DE102019109283A1

DE102019109283A1 - Membranbruchüberwachung

Info

Publication number: DE102019109283A1
Application number: DE102019109283.3A
Authority: DE
Inventors: Bernd Freissler; Alexander Bubb; Thomas Freudenberger
Original assignee: Prominent GmbH
Current assignee: Prominent GmbH
Priority date: 2019-04-09
Filing date: 2019-04-09
Publication date: 2020-10-15
Also published as: US11415122B2; CN111794954A; CN111794954B; US20200325886A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membraneinheit (1) für eine Membranpumpe mit einem Membrankern (2), der eine Aufnahme (3) für eine Schubstange (4, 4', 4") eines Pumpenantriebs aufweist, und einer mehrlagigen, mit dem Membrankern (2) verbundenen Pumpenmembran (5), wobei die Pumpenmembran (5) aufweist eine fluidundurchlässige Arbeitsmembranlage (6), die im Betrieb der Membranpumpe mit einem von der Membranpumpe zu fördernden Fluid in Kontakt kommt, und eine fluidundurchlässige Sicherheitsmembranlage (7), ein abgedichtetes Volumen (12) zur Aufnahme eines durch die Arbeitsmembranlage tretenden Fluids, das zwischen der Arbeitsmembranlage (6) und der Sicherheitsmembranlage (7) angeordnet ist, und einen ersten Einspannbereich (9), mit dem die Pumpenmembran (5) in einer Aufnahme der Membranpumpe aufnehmbar ist, wobei der erste Einspannbereich (9) einen Ring bildet, der den Membrankern (2) ringförmig umgibt. Um eine Membraneinheit für eine Membranpumpe bereitzustellen, welche auf einfache Weise eine Erfassung eines Bruchs der Arbeitsmembranlage ermöglicht, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass innerhalb des von dem ersten Einspannbereich (9) gebildeten Rings zumindest ein Element (13, 27, 25) eines Sensors zum Erfassen eines in das abgedichtete Volumen (12) der Pumpenmembran (5) eindringenden Fluids vorgesehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membraneinheit für eine Membranpumpe mit einem Membrankern, der eine Aufnahme für eine Schubstange eines Pumpenantriebs aufweist, und einer mehrlagigen, mit dem Membrankern verbundenen Pumpenmembran, wobei die Pumpenmembran aufweist eine fluidundurchlässige Arbeitsmembranlage, die im Betrieb der Membranpumpe mit einem von der Membranpumpe zu fördernden Fluid in Kontakt kommt, und eine fluidundurchlässige Sicherheitsmembranlage, ein abgedichtetes Volumen zur Aufnahme eines durch die Arbeitsmembranlage tretenden Fluids, das zwischen der Arbeitsmembranlage und der Sicherheitsmembranlage angeordnet ist, und einen ersten Einspannbereich, mit dem die Pumpenmembran in einer Aufnahme der Membranpumpe aufnehmbar ist, wobei der erste Einspannbereich einen Ring bildet, der den Membrankern ringförmig umgibt, dass zwischen dem ersten Einspannbereich und dem Membrankern ein ringförmiger, im eingebauten Zustand der Membraneinheit elastisch verformbarer Bereich ausgebildet wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus eine Membranpumpe mit einer solchen Membraneinheit.
Membranpumpen werden vielfach zum Fördern von aggressiven, schädlichen oder gar giftigen Fluiden, d.h. Flüssigkeiten oder Gasen eingesetzt. Ein Bruch der Membran, die den Verdränger in einer solchen Membranpumpe darstellt, kann ohne weitere Maßnahmen dazu führen, dass das zu fördernde Fluid aus dem für die Strömung des Fluids vorgesehenen Bereich und möglicherweise sogar aus der Pumpe selbst austritt.
Diese Problematik hat zur Entwicklung von mehrlagigen, redundanten Pumpenmembranen geführt. Bei einer solchen mehrlagigen Pumpenmembran befindet sich hinter der Arbeitsmembranlage, die im Betrieb der Membranpumpe mit dem von der Pumpe zu fördernden Fluid in Kontakt kommt, eine zweite Membran als Sicherheitsmembranlage, die mechanisch mit der Arbeitsmembranlage gekoppelt ist und sich mit dieser mitbewegt. Bei einem Bruch der Arbeitsmembranlage verhindert die Sicherheitsmembranlage, dass das zu fördernde Fluid aus der Pumpenkammer austritt. Ein weiterer Betrieb der Pumpe bleibt möglich, da sich die Sicherheitsmembranlage wie die Arbeitsmembranlage bewegt und ein Fortsetzen des Förderns ermöglicht.
Die Ausgestaltung der Pumpenmembran mit mindestens zwei Lagen gewährleistet bei einem Bruch der Arbeitsmembranlage eine Redundanz aufgrund der dahinter angeordneten Sicherheitsmembranlage. Allerdings muss nach einem Bruch der Arbeitsmembranlage zumindest die Pumpenmembran ausgetauscht werden, um zu verhindern, dass mit der Zeit auch noch die Sicherheitsmembranlage bricht und dann Fluid aus dem Pumpraum durch die Arbeitsmembranlage und die Sicherheitsmembranlage austritt. Daher ist es erforderlich, den Bruch der Arbeitsmembranlage und das Eintreten von Fluid in den Zwischenraum zwischen der Arbeitsmembranlage und der Sicherheitsmembranlage zu erfassen.
Zu diesem Zweck füllt sich in Ausführungsformen bekannter Membranen weiterhin ein abgedichtetes Volumen zwischen der Arbeitsmembranlage und der Sicherheitsmembranlage mit dem durch die gebrochene Arbeitsmembranlage hindurchtretenden Fluid. Dieser Zwischenraum zwischen der Arbeitsmembranlage und der Sicherheitsmembranlage ist gegenüber der Umgebung abgedichtet.
