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Die Erfindung betrifft eine hydraulisch angetriebene Membranpumpe, insbesondere eine Hochdruck-Membranpumpe, mit einer Arbeitsmembran wie etwa einer Metallmembran, die einen Förderraum für ein zu förderndes Fluid von einem Druckraum für ein Hydraulikfluid trennt. Die Arbeitsmembran kann randseitig zwischen ein Pumpengehäuse und einen Pumpendeckel eingespannt sein, wobei üblicherweise der Förderraum dem Pumpendeckel zugewandt ist und von diesem begrenzt wird, und der Druckraum dem Pumpengehäuse zugewandt ist. Die Membranpumpe weist einen hydraulischen Membranantrieb mit einem beweglichen Verdrängerelement wie etwa einem oszillierenden Verdrängerkolben auf, der zum Erzeugen einer periodischen Druckänderung in dem Druckraum eingerichtet ist, wobei der Verdrängerkolben in einer Zylinderbohrung des Pumpengehäuses axial verschieblich angeordnet sein kann. Ferner weist die Membranpumpe einen mit dem Druckraum über mindestens ein Ventil in Fluidverbindung stehenden Hydraulikfluid-Vorratsraum auf, aus dem Hydraulikfluid in den Druckraum zuführbar ist und/oder in den Hydraulikfluid aus dem Druckraum abführbar ist. Vorzugsweise öffnet das mindestens eine Ventil bei Überschreiten einer vorgegebenen Druckdifferenz zwischen dem Vorratsraum und dem Druckraum, um einen Druckausgleich zwischen dem Druckraum und dem Vorratsraum zu ermöglichen.
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Hydraulisch angetriebene Membranpumpen, nachfolgend auch Membranpumpen genannt, sind für den Einsatz bei hohem Förderdruck geeignet. Da sich auf beiden Seiten der Membran ein Fluid befindet, nämlich einerseits das zu fördernde Fluid und andererseits das Hydraulikfluid, wird die Membran entlastet und ihre Lebensdauer erhöht. Ausführungsformen mit Metallmembran eignen sich für hohe Förderdrücke bis oberhalb 1000 bar.
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Die Saugfähigkeit von Membranpumpen ist allerdings begrenzt. Während des Saughubs, wenn das Verdrängerelement das Volumen des Druckraums vergrößert, entsteht in Abhängigkeit von den Saugbedingungen im Druckraum zwischen der Membran und dem Verdrängerelement ein Unterdruck. Übersteigt der Unterdruck ein bestimmtes Maß, entstehen Gasblasen im Hydraulikfluid und bewirken ein Nachlassen der Förderleistung und der Dosiergenauigkeit.
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Der Unterdruck, der sich im Druckraum während des Saughubs ergibt, hängt von verschiedenen Faktoren ab:
- • der Saug- oder Zulaufhöhe (Höhe der Pumpenaufstellung in Relation zu dem Vorratsbehälter für das zu fördernde Fluid),
- • dem Druck im Vorratsbehälter,
- • Druckverlusten in der Saugleitung,
- • inneren Druckverlusten in der Membranpumpe; dies können hydraulische Strömungsverluste z. B. im Saugventil und im Saugkanal sein; insbesondere bei kleinen Metallmembranpumpen benötigt die Membran selbst einen gewissen Differenzdruck für die Verformung.
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Es wird zwar versucht, die inneren Druckverluste in der Membranpumpe möglichst gering zu halten und Einfluss auf die Pumpeninstallation zu nehmen. In vielen Fällen gelingt es trotzdem nicht, die für den Betrieb optimalen Bedingungen zu erreichen.
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Bei bekannten Membranpumpen, wie sie bspw. in der Druckschrift
DE 101 43 978 B4 beschrieben sind, wird die Saugfähigkeit verbessert, indem eine mittels Federkraft vorgespannte Membran eingesetzt wird. Eine derartige Vorspannung der Membran ist jedoch nicht für alle Membranausführungen einsetzbar. Für Membranpumpen mit Metallmembran ist die genannte Lösung bspw. nicht geeignet.
