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Die
Erfindung betrifft einen Pumpraum zur Optimierung der Gasströmung innerhalb
eines Membrankompressors.
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Membrankompressoren
arbeiten ähnlich
wie normale Kolbenkompressoren, jedoch mit einer trennenden Membrane
zwischen der Gasseite und der Ölseite.
Die Ölseite
wird durch die übliche
Kolben-Zylindereinheit gebildet, deren Arbeits- und Tot-Volumen
voll mit Öl
gefüllt
sind. Auf der Gasseite befinden sich die Gas-Saug- und Druckventile.
Durch die oszillierende Bewegung des Kolbens wird das durch ihn verdrängte Volumen
auf die Membrane übertragen, die
dann ihrerseits das Ansaugen, die Verdichtung und das Ausschieben
des Gases übernimmt.
Da der Öldruck
während
des gesamten Hubes dem Saug- und Kompressionsdruckverlauf der Gasseite
entspricht, kann man hier auch von der Arbeitsweise eines Kolbenkompressors
sprechen.
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Ein
geringfügiger
Unterschied zum Kolbenkompressor besteht jedoch darin, daß beim Membrankompressor
noch ein Sekundärölkreislauf
installiert werden muß,
um das Lecköl
des Kolbens ausgleichen zu können.
Zu diesem Zweck wird eine Kompensationspumpe, angetrieben über einen
Exzenter auf der Kurbelwelle, verwendet. Diese spritzt somit synchron
mit jedem Kolbenhub eine kleine Ölmenge
in den Ölraum
des Kompressors. Diese Menge muß theoretisch
genau so groß sein,
wie die Leckage am Kompressorkolben. Da sich dieses technisch nicht
realisieren läßt, wird
stets eine eingespritzte Ölmenge
verwendet, die größer ist,
als die der Leckage. Das hat wiederum zur Folge, daß mit jedem
Hub des Kompressorkolbens etwas zu viel Öl sich im Ölraum befindet, welches dann
im vorderen Totpunkt der Membrane (= Anlage am Deckel) zu einem
unkontrollierbaren Öldruckanstieg
führen
würde.
Um dieses zu verhindern, muß noch
ein Ölüberströmventil
hinzugefügt
werden, welches den Öldruck
im vorderen Totpunkt des Kolbens auf einen Wert begrenzt, der geringfügig über dem
Maximaldruck des Gases liegt.
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Die
Kurvenform als Anlage der Membrane am Deckel ist nach rein mathematischen
Erfordernissen geformt, um die unter dem Druck sich verformende
Membrane von außen
nach innen auf ihrer Oberfläche
abrollen zu lassen. Im weitesten Sinne, im Vergleich mit einem Kolbenkompressor,
arbeitet die Membrane als Kolben und die Deckeloberfläche als Zylinder.
Das Problem besteht jedoch dann, daß die fortschreitende Dichtwirkung
zwischen Membrane und Deckel nicht derjenigen entspricht, wie sie
zwischen dem Kolben mit seinen Kolbenringen und der Zylinderwandung
besteht. Es können
sich zwischen der Membrane und der Deckeloberfläche örtliche Gaspolster ausbilden,
die sowohl den schädlichen Raum
vergrößern, als
auch die Standzeit der Membrane herabsetzen. Diese örtlichen
Gaspolster wirken wie abgedichtete Inseln und lassen sich nicht,
auch nicht durch einen überhohen Öldruck,
entfernen.
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Die
in den Schriften
DE-AS
1 132 285 und
DE-AS
1 653 465 dargestellten Membrankompressoren weisen keine
Konstruktionsmerkmale auf, die einen gezielten Strömungsverlauf
erkennen lassen, um der örtlichen
Polsterbildung zwischen Membran und Deckeloberfläche entgegenzuwirken.
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Neben
einer Gestaltungsoptimierung der Strömung auf der Ölseite (
DE 100 56 708 C1 )
existieren auch noch Massnahmen zur Verbesserung des Gasabflusses
aus den sich zwischen Deckeloberfläche und der Membrane sich bildenenden
Gaspolstern. Diese bestehen aus radial angeordneten kleinen Nuten,
die sternförmig
vom äusseren
Kurvenbereich kommend, in die Sieblöcher der Druckventilzuganges
im Zentrum des Deckels führen.
Dieses sternförmig
angeordnete Nutenbild garantiert jedoch nicht ein bestimmtes Einzugsgebiet,
aus dem Gaspolster noch sicher abgeleitet werden können. Es
gibt immer wieder Gasnester, die durch die glatten Oberflächen von
Deckelkurve und Membranen gegenüber dem
Nachbarbereich hermetisch abgedichtet werden. Auch dann, wenn sich
im Nachbarbereich die beschriebenen Nuten befinden. Der Hinzufügung einer
grösseren
Anzahl von radial angeorneten Nuten stehen jedoch die Vergrösserung
des schädlichen Raumes
und die hohen Herstellkosten entgegen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, welches die genannten
Nachteile beseitigt aber dennoch durch die Aufhebung des Dichteffektes
zwischen der glatten Deckelkurve und der Membrane die inneren Polsterbildung
stark reduziert, bzw. aufhebt.