Um ein in den Zwischenraum zwischen der Arbeitsmembranlage und der Sicherheitsmembranlage eintretendes Fluid erfassen zu können, steht der Zwischenraum in Fluidverbindung mit einem Messraum, wobei das Eintreten von Fluid in den Messraum mit geeigneten Sensoren erfasst wird.
Bei den bekannten Membraneinheiten befindet sich dieser Messraum mit einem Sensor in dem Einspannbereich der Membran oder außerhalb des Einspannbereichs und damit im statischen Bereich der Membran.
Eine solche Anordnung des Messraums im statischen Bereich der Membran ist insbesondere bei kleinen Membrandurchmessern in Kombination mit niedrigen Förderdrücken technisch aufwendig, erfordert einen verglichen mit dem an sich kleinen Membrandurchmesser großen Bauraum und ist wirtschaftlich nicht sinnvoll realisierbar.
Dem gegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Membraneinheit für eine Membranpumpe sowie eine Membranpumpe mit einer solchen Membraneinheit bereitzustellen, welche auf einfache Weise eine Erfassung eines Bruchs der Arbeitsmembranlage ermöglicht.
Zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben wird durch eine Membraneinheit für eine Membranpumpe gelöst mit einem Membrankern, der eine Aufnahme für eine Schubstange eines Pumpenantriebs aufweist, und einer mehrlagigen, mit dem Membrankern verbundenen Pumpenmembran, wobei die Pumpenmembran aufweist eine fluidundurchlässige Arbeitsmembranlage, die im Betrieb der Membranpumpe mit einem von der Membranpumpe zu fördernden Fluid in Kontakt kommt, und eine fluidundurchlässige Sicherheitsmembranlage, ein abgedichtetes Volumen zur Aufnahme eines durch die Arbeitsmembranlage tretenden Fluids, das zwischen der Arbeitsmembranlage und der Sicherheitsmembranlage angeordnet ist, und einen ersten Einspannbereich, mit dem die Pumpenmembran in einer Aufnahme der Membranpumpe aufnehmbar ist, wobei der erste Einspannbereich einen Ring bildet, der den Membrankern ringförmig umgibt, dass zwischen dem ersten Einspannbereich und dem Membrankern ein ringförmiger, im eingebauten Zustand der Membraneinheit elastisch verformbarer Bereich ausgebildet wird, wobei innerhalb des von dem Einspannbereich gebildeten Ring zumindest ein Element eines Sensors zum Erfassen eines Fluids vorgesehen ist, wobei der Sensor derart ausgestaltet und eingerichtet ist, dass er im Betrieb der Membraneinheit ein Eindringen eines Fluids in das abgedichtete Volumen der Pumpenmembran erfasst.
Im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist eine Membraneinheit die Einheit einer Membranpumpe, welche als Baugruppe ausgetauscht wird, wenn die Pumpenmembran oder eine Lage davon beschädigt ist. Die Membraneinheit umfasst neben der Pumpenmembran selbst den Membrankern, in der Regel aber nicht die Schubstange, welche den Antriebsmotor der Pumpe mit dem Membrankern verbindet. Vielmehr weist der Membrankern eine Aufnahme für die Schubstange auf und ist mit einer solchen verbindbar.
Es sind jedoch Ausführungsformen der Erfindung denkbar, bei welchen der Membrankern fest mit der Schubstange verbunden ist, sodass die Membraneinheit neben der Pumpenmembran, der Membrankern auch die Schubstange umfasst. In diesem Fall ist die Schubstange in der Aufnahme des Membrankerns aufgenommen.
Entscheidend für den Aufbau der Pumpenmembran ist, dass diese mehrlagig ist, d.h. mindestens zwei Membranen, nämlich eine Arbeitsmembranlage und eine Sicherheitsmembranlage, umfasst. Die Mehrlagigkeit führt einer Redundanz der Pumpenmembran, sodass ein Versagen der Arbeitsmembranlage nicht zu einem Austreten von Fluid aus der Pumpe bzw. dem Pumpraum führt. Zudem ist zwischen der Arbeitsmembranlage und der Sicherheitsmembranlage ein abgedichtetes Volumen vorgesehen, in welches durch die Arbeitsmembranlage nach einem Bruch hindurchtretendes Fluid eintritt, um es aufzufangen, aber auch erfassen zu können.
Während in einer Ausführungsform der Erfindung die Arbeitsmembranlage und die Sicherheitsmembranlage unmittelbar miteinander verbunden sind, um einen abgedichteten Zwischenraum zur Aufnahme des Fluides bei einem Membranbruch zu bilden, ist in einer alternativen Ausführungsform zwischen der Arbeitsmembranlage und der Sicherheitsmembranlage eine elastisch verformbare Membranlage, vorzugsweise eine Kautschuk aufweisende Membranlage, angeordnet. Eine solche dritte Membranlage zwischen der Arbeitsmembranlage und der Sicherheitsmembranlage stellt die notwendige Stabilität der Pumpenmembran bereit.
Die Pumpenmembran weist ferner einen ersten Einspannbereich auf, mit dem die Membran in einer Aufnahme der Membranpumpe aufnehmbar ist. Der Einspannbereich selbst und alle außerhalb des ringförmigen Einspannbereichs liegenden Abschnitte der Pumpenmembran werden als statischer Bereich der Membran bezeichnet, da sie bei einem Arbeitshub der Pumpenmembran im Wesentlichen nicht verformt werden, d.h. statisch sind.
In einer Ausführungsform verfügt der erste Einspannbereich über einen oder mehrere Dichtungswulste. Der mindestens eine Dichtungswulst umgibt den Membrankern in Form einer geschlossenen Linie, insbesondere ringförmig.