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Aus der
EP 0 688 954 A1 ist eine Hochdruck-Membranpumpe mit einer zwischen Pumpengehäuse und Pumpendeckel randseitig eingespannten Membran, die einen Förderraum von einem Hydraulikdruckraum trennt, einem hydraulischen Membranantrieb in Form eines oszillierenden Verdrängerkolbens, der mit einer Zylinderbohrung des Pumpenkörpers zwischen dem Druckraum und einem Vorratsraum für die Hydraulikflüssigkeit verschiebbar ist, und mit einer Leckergänzungseinrichtung, die eine Schnüffelverbindung in Form eines Verbindungskanals zwischen Druckraum und Vorratsraum aufweist, der normalerweise durch ein unterdruckgesteuertes, federbelastetes Schnüffelventil verschlossen ist. Die Lage des Kolbens steuert die Schnüffelverbindung zwischen Druckraum und Vorratsraum derart, dass der Kolben als Steuerschieber dient, der mindestens zu Beginn des Saughubes die Schnüffelverbindung zwischen Druckraum und Vorratsraum unterbricht und erst dann freigibt, wenn er einen Teil seines Saughubweges zurückgelegt hat.
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In Anbetracht der beschriebenen Probleme liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Membranpumpe der gattungsgemäßen Art zur Beseitigung der geschilderten Nachteile derart auszugestalten, dass sie bei einfachem Aufbau gleichwohl eine hohe Dosiergenauigkeit und eine gute Saugfähigkeit aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Membranpumpe gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Membranpumpe weist eine Unterdruck-Erzeugungseinrichtung zum Verringern des Drucks in dem Vorratsraum auf. Die Unterdruck-Erzeugungsvorrichtung dient zum Absenken des Drucks im Vorratsraum in Relation zum Umgebungsdruck, um damit die Saugfähigkeit der Pumpe zu verbessern.
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Die Erfindung geht auf die Erkenntnis zurück, dass eine verschlechterte Saugfähigkeit bei herkömmlichen Pumpen insbesondere auch auf in dem Hydraulikfluid gebundene Luft zurückgeht. Typische Hydrauliköle, die die für einen Einsatz als Hydraulikfluid erforderlichen Schmiereigenschaften haben, besitzen nämlich regelmäßig eine hohe Löslichkeit für Luft. Wird während des Saughubs der Umgebungsdruck von 1 bar im Druckraum deutlich unterschritten, kommt es zu vermehrter Gas- bzw. Blasenbildung im Hydraulikfluid und damit zu einer verminderten Förderleistung. Das Hydraulikfluid wird aber durch diesen Vorgang nicht auf Dauer entgast, da die Luft im Druckhub, wenn das Verdrängerelement das Volumen des Druckraums wiederum verkleinert und damit der Druck im Druckraum ansteigt, größtenteils wieder in Lösung geht.
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Durch das Absenken des Drucks in dem Vorratsraum mittels der Unterdruck-Erzeugungseinrichtung wird erfindungsgemäß die im Hydraulikfluid gebundene Luftmenge dauerhaft verringert. Die Luftaufnahme von Hydraulikfluiden ist nämlich druckabhängig und nimmt mit dem Druck zu. Da zwischen dem Vorratsraum und dem Druckraum bei Betrieb der Pumpe ein stetiger Umlauf an Hydraulikfluid stattfindet, weist nach einer gewissen Betriebszeit das komplette Hydraulikfluid dieselbe verringerte anteilige Luftmenge auf. Mit anderen Worten ist nach einigen Hubzyklen der Pumpe das komplette Hydraulikfluid bzw. die komplette Hydraulikflüssigkeit mit weniger Luftanteilen befrachtet.
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Im Hinblick auf eine merklich verbesserte Saugleistung der Membranpumpe hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, dass die Unterdruck-Erzeugungseinrichtung zum Verringern des Drucks in dem Vorratsraum auf weniger als 900 mbar, bevorzugt weniger als 800 mbar, insbesondere auf 700 mbar oder weniger eingerichtet ist. Wird bspw. der Druck im Vorratsraum auf 700 mbar abgesenkt, bildet sich ein Lösungsgleichgewicht im Druckraum und im Vorratsraum bezogen auf diesen abgesenkten Druck. Eine nennenswerte Gasbildung erfolgt erst dann, wenn der Druck im Druckraum im Saughub deutlich unter den reduzierten Druck von 700 mbar absinkt. Durch die Druckabsenkung auf 700 mbar entsteht damit ein zusätzliches Saugpotential von 0,3 bar ohne die Gefahr von Gasbildung im Hydraulikfluid. Bei einer wasserähnlichen Flüssigkeit mit einer Dichte von 1 kg/l kann damit die Saugfähigkeit bei vergleichbarer Dosiergenauigkeit um ca. 3 m Saughöhe verbessert werden. Andererseits beträgt der durch die Unterdruck-Erzeugungseinrichtung im Vorratsraum erzeugte Druck vorzugsweise mehr als 300 mbar, insbesondere mehr als 500 mbar.
