A1 [0004]
- DE 19922612 A1 [0005]
- DE 10227193 A1 [0006]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- Thomas Hirth; Polymer Engineering: Technologien und Praxis, S. 167–176, ISBN 978-3540724025 [0016]
- http://www.allod.com/Wissen_2.html [0019]