Da man davon ausgehen kann, dass der wahrscheinlichste Ort für einen Bruch der Arbeitsmembranlage in dem Bereich hoher Beanspruchung, d.h. zwischen dem Membrankern und dem statischen Bereich, auftritt, ist es zweckmäßig, wenn sich das abgedichtete Volumen zwischen Arbeitsmembranlage und Sicherheitsmembranlage zumindest abschnittsweise in diesem Bereich erstreckt.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Pumpenmembran im Wesentlichen kreisförmig, wobei der erste Einspannbereich im Wesentlichen kreisringförmig ist und der im eingebauten Zustand elastisch verformbare Bereich zwischen dem Membrankern und dem Einspannbereich ebenfalls kreisringförmig ist. Auf diese Weise wird eine sehr effektiv arbeitende Pumpenmembran bereitgestellt.
Es ist die grundlegende Idee der erfindungsgemäßen Membraneinheit, eine Leckage der mit dem zu fördernden Fluid in Kontakt stehenden Arbeitsmembranlage durch ein Eindringen des durch die Arbeitsmembranlage hindurchtretenden Fluids in das abgedichtete Volumen zwischen der Arbeitsmembranlage und der Sicherheitsmembranlage zu erfassen.
Während bei allen aus dem Stand der Technik bekannten Membraneinheiten die eigentliche Erfassung des leckenden Fluids in einem Erfassungsraum in oder außerhalb des Einspannbereichs der Pumpenmembran erfolgt, ist es die Idee der vorliegenden Erfindung, die Erfassung des in das abgedichtete Volumen leckenden Fluids in den dynamischen Bereich der Pumpenmembran, d.h. radial innerhalb des ersten Einspannbereichs der Pumpenmembran liegend, zu verlagern.
Zudem erfolgt im Betrieb der Membraneinheit in einer Ausführungsform auch eine Signalableitung von dem innerhalb des von dem Einspannbereich gebildeten Rings liegenden Element des Sensors entlang der in der Aufnahme des Membrankerns aufnehmbaren Schubstange. Auf diese Weise ist keine Signalableitung aus dem statischen Bereich der Pumpenmembran erforderlich, was Bauraum und Kosten spart.
Ein Element des Sensors im Sinne der vorliegenden Anmeldung, ist beispielsweise eine Linse, eine Elektrode oder aber auch eine reflektierende Wand eines Messraums oder -volumens. Andere Elemente des Sensors, beispielsweise Quelle und Detektor für elektromagnetische Strahlung, können außerhalb der Membraneinheit, beispielsweise auf dem antriebsseitigen Ende einer Schubstange, vorgesehen sein.
Dabei ist die Membraneinheit in einer Ausführungsform so eingerichtet, dass im Betrieb der Membraneinheit eine Signalableitung von dem Element des Sensors entlang der, oder in oder durch die in der entsprechenden Aufnahme des Membrankerns aufnehmbaren Schubstange erfolgt. Eine Signalableitung von dem Element des Sensors erfolgt in einer Ausführungsform beispielsweise mittels eines elektrischen Kabels, eines optischen Lichtleiters oder einer anderweitigen Führung für elektromagnetische Strahlung.
Zur Erfassung eines durch die Arbeitsmembranlage hindurchtretenden Fluids innerhalb des von dem Einspannbereich gebildeten Rings ist es in einer Ausführungsform der Erfindung zweckmäßig, wenn der Membrankern einen Messraum aufweist, wobei der Membrankern und die Pumpenmembran so ausgestaltet sind, dass der Messraum und das abgedichtete Volumen der Pumpenmembran in Fluidverbindung miteinander stehen und wobei das Element des Sensors zum Erfassen des Fluids in dem Membrankern vorgesehen ist.
Der Messraum dient dazu, ein bei einem Bruch der Arbeitsmembranlage in das abgedichtete Volumen zwischen Arbeitsmembranlage und Sicherheitsmembranlage eintretendes Fluid aufzunehmen, zu erfassen und einen Bruch der Arbeitsmembranlage zu signalisieren. Es ist der Grundgedanke einer solchen Ausführungsform mit einem Messraum, diesen gegenüber Membraneinheiten aus dem Stand der Technik aus dem statischen Bereich der Pumpenmembran in den dynamischen Bereich zu verlagern. Auf diese Weise wird der für die Membraneinheit benötigte Bauraum verglichen mit einer Anordnung des Messraums im statischen Bereich der Pumpenmembran erheblich reduziert
Die Verlagerung der eigentlichen Messung aus dem abgedichteten Volumen zwischen der Arbeitsmembranlage und der Sicherheitsmembranlage in einem Messraum, welcher in dem Membrankern angeordnet ist, weist zudem mehrere Vorteile auf. Der Membrankern wird typischerweise aus Metall oder Kunststoff hergestellt, sodass ein in dem Material des Membrankerns vorgesehener Messraum definierte Messbedingungen zur Verfügung stellt.
Eine Verlagerung der eigentlichen Messung aus dem abgedichteten Volumen zwischen den Arbeits- und Sicherheitsmembranlagen in den Messraum des Membrankerns erfordert aber, dass das abgedichtete Volumen der Pumpenmembran und der Messraum in Fluidverbindung miteinander stehen.
Dies wird in einer Ausführungsform der Erfindung dadurch realisiert, dass zwischen dem abgedichteten Volumen der Pumpenmembran und dem Messraum des Membrankerns ein Fluidkanal vorgesehen ist, welcher die Fluidverbindung zwischen dem abgedichteten Volumen der Pumpenmembran und dem Messraum des Membrankerns bereitstellt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird dieser Fluidkanal von einer fluiddurchlässigen Struktur, vorzugsweise einem fluiddurchlässigen oder kapillaren Gewebe, gebildet, wobei die fluiddurchlässige Struktur zwischen der Arbeitsmembranlage und der Sicherheitsmembranlage angeordnet ist.