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Vorzugsweise ist der Membranantrieb zum Erzeugen eines Unterdrucks im Druckraum während des Saughubs eingerichtet, der geringer ist als der von der Unterdruck-Erzeugungseinrichtung erzeugte Druck im Vorratsraum. Damit wird das erfindungsgemäß erhöhte Saugpotential der Membranpumpe voll ausgenutzt, da bis zu dem von der Unterdruck-Erzeugungseinrichtung erzeugten Unterdruck im Druckraum keine Blasenbildung im Hydraulikfluid zu befürchten ist. Der tiefste Unterdruck im Druckraum liegt regelmäßig am Ende des Saughubs vor, wenn das Volumen des Druckraums bereits maximal vergrößert ist. Da zu diesem Zeitpunkt der Druck im Druckraum geringer ist als der (verringerte) Druck im Vorratsraum, kann Hydraulikfluid über das Ventil in den Druckraum einströmen, wodurch stets eine Gasbildung im Druckraum vermieden wird.
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Die Druckabsenkung im Vorratsraum kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen.
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Gemäß einer ersten möglichen Ausführungsform ist der Vorratsraum an eine bereits vorhandene Unterdruckeinrichtung angeschlossen, die eine Vakuumpumpe aufweisen kann, oder er ist an ein Unterdrucknetz angeschlossen. Dazu kann der üblicherweise im Inneren des Pumpengehäuses angeordnete Vorratsraum eine nach außen führende Öffnung mit einem Flansch wie etwa einem Vakuumflansch aufweisen, wobei die Unterdruckeinrichtung oder das Unterdrucknetz gasdicht an den Flansch ankoppelbar ist.
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Alternativ oder zusätzlich können eine separate Vakuumpumpe mit eigenem Antrieb und/oder eine von einem Antrieb der Membranpumpe antreibbare Vakuumpumpe vorgesehen sein.
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Idealerweise wird die Unterdruck-Erzeugungseinrichtung von dem Antrieb der Membranpumpe angetrieben. In diesem Fall kann die Vakuumpumpe von einem sich drehenden Bauteil der Membranpumpe wie etwa einer Antriebswelle oder einer Exzenterwelle und/oder von einem oszillierenden Bauteil der Membranpumpe wie etwa einer Kolbenstange des Verdrängerkolbens antreibbar sein.
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Es kann aber auch sinnvoll sein, dass die Unterdruck-Erzeugungseinrichtung unabhängig vom Pumpenantrieb aktivierbar ist. Dann ist die vorteilhafte Wirkung direkt beim Einschalten der Pumpe vorhanden. Dies ist vor allem für Pumpen von Vorteil, die intermittierend betrieben werden.
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Um Unterdruckspitzen im Druckraum während des Saughubs zu vermeiden, insbesondere am Ende des Saughubs, wenn die Arbeitsmembran bereits vollständig in Richtung auf das Verdrängerelement ausgelenkt ist, kann Hydraulikfluid durch das sich unter bestimmten Rahmenbedingungen öffnende Ventil aus dem Hydraulikfluid-Vorratsraum in den Druckraum geführt werden. Zu diesem Zweck kann das Ventil als ein einen Verbindungskanal zwischen dem Druckraum und dem Vorratsraum verschließendes, unterdruckgesteuertes Schnüffelventil gebildet sein. Erst bei einem vorgegebenen Unterdruck im Druckraum gegenüber dem Vorratsraum öffnet das Schnüffelventil, so dass Hydraulikfluid aus dem Vorratsraum in den Druckraum strömt. Vorzugsweise ist das Schnüffelventil derart eingerichtet, dass es erst am Ende des Saughubs des Verdrängerelements öffnet.