Eine derartige fluiddurchlässige Struktur weist den Vorteil auf, dass sie sich in die Pumpenmembran einlaminieren lässt, sodass eine einfache Herstellung der Pumpenmembran einschließlich des Fluidkanals möglich ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Sicherheitsmembranlage einen zweiten Einspannbereich auf, wobei die Sicherheitsmembranlage in dem zweiten Einspannbereich mit dem Membrankern verbunden ist und wobei der Membrankern einen Fluidkanal aufweist, der so ausgestaltet ist, dass er den Messraum in dem zweiten Einspannbereich mit dem Fluidkanal der Pumpenmembran verbindet.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Sensor ein optischer Sensor, der eine Änderung der optischen Eigenschaft in dem Messraum erfasst. Eine solche optische Eigenschaft, die von dem Sensor erfasst wird, ist beispielsweise eine Änderung eines Intensitätsverlusts, den elektromagnetische Strahlung beim Durchlaufen des Messraums erfährt.
Ein solcher Verlust an Intensität der durch den Messraum propagierenden elektromagnetischen Strahlung kann beispielsweise durch Absorption in dem Fluid innerhalb des Messraums bewirkt werden.
Geeignet, eine Änderung des Verlusts an Intensität hervorzurufen, ist in einer Ausführungsform beispielsweise auch eine Änderung der Reflexion von einer begrenzenden Wand des Messraums, die sich dadurch ergibt, dass Fluid vor der Wand angeordnet ist.
Um eine deutliche Änderung der Reflexion des der Aufnahme für die Schubstange gegenüberliegenden Wandabschnitts zu bewirken, ist in einer Ausführungsform der Erfindung dieser Wandabschnitt diffus reflektierend ausgestaltet. In einer solchen Ausführungsform würden die Verluste, die die elektromagnetische Strahlung bei der Propagation durch den Messraum erfährt, geringer, wenn der Messraum mit Fluid gefüllt ist oder jeweils zumindest die reflektierende Wand mit Fluid benetzt ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Messraum zu der Aufnahme für die Schubstange hin offen oder zu dieser hin mit einem für elektromagnetische Strahlung transparenten Materialabschnitt fluiddicht abgeschlossen. Auf diese Weise kann durch die Schubstange zu dem Membrankern hingeleitete elektromagnetische Strahlung in den Messraum eintreten und von dort durch die Schubstange zurückreflektiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist an einem der Aufnahme für die Schubstange gegenüberliegenden Wandabschnitt des Messraums ein Fluidindikator mit einer optischen Eigenschaft angeordnet, welche sich ändert, wenn der Fluidindikator mit einem Fluid in Kontakt gebracht wird. Derartige optische Eigenschaften eines Fluidindikators, welche sich bei Kontakt mit einem Fluid ändern, sind beispielsweise Absorption, Reflexion oder auch Farbe.
Ein Beispiel für einen Fluidindikator gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist Lackmuspapier. Dieses ändert seine Farbe in Abhängigkeit von dem pH-Wert des Fluids, mit welchem es in Kontakt gebracht wird.
Neben Sensoren, die eine optische Eigenschaft des Messraums selbst oder eines in den Messraum eintretenden Fluids erfassen, sind in Ausführungsformen andere Sensoren zur Verwendung geeignet. Ein Beispiel für einen solchen alternativen Sensor zum Erfassen eines Fluids in dem Messraum ist ein Drucksensor, der vorzugsweise einen Druckschalter oder einen Dehnungsmessstreifen aufweist. Dabei ist in einer Ausführungsform zumindest ein Element des Drucksensors in dem Membrankern angeordnet, wobei der Drucksensor so eingerichtet ist, dass er im Betrieb der Membraneinheit einen Fluiddruck in dem Messraum erfasst.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist der Sensor ein Leitfähigkeitssensor, der so angeordnet und eingerichtet ist, dass er eine Leitfähigkeitsänderung in dem Volumen zwischen Arbeitsmembranlage und Sicherheitsmembranlage oder in dem Messraum erfasst. Da das Eintreten eines Fluids in den Messraum beispielsweise die Leitfähigkeit zwischen zwei zunächst gegeneinander isolierten Elektroden deutlich ändert, ist auch ein solcher Sensor zum Erfassen des Einbringens von Fluid in den Messraum geeignet.
Weitere Parameter, die sich mit Hilfe eines Sensors erfassen lassen und die sich beim Eintreten eines Fluids in das Volumen zwischen Arbeitsmembranlage und Sicherheitsmembranlage oder in den Messraum ändern, sind denkbar. Parameteränderungen können beispielsweise durch physikalisch-chemische Reaktionen an in dem Messraum vorhandenen Substanzen bewirkt werden.
Zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben wird auch durch eine Membranpumpe gelöst, welche eine Membraneinheit aufweist, so wie sie in Ausführungsformen davon zuvor beschrieben wurde, wobei der Einspannbereich der Pumpenmembran in einer dafür vorgesehenen Aufnahme aufgenommen ist, sodass die Pumpenmembran ein Fördervolumen der Pumpe abdichtet und der Kern der Membraneinheit mit einer Schubstange eines Pumpenabtriebs verbunden ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist dabei eine elektrische oder optische Signalleitung zur Signalableitung von dem Element des Sensors durch die Schubstange zu dem Messraum des Membrankerns geführt.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist in der Schubstange ein Lichtleiter vorgesehen, der den Messraum an einem Ende der Schubstange mit einer Anordnung aus einer Quelle für elektromagnetische Strahlung und einem Detektor für die elektromagnetische Strahlung an dem gegenüberliegenden Ende der Schubstange verbindet.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das mit dem Membrankern verbundene Ende der Schubstange mit einer transparenten Abdeckung versehen, welche eine Verunreinigung oder Beschädigung des Lichtleiters verhindert.