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In diesem Zusammenhang wird auf die Druckschrift
EP 0 688 954 A1 verwiesen, in der eine Leckergänzungsvorrichtung offenbart ist, die eine Schnüffelverbindung in Form eines Verbindungskanals zwischen Druckraum und Vorratsraum aufweist, der normalerweise durch ein unterdruckgesteuertes Schnüffelventil geschlossen ist. Die Lage des Verdrängerelements steuert dabei die Schnüffelverbindung derart, dass das Verdrängerelement als Steuerschieber dient, der mindestens zu Beginn des Saughubs die Schnüffelverbindung zwischen Druckraum und Vorratsraum unterbricht und erst dann freigibt, wenn er einen Teil seines Saughubwegs zurückgelegt hat. In der genannten Druckschrift beschriebene Details der Leckergänzungseinrichtung bzw. des Schnüffelventils werden durch Verweis in die vorliegende Offenbarung aufgenommen.
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Alternativ oder zusätzlich kann, um Überdruckspitzen im Druckraum während des Druckhubs des Verdrängerelements zu vermeiden, Hydraulikfluid durch ein weiteres, sich unter bestimmten Rahmenbedingungen öffnendes Ventil aus dem Hydraulikfluid-Vorratsraum in den Druckraum geführt werden. Zu diesem Zweck kann das weitere Ventil als ein einen Verbindungskanal zwischen dem Druckraum und dem Vorratsraum verschließendes Druckbegrenzungsventil gebildet sein, das bei einem vorgegebenen Überdruck im Druckraum gegenüber dem Vorratsraum öffnet, so dass Hydraulikfluid aus dem Druckraum in den Vorratsraum strömt. Vorzugsweise ist das Überdruckventil derart eingerichtet, dass es am Ende des Druckhubs des Verdrängerelements öffnet, wenn die Arbeitsmembran bereits vollständig in Richtung auf den Förderraum ausgelenkt ist.
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Wenn die erfindungsgemäße Membranpumpe sowohl das in einem ersten Verbindungskanal (Zuführ-Verbindungskanal) angeordnete Schnüffelventil als auch das in einem weiteren Verbindungskanal (Abführ-Verbindungskanal) angeordnete Druckbegrenzungsventil aufweist, können Über- und Unterdruckspitzen im Druckraum zuverlässig vermieden werden, da jederzeit ein Hydraulikfluidausgleich durch Hydraulikfluid aus dem Vorratsraum möglich ist. Ferner kann in diesem Fall ein stetiger Umlauf an Hydraulikfluid zwischen Druckraum und Vorratsraum stattfinden, so dass bereits nach wenigen Hubzyklen das gesamte Hydraulikfluid in ein und demselben Zustand ist, in dem es infolge der Unterdruck-Erzeugungseinrichtung mit weniger Luftanteilen befrachtet ist.
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In der nun folgenden Beschreibung wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 schematisch im Längsschnitt eine erfindungsgemäße Membranpumpe,
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2a–b eine Vorderansicht (2a) und eine Seitenansicht (2b) einer erfindungsgemäßen Membranpumpe mit daran angebauter Vakuumpumpe, und
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3a–c den Druckverlauf im Druckraum über einen Hubzyklus des Verdrängerelements, wobei in den 3b und 3b der Saughub vergrößert dargestellt ist.
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Bei der aus 1 ersichtlichen, hydraulisch angetriebenen Membranpumpe 1 handelt es sich um eine Hochdruckmembranpumpe, bei der vorzugsweise eine Metallmembran als Arbeitsmembran 2 zur Anwendung gelangt. Die Arbeitsmembran 2 trennt einen Förderraum 7, durch den das zu fördernde Fluid gepumpt wird, von einem mit Hydraulikfluid wie etwa Hydrauliköl gefüllten Druckraum 8. Dabei ist die Arbeitsmembran 2 zwischen zwei Lochplatten 3, 4 eingespannt, nämlich eine erste Lochplatte 3 mit einer ebenen Innenfläche und eine zweite Lochplatte 4 mit einer konkaven Innenfläche. Die Lochplatten 3, 4 sind ihrerseits zwischen einem Pumpengehäuse 5 und einem hieran stirnseitig lösbar festgelegten Pumpendeckel 6 eingespannt.
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Der Pumpendeckel 6 weist ein Einlassventil 11 sowie ein Auslassventil 12 auf. Diese beiden Ventile stehen über einen Einlasskanal 13 sowie einen Auslasskanal 14 derart mit dem Förderraum 7 in Fluidverbindung, dass das zu fördernde Medium bei dem in 1 nach rechts erfolgenden Saughub des Verdrängerelements 9 und damit der Membran 2 in Pfeilrichtung über das Einlassventil 11 und den Einlasskanal 13 in den Förderraum 7 angesaugt wird. Demgegenüber wird dann das zu fördernde Medium bei dem in 1 nach links erfolgenden Druckhub des Verdrängerelements 9 und damit der Membran 2 über den Auslasskanal 14 und das Auslassventil 12 in Pfeilrichtung dosiert aus dem Förderraum 7 herausgedrückt.
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Um einen Überdruck im Druckraum 8 zu verhindern und um die Membran 2 vor zu starker Auslenkung bzw. Beanspruchung während des Druckhubes zu schützen, ist ein Druckbegrenzungsventil 15 vorgesehen, das über entsprechende Abführ-Verbindungskanäle 16, 17 mit dem Druckraum 8 und dem Vorratsraum 10 in Verbindung steht. Es ist derart eingestellt, dass es beim Auftreten eines eine Druckschwelle überschreitenden Überdrucks im Druckraum 8 öffnet, so dass dann das überschüssige Hydraulikfluid über die Fluidkanäle 16, 17 in den Vorratsraum abgeführt werden kann.
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Um in entsprechender Weise am Ende des Saughubs das Auftreten von Kavitation und Blasen- bzw. Gasbildung im Druckraum zu verhindern und für die aufgrund der Leckageverluste erforderliche Leckergänzung zu sorgen, ist ferner ein Schnüffelventil 18 vorgesehen, das in einem Zuführ-Verbindungskanal 19, 20 zwischen dem Druckraum 8 und dem Vorratsraum 10 angeordnet ist. Bei einem Überdruck im Druckraum gegenüber dem Vorratsraum (während des Druckhubs) schließt das Schnüffelventil. Wenn während des Saughubs der Unterdruck im Druckraum 8 gegenüber dem Vorratsraum 10 eine vorgegebene Schwelle überschreitet, öffnet das Schnüffelventil 18, so dass die Leckageverluste über die Zuführ-Verbindungskanäle 19, 20 ausgeglichen werden können und ein übermäßiger Unterdruck im Druckraum 8 verhindert wird. Das Schnüffelventil ist vorzugsweise ein federbelastetes, unterdruckgesteuertes Schnüffelventil.
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Das Verdrängerelement 9 ist in Form eines Verdrängerkolbens gebildet, der mit einer Kolbenstange 21 verbunden ist, wobei die Kolbenstange 21 Teil eines nicht dargestellten oszillierenden Antriebs ist und mittels einer Stangendichtung 22 abgedichtet ist.
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Der Vorratsraum 10, der zu einem gewissen Teil mit Hydraulikfluid wie etwa Hydrauliköl gefüllt ist, steht bei herkömmlichen Pumpen mit der Umgebung in Verbindung, wobei zwischen dem Vorratsraum und einer nach draußen führenden Öffnung ein Luftfilter angeordnet sein kann. Damit herrscht im Vorratsraum 10 herkömmlicherweise der Umgebungsdruck von etwa 1 bar.
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Bei der erfindungsgemäßen Membranpumpe 10 ist dagegen eine Unterdruck-Erzeugungseinrichtung 25 zum Verringern des Drucks in dem Vorratsraum 10 über eine Verbindungsleitung 24 an den Vorratsraum 10 angeschlossen. Die Unterdruck-Erzeugungseinrichtung 25 ist nicht näher dargestellt, aber sie kann als Vakuumpumpe ausgestaltet sein oder in Form eines Unterdrucknetzes gebildet sein, an das der Vorratsraum über eine gasdichte Verbindungsleitung 24 angeschlossen ist.