Dabei bildet in einer Ausführungsform der Erfindung diese transparente Abdeckung der Schubstange dann, wenn die Schubstange in der Aufnahme des Membrankerns aufgenommen ist, die Abdichtung des Messraums auf einer Seite. Auf diese Weise müssen bei einem Austausch der Membraneinheit nur wenige Elemente, welche zur Erfassung eines Membranbruchs dienen, gleichzeitig mit ausgetauscht werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Membranpumpe eine Auswerteeinrichtung, vorzugsweise einen Mikroprozessor, welcher derart mit dem Sensor verbunden ist, dass er ein bei einem Membranbruch in den Messraum eindringendes Fluid erfasst und einen Membranbruch an einen Benutzer signalisiert.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden nun anhand von Ausführungsformen davon, so wie sie in den beigefügten Figuren gezeigt sind, erläutert.

1 zeigt eine schematische Schnittansicht durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Membraneinheit.
2 zeigt eine schematische Schnittansicht durch eine alternative Ausführungsform der Membraneinheit aus 1.
3 zeigt eine weggebrochene schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Membraneinheit.
4 zeigt eine vergrößerte schematische Schnittansicht des Messraums im Membrankern der Membraneinheit aus 3.

In den Figuren sind gleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen bezeichnet.
1 zeigt schematisch den Aufbau einer in eine Membranpumpe eingebauten Membraneinheit 1 .
Die Membraneinheit 1 weist einen Membrankern 2 auf, welcher in der dargestellten Ausführungsform zweiteilig ausgestaltet ist. Der Membrankern 2 verfügt über eine Gewindebohrung 3 als Aufnahme für eine Schubstange 4. Im eingebauten Zustand der Membraneinheit 1 ist der Membrankern 2 über die Schubstange 4 mit dem Antrieb der Membranpumpe verbunden. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist die Schubstange 4 nicht Bestandteil der Membraneinheit, sodass bei einem Membranbruch oder einem anderweitigen Versagen der Membraneinheit nur die Membraneinheit 1 ohne die Schubstange 4 austauschbar ist.
Essenziell für die Membraneinheit ist ferner die mehrlagige Pumpenmembran 5, welche mit dem Membrankern 2 verbunden ist.
In den Ausführungsformen der 1 bis 3 ist die Pumpenmembran 5 jeweils aus drei Lagen aufgebaut. Eine fluidundurchlässige Arbeitsmembranlage 6 aus PTFE kommt während des Betriebs der Membraneinheit mit einem von der Membranpumpe zu fördernden Fluid in Kontakt und schließt den Pumpraum der Pumpe hermetisch ab. Um im Falle eines Bruchs der Arbeitsmembranlage 6 ein Austreten von Fluid aus dem Pumpraum zu verhindern, verfügt die Pumpenmembran 5 über eine Sicherheitsmembranlage 7 aus PTFE. Zwischen der Arbeitsmembranlage 6 und der Sicherheitsmembranlage 7 ist eine dritte Membranlage 8 aus Kautschuk angeordnet. Diese Kautschukmembranlage 8 dient zur Stabilisierung der Pumpenmembran 5 und stellt auch die erforderlichen Rückstellkräfte für die Pumpenmembran 5 bereit.
Damit die Membraneinheit 1 in der Pumpe aufgenommen werden kann, verfügt die Pumpenmembran 5 über einen ersten Einspannbereich 9, mit welchem die Pumpenmembran 5 in einer entsprechenden Aufnahme der Membranpumpe eingespannt werden kann. Der erste Einspannbereich 9 der Pumpenmembran 5 verfügt über zwei Dichtungswulste 10, 11. Der Einspannbereich 9 der Pumpenmembran und damit die Dichtungswulste 10, 11 umgeben den im Wesentlichen zylindrischen Membrankern 2 ringförmig, d.h. konzentrisch.
Da im eingebauten Zustand der Membraneinheit 1 der erste Einspannbereich 9 durch seine Klemmung im Gehäuse der Pumpe festgelegt ist, bewegt er sich bei einer Bewegung des Kerns 2 nicht mit. Der erste Einspannbereich 9 und gegebenenfalls alle radial außerhalb des Einspannbereichs 9 liegenden Abschnitte der Pumpenmembran 5 werden daher als der statische Bereich der Pumpenmembran 5 bezeichnet. Dem gegenüber bilden sämtliche Abschnitte der Pumpenmembran 5, die innerhalb des von dem Einspannbereich 9 gebildeten Rings liegen, den sogenannten dynamischen Bereich der Pumpenmembran 5. Dieser dynamische Bereich bewegt sich im Betrieb der Membraneinheit von der Antriebseinheit der Membranpumpe mit Hilfe der Schubstange 4 angetrieben.
Betrachtet man sich die Membraneinheit 1 aus 1, so wird deutlich, dass aufgrund der Verbindung der Pumpenmembran 5 mit dem Membrankern 2 der Bereich der Pumpenmembran 5 zwischen dem Einspannbereich 9 und dem Membrankern 2 während dem Pumpen der größten Belastung unterliegt. Es ist zu vermuten, dass die Pumpenmembran 5 wenn überhaupt in diesem Bereich zuerst Verschleißerscheinungen zeigt. Ein solcher Verschleiß führt in der Regel zu einem Bruch der Arbeitsmembranlage 6 und der Kautschukmembranlage 8, sodass Fluid aus dem Pumpraum durch die Arbeitsmembranlage 6 und die Kautschukmembranlage 8 aus dem Pumpraum austritt. Ein solches durch einen Bruch in der Arbeitsmembranlage 6 sowie der Kautschukmembranlage 8 hindurchgetretenes Fluid wird von der Sicherheitsmembranlage 7, welche eine Redundanz zu der Arbeitsmembranlage 6 bildet, am Austreten aus der Pumpe gehindert.