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In den 2a (Vorderansicht) und 2b (Seitenansicht) ist eine durch den Antrieb der Membranpumpe 100 angetriebene Vakuumpumpe 140 dargestellt. Die Membranpumpe 100 weist einen Antriebsmotor 110 zum Antreiben des in dem Pumpenkopf 120 angeordneten Verdrängerelements auf. Ferner treibt der Antriebsmotor 110 auch die Vakuumpumpe 140 an. Dazu kann ein Triebwerk 130 zwischen den Antriebsmotor 110 und das Verdrängerelement bzw. die Vakuumpumpe 140 geschaltet sein. Die Vakuumpumpe 140 wird dabei durch den Antriebsmotor 110 über eine im Inneren des Triebwerks 130 verbaute Verbindungswelle angetrieben. Die Vakuumpumpe 140 kann an einen Sauganschluss des Pumpengehäuses angeflanscht sein, der mit dem Vorratsraum in Fluidverbindung steht, so dass der Druck im Vorratsraum über die Vakuumpumpe 140 unter den Umgebungsdruck abgesenkt werden kann.
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Aus 3a ist ein typischer Druckverlauf pH ersichtlich, wie er im Druckraum 8 einer Membranpumpe 1 über einen Hubzyklus gemessen wird. Der Hubzyklus ist in einen Druckhub und einen Saughub unterteilt, wobei der Druckhub weiter unterteilt ist in eine Kompressionsphase 1' und eine Förderphase 2'; der Saughub wiederum ist unterteilt in eine Dekompressionsphase 3', die Saugphase 4' und die Schnüffelphase 5'.
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Die 3b und 3c zeigen einen vergrößerten Ausschnitt der Saugphase, wobei 3b den Druckverlauf mit einer herkömmlichen Membranpumpe und 3c den Druckverlauf mit einer erfindungsgemäßen Membranpumpe mit Unterdruck-Erzeugungseinrichtung zeigt.
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Bei der herkömmlichen Membranpumpe (3b) entspricht der Druck im Vorratsraum pV dem Umgebungsdruck pL (pv = pL) mit der Folge, dass der Druck im Druckraum pH über den gesamten Saughub den Druck im Vorratsraum sehr deutlich unterschreitet (schraffierte Fläche A).
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Demgegenüber ist erfindungsgemäß nach 3c der Druck im Vorratsraum pv gegenüber dem Luftdruck pL so weit abgesenkt, dass das Maß der Druckdifferenz zwischen Druckraum und Vorratsraum deutlich abnimmt (schraffierte Fläche B).
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Aufgrund des wirkenden Unterdrucks im Vorratsraum hat das Hydraulikfluid insgesamt (aufgrund des Fluidaustauschs zwischen dem Vorratsraum und dem Druckraum) einen geringeren Luftgehalt als ein unter Normaldruck stehendes Hydraulikfluid. Damit wird eine Blasenbildung im Druckraum während des Saughubs zuverlässig verhindert bzw. das Saugpotential der Membranpumpe wird entsprechend erhöht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Membranpumpe
- 2
- Arbeitsmembran
- 3, 4
- Lochplatten
- 5
- Pumpengehäuse
- 6
- Pumpendeckel
- 7
- Förderraum
- 8
- Druckraum
- 9
- Verdrängerelement/Verdrängerkolben
- 10
- Hydraulikfluid-Vorratsraum
- 11
- Einlassventil
- 12
- Auslassventil
- 13
- Einlasskanal
- 14
- Auslasskanal
- 15
- Druckbegrenzungsventil
- 16, 17
- Abführ-Verbindungskanal
- 18
- Schnüffelventil
- 19, 20
- Zuführ-Verbindungskanal
- 21
- Kolbenstange
- 22
- Stangendichtung
- 24
- Unterdruck-Verbindungsleitung
- 25
- Unterdruck-Erzeugungsvorrichtung
- 100
- Membranpumpe
- 110
- Antriebsmotor
- 120
- Pumpenkopf
- 130
- Triebwerk
- 140
- Vakuumpumpe
- 1'
- Kompressionsphase
- 2'
- Förderphase
- 3'
- Dekompressionsphase
- 4'
- Saugphase
- 5'
- Schnüffelphase