Im Falle eines Bruchs der Arbeitsmembranlage 6 und der Kautschukmembranlage 8 gilt es aber nicht nur, ein Austreten des Fluids aus der Pumpe zu verhindern, sondern auch diesen Membranbruch zu erfassen, damit die Membraneinheit 1 ausgetauscht werden kann, bevor auch noch ein Versagen der Sicherheitsmembranlage 7 auftritt.
Um einen Membranbruch der ersten beiden Lagen 6, 8 der Pumpenmembran 5 zu erfassen, ist die Sicherheitsmembranlage 7 nur im Einspannbereich 9 fest mit den beiden anderen Lagen 6, 8 verbunden. Im dynamischen Bereich der Pumpenmembran 5 ist die Sicherheitsmembranlage 7 von der Kautschukmembranlage 8 beabstandet und bildet hier ein abgedichtetes Volumen 12. Fluid, welches durch die Arbeitsmembranlage 6 und die Kautschukmembranlage 8 hindurchtritt, sammelt sich in diesem Volumen 12. Es gilt nun, das in diesem Volumen 12 zwischen der Arbeitsmembranlage 6 und der Sicherheitsmembranlage 7 gesammelte Fluid zu erfassen und einem Benutzer der Membranpumpe einen Membranbruch zu signalisieren.
Der bisher anhand der 1 beschriebene Aufbau der Membraneinheit 1 ist bei allen hier gezeigten Ausführungsformen gemäß den 1 bis 4 im Wesentlichen identisch.
Die Erfassung eines Fluids, welches in das Volumen 12 eingetreten ist, erfolgt erfindungsgemäß bei allen Ausführungsformen zumindest mit einem Element des Sensors radial innerhalb des von dem äußeren Einspannbereich 9 gebildeten Rings. Im Gegensatz dazu erfolgt eine Erfassung von Fluid in dem Volumen 12 bzw. in dem Zwischenraum zwischen der Arbeitsmembranlage 6 und der Sicherheitsmembranlage 7 im Stand der Technik radial außerhalb des Einspannbereichs 9 der Pumpenmembran 5. Insbesondere erfolgt erfindungsgemäß eine Signalableitung von den jeweiligen Sensorelementen radial innerhalb des von dem Einspannbereich 9 gebildeten Rings entlang der Schubstange 4.
Bei der Ausführungsform der Membraneinheit 1 aus 1 ist das Sensorelement 13 von einem in die Sicherheitsmembranlage 7 eingebetteten Elektrodenpaar gebildet. Die Elektroden ragen in den Bereich des von der Arbeitsmembranlage 6 und der Sicherheitsmembranlage 7 eingeschlossenen Volumens 12 in dieses hinein. Die beiden Elektroden 13 sind elektrisch gegeneinander isoliert und erst das Eintreten von Fluid in das Volumen 12 ermöglicht einen elektrischen Stromfluss zwischen den beiden Elektroden 13. Eine damit verbundene Widerstandsänderung lässt sich leicht erfassen und zeigt einen Membranbruch der ersten beiden Membranlagen 6, 8 an. Zu diesem Zweck ist das Sensorelement 13 über eine Signalleitung 14 mit einer Auswerteeinrichtung, hier einer Mikroprozessorsteuerung 15 der Membranpumpe, verbunden. Die Signalleitung 14 erstreckt sich entlang der Schubstange 4. Wird von der Mikroprozessorsteuerung 15 eine Widerstandsänderung erfasst, so signalisiert diese einen Membranbruch an den Nutzer der Pumpe.
Die alternative Ausführungsform aus 2 weist ebenfalls ein Sensorelement in Form zweier Elektroden 13 in dem Volumen 12 auf. Dabei erfolgt jedoch die Signalableitung über die Signalleitung 14' nicht nur entlang der Schubstange 4', sondern durch die Schubstange 4', d.h. im Inneren der Schubstange 4'.
Das lose Ende 16 der Sicherheitsmembranlage 7, welches das radial innere Ende der Sicherheitsmembranlage 7 ist, bildet einen zweiten Einspannbereich 16 im Sinne der vorliegenden Anmeldung. Mit diesem zweiten verglichen mit dem ersten Einspannbereich 9 radial innenliegenden Einspannbereich 16 ist die Sicherheitsmembranlage 7 mit dem Membrankern 2 verbunden. Der Membrankern 2 besteht aus zwei miteinander verschraubten Abschnitten 17, 18, wobei der zweite Abschnitt 18 mit Hilfe eines Gewindes 19 nach Art einer Mutter auf ein entsprechendes Außengewinde des ersten Membrankernabschnitts 17 aufgeschraubt ist. Durch das Aufschrauben des zweiten Abschnitts 18 auf den ersten Abschnitt 17 wird die Sicherheitsmembranlage 7 und damit der zweite Einspannabschnitt 16 der Pumpenmembran 5 zwischen dem ersten Membrankernabschnitt 17 und dem zweiten Membrankernabschnitt 18 eingeklemmt. Um eine vollständige Dichtwirkung zu erzielen, ist eine O-Ring-Dichtung 20 zwischen dem ersten Abschnitt 17 und dem zweiten Abschnitt 18 des Membrankerns 2 vorgesehen.
Bei der weiteren Ausführungsform aus 3 ist der Sensierungsbereich, d.h. die Anordnung eines Sensorelements aus dem Bereich zwischen dem ersten Einspannbereich 9 und dem Kern 2, in den Kern 2 selbst verlagert. Der Sensierungsbereich ist in 3 mit einem Kreis 21 gekennzeichnet. Der Sensierungsbereich 21 ist zum verbesserten Verständnis der Anordnung in 4 vergrößert herausgezeichnet.
Um Fluid, welches in das Volumen 12 zwischen der Arbeitsmembranlage 6 und der Sicherheitsmembranlage 7 eintritt, innerhalb des Membrankerns 2 selbst erfassen zu können, weist der Membrankern 2 einen Messraum 22 auf, welcher mit dem Volumen 12 in Fluidverbindung steht, sodass das Fluid aus dem Volumen 12 in den Messraum 22 gelangen kann. In der dargestellten Ausführungsform ist diese Fluidverbindung durch ein kapillares Gewebe 23 realisiert, welches zusammen mit dem zweiten Einspannbereich 16 der Pumpenmembran 5 zwischen den beiden Abschnitten 17, 18 des Membrankerns 2 eingeklemmt ist. Dieses kapillare Gewebe 23 ist für das Fluid durchlässig und entwickelt sogar eine Saugwirkung für das Fluid aus dem Volumen 12 in dem Messraum 22. In der dargestellten Ausführungsform ist das kapillare Gewebe 23 in dem zweiten Einspannbereich 16 auf die Sicherheitsmembranlage 7 auflaminiert.
Zwischen dem Einspannbereich 16 und dem Messraum 22 sind zudem in radialer Richtung verlaufende Bohrungen 24 vorgesehen, durch welche das Fluid nach dem Hindurchtreten durch das Kapillargewebe 23 in den Messraum 22 gelangt.
In dem Messraum 22 sind mehrere Elemente eines Sensors angeordnet. Diese Elemente sind zum Einen ein Streifen Lackmuspapier 25, welcher auf einem Wandabschnitt 26 des Messraums 22 befestigt ist. Zudem ist der Messraum auf der dem Wandabschnitt 26 gegenüberliegenden Seite mit Hilfe einer Kollimatorlinse 27 aus Kunststoffmaterial abgedeckt. Die Kollimatorlinse 27 bewirkt eine Abdichtung des Messraums 22 zur Schubstange 4" hin.
Die Schubstange 4" weist einen optischen Lichtleiter 28 auf. Dieser dient dazu, Licht, d.h. elektromagnetische Strahlung, zum Membrankern 2 und damit zu dem Messraum 22 hin und von diesem wieder zurück in den Bereich des Pumpenantriebs zu leiten. Das in dem membrankernseitigen Ende der Schubstange 4" mündende Ende 29 des Lichtleiters 28 ist mit Hilfe eines transparenten Schutzglases 30 aus Kunststoff gegen mechanische Einwirkungen und Schmutz geschützt. Die Schubstange 4" ist in das dafür vorgesehenen Gewinde 3 des Membrankerns 2 eingeschraubt.
Am antriebsseitigen Ende der Schubstange 4" ist der Lichtleiter 28 derart mit einer Quelle für elektromagnetische Strahlung, hier einem Diodenlaser, und einem Detektor verbunden, dass von dem Laser generiertes Licht in den Lichtleiter 28 eingekoppelt und zu dem Messraum 22 hingeleitet wird. Licht, welches aus dem Messraum 22 zurück in den Lichtleiter 28 reflektiert wird, wird von dem Detektor erfasst.
Die Kollimatorlinse 27 dient neben ihrer abdichtenden Wirkung für den Messraum 22 der Kollimation von aus dem Lichtleiter 28 austretender elektromagnetischer Strahlung und der Fokussierung von an dem Wandabschnitt 26 reflektierter Strahlung zurück in den Lichtleiter 28. Tritt Fluid durch einen Membranbruch in den ersten beiden Membranlagen 6, 8 der Pumpenmembran 5 aus und wird in dem Volumen 12 aufgefangen, so gelangt dieses Fluid durch das kapillare Gewebe 23 in den Messraum 22. Dort wird der auf der Wand 26 aufgebrachter Lackmuspapierstreifen 25 von dem Fluid benetzt. Durch das Inkontaktbringen des Lackmuspapierstreifens 25 mit dem Fluid wechselt dieser seine Farbe. Diese Farbänderung bewirkt auch eine Intensitätsänderung der von dem Lackmuspapierstreifen 25 zurück in den Lichtleiter 28 reflektierten elektromagnetischen Strahlung. Diese Intensitätsänderung wird mit Hilfe des Detektors erfasst. Da der Detektor mit einer Mikroprozessorsteuerung verbunden ist, lässt sich das Signal des Detektors auswerten und gegebenenfalls dem Benutzer der Pumpe ein Membranbruch signalisieren.
Bezugszeichenliste

1: Membraneinheit
2: Membrankern
3: Gewinde als Aufnahme für die Schubstange 4, 4', 4"
4, 4', 4": Schubstange
5: Pumpenmembran
6: Arbeitsmembranlage
7: Sicherheitsmembranlage
8: Kautschukmembranlage
9: erster (äußerer) Einspannbereich
10, 11: Dichtungswulste
12: Volumen
13: Elektroden
14, 14': Signalleitung
15: Auswerteeinrichtung
15': Laser, Detektor und Auswerteeinrichtung
16: zweiter (innerer) Einspannbereich
17: erster Abschnitt des Membrankerns 2
18: zweiter Abschnitt des Membrankerns 2
19: Gewinde zwischen erstem und zweitem Abschnitt 17, 18 des Membrankerns 2
20: O-Ring-Dichtung
21: Sensierungsbereich
22: Messraum
23: kapillares Gewebe
24: Bohrungen
25: Lackmuspapier
26: Wandabschnitt
27: Kollimatorlinse
28: Lichtleiter
29: Ende des Lichtleiters 28
30: Schutzglas

Claims

Membraneinheit (1) für eine Membranpumpe mit einem Membrankern (2), der eine Aufnahme (3) für eine Schubstange (4, 4', 4") eines Pumpenantriebs aufweist, und einer mehrlagigen, mit dem Membrankern (2) verbundenen Pumpenmembran (5), wobei die Pumpenmembran (5) aufweist eine fluidundurchlässige Arbeitsmembranlage (6), die im Betrieb der Membranpumpe mit einem von der Membranpumpe zu fördernden Fluid in Kontakt kommt, und eine fluidundurchlässige Sicherheitsmembranlage (7), ein abgedichtetes Volumen (12) zur Aufnahme eines durch die Arbeitsmembranlage tretenden Fluids, das zwischen der Arbeitsmembranlage (6) und der Sicherheitsmembranlage (7) angeordnet ist, und einen ersten Einspannbereich (9), mit dem die Pumpenmembran (5) in einer Aufnahme der Membranpumpe aufnehmbar ist, wobei der erste Einspannbereich (9) einen Ring bildet, der den Membrankern (2) ringförmig umgibt, sodass zwischen dem ersten Einspannbereich (9) und dem Membrankern (2) ein ringförmiger, im eingebauten Zustand der Membraneinheit (1) elastisch verformbarer Bereich ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des von dem ersten Einspannbereich (9) gebildeten Rings zumindest ein Element (13, 27, 25) eines Sensors zum Erfassen eines Fluids vorgesehen ist, wobei der Sensor derart ausgestaltet und eingerichtet ist, dass er im Betrieb der Membranpumpe ein Eindringen eines Fluids in das abgedichtete Volumen (12) der Pumpenmembran (5) erfasst.
Membraneinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Membrankern (2) einen Messraum (22) aufweist, wobei der Membrankern (2) und die Pumpenmembran (5) so ausgestaltet sind, dass der Messraum (22) des Membrankerns (2) und das abgedichtete Volumen (12) der Pumpenmembran (5) in Fluidverbindung miteinander stehen, und wobei in dem Membrankern zumindest ein Element (27, 25) eines Sensors zum Erfassen eines Fluids vorgesehen ist.
Membraneinheit (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem abgedichteten Volumen (12) der Pumpenmembran (5) und dem Messraum (22) des Membrankerns (2) ein Fluidkanal (23, 24) vorgesehen ist.
Membraneinheit (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidkanal eine fluiddurchlässige Struktur, vorzugsweise ein fluiddurchlässiges oder kapillares Gewebe (23) aufweist, wobei die fluiddurchlässige Struktur zwischen der Arbeitsmembranlage (6) und der Sicherheitsmembranlage (7) angeordnet ist.
Membraneinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitsmembranlage (7) einen zweiten Einspannbereich (16) aufweist, wobei die Sicherheitsmembranlage (7) in dem zweiten Einspannbereich (16) mit dem Membrankern verbunden ist, wobei der Membrankern (2) einen Fluidkanal (24) aufweist, der so ausgestaltet ist, dass er den Messraum (22) in dem zweiten Einspannbereich (16) mit dem Fluidkanal (23) der Pumpenmembran (5) verbindet.
Membraneinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein optischer Sensor ist, der so eingerichtet ist, dass er eine Änderung einer optischen Eigenschaft in dem Messraum (22) erfasst.
Membraneinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messraum (22) zu der Aufnahme (3) für die Schubstange (4, 4', 4") hin offen ist oder zu dieser hin mit einem für elektromagnetische Strahlung transparenten Materialabschnitt (27) fluiddicht abgeschlossen ist.
Membraneinheit (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein der Aufnahme (3) für die Schubstange (4, 4', 4") gegenüberliegender Wandabschnitt (26) des Messraums (22) für elektromagnetische Strahlung diffus reflektierend ist.
Membraneinheit (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an einem der Aufnahme (3) für die Schubstange (4, 4', 4") gegenüberliegenden Wandabschnitt (26) des Messraums (22) ein Fluidindikator mit einer optischen Eigenschaft angeordnet ist, wobei sich die optische Eigenschaft ändert, wenn der Fluidindikator (25) mit einem Fluid in Kontakt gebracht wird.
Membraneinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Drucksensor ist, der vorzugsweise einen Druckschalter oder einen Dehnungsmessstreifen aufweist, wobei ein Element des Drucksensors in dem Membrankern (2) angeordnet ist, und wobei der Drucksensor so eingerichtet ist, dass er im Betrieb der Membraneinheit (1) einen Fluiddruck in dem Messraum (22) erfasst.
Membraneinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Leitfähigkeitssensor ist, der so angeordnet und eingerichtet ist, dass er eine Leitfähigkeitsänderung in dem Messraum (22) erfasst.
Membranpumpe mit einer Membraneinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Einspannbereich (9) der Pumpenmembran (5) in einer dafür vorgesehenen Aufnahme aufgenommen ist, so dass die Pumpenmembran (5) ein Fördervolumen der Pumpe abdichtet und der Membrankern (2) der Membraneinheit (1) mit einer Schubstange (4, 4', 4") eines Pumpenantriebs verbunden ist.
Membranpumpe nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische (14,14') oder optische Signalleitung (28) durch die oder an der Schubstange (4, 4', 4") zu einem Messraum (22) des Membrankerns (2) geführt ist.
Membranpumpe nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schubstange (4, 4', 4") ein Lichtleiter (28) vorgesehen ist, der den Messraum (22) an einem Ende der Schubstange (4, 4', 4") mit einer Anordnung aus einer Quelle für elektromagnetische Strahlung und einem Detektor für die elektromagnetische Strahlung an einem gegenüberliegenden Ende der Schubstange (4, 4', 4") verbindet.
Membranpumpe nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das mit dem Membrankern (2) verbundene Ende der Schubstange (4, 4', 4") mit einer transparenten Abdeckung (30) versehen ist, die eine Verunreinigung oder Beschädigung des Lichtleiters (28) verhindert.
Membranpumpe nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranpumpe eine Auswerteeinrichtung (15) aufweist, welche elektrisch mit dem Sensor verbunden ist, wobei die Auswerteeinrichtung (15) so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb der Membranpumpe einen Membranbruch erfasst und vorzugsweise den Membranbruch signalisiert.