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In
der
DE 12 74 445 A ist
eine Membran-Flüssigkeitspumpe
beschrieben, bei der die Deckeloberfläche mit einer Anzahl kleiner
Hohlräume versehen
wird und diese am Ende des Membranhubes durch die anliegende Membrane
voeinander getrennt werden. Diese Methode ist aber nur bei Membran-Flüssigkeitspumpen
mit Feststoffanteilen innerhalb der Förderflüssigkeit von Vorteil.
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Gelöst wird
die Aufgabe durch eine mittels Kugelstrahlen erzeugte genarbte Oberfläche der
Deckelkurve.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden
näherbeschrieben.
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1 zeigt einen kompletten
Membrankopf in der Ausführung
nach dem Stand der Technik.
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2 zeigt die Anordnung der
Nuten im Deckel nach dem Stand der Technik.
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3 zeigt die Oberflächenstruktur
der Deckelkurve, wie sie nach der Kugelstrahlbehandlung ausgebildet
ist.
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Die
Hauptbestandteile eines Membrankompressors bestehen gemäß 1 aus dem Flansch mit Zylinder
(1), dem Deckel (2), der Lochplatte (3),
der Membrane (4), dem Kolben (5), den Ventilen
Saug (6) und Druck (7), dem Rückschlagventil (8)
und dem Ölüberströmventil
(9). Das mit Ölraum
bezeichnete Volumen erstreckt sich zwischen dem Kolben (5)
und der Membrane (4). Das mit Gasraum bezeichnete Volumen
erstreckt sich von der Membrane (4) bis zum Deckel (2).
Das Membranhubvolumen ist auf das Kolbenhubvolumen (Fläche × Hub) abgestimmt, so
daß die
Wirkungsweise der eines Kolbenkompressors entsteht. Die Membrane
läuft volumensynchron mit
dem Kolben, saugt das Gas über
das Saugventil (7) an, verdichtet es und schiebt es durch
das Druckventil (6) aus.
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Die Ölleckage
am Kolben (5) muß durch
eine äußere Pumpe
wieder ausgeglichen weiden. Hierzu wird eine durch einen Exzenter
angetriebene kleine Kolbenpumpe verwendet, die mit jedem Hub eine kleine Ölmenge über das
Rückschlagventil
(8) in den Ölraum
spritzt. Dadurch, daß der
Exzenter direkt auf der Kurbelwelle sitzt, findet synchron mit jedem
Hub des Hauptkolbens (5) eine genau dosierte Einspritzung
der Kompensationspumpe statt. Da diese eingespritzte Ölmenge aus
Gründen
der Betriebssicherheit stets größer sein
muß, als
die Leckage am Kolben (5), ist noch ein Ölüberströmventil
(9) erforderlich, welches die zuviel eingespritzte Ölmenge im
vorderen Totpunkt von Kolben (5) und Membrane (4)
abströmen
lassen kann.
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Die
mit jedem Druckhub einhergehende Vorwärtsbewegung des Kolbens (5)
schiebt das Öl
durch die Löcher
der Lochplatte (3) vor die Membrane, die dann ihrerseits
im vorderen Totpunkt des Kolbens vollständig an der Deckeloberfläche anliegt.
Trotz der mathematisch orientierten Deckelkurve, die einen Abwälzvorgang
der Membrane von außen
nach innen begünstigen
soll, kommt es immer wieder vor, daß sich zwischen der Membrane
und der Deckeloberfläche örtliche
Gaspolster bilden. Das durch die Lochplatte strömende Öl wirkt dabei gleichzeitig
in voller Oberfläche
auf die Membrane.
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Das
in 2 dargestellte System
von radial angeordneten Nuten (11) ermöglicht nur einen begrenzten
Abfluss der sich zwischen Deckelkurve und Membrane ausgebildeten
Gaspolster.
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Hauptursachen
dieser Polsterbildung sind die beim Einbau nicht ganz planen Membranen,
sowie die aus Gründen
der Membranstandzeiten verwendeten glatten Oberflächen. Gerade
diese glatten Oberflächen üben das
Prinzip einer metallischen Abdichtung aus, wodurch einmal eingeschlossene
Gasnester kaum noch wegzubekommen sind.
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Die
radial angeordneten Nuten (11) können auch nur für bestimmte
Einzugsbereiche in ihrer unmittelbarer Nähe wirken. Gerade im äußeren Durchmesserbereich
werden die Abstände
zwischen den Nuten schon wieder grösser, in denen sich bereits wieder
eigenständig
abgedichtete Gaspolster bilden können,
die keine Verbindung mit den Nuten aufnehmen können. Eine grössere Anzahl
von Nuten verbietet sich durch den grösser werdenden Totraum ohnehin,
da die Membranverdichter mit höherem
Verdichtungsverhältnis
betrieben werden, als dieses bei Kolbenverdichtern der Fall wäre. Ausserdem
würde diese
Massnahme die Fertigungskosten in die Höhe treiben.
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Die
erfindungsgemässe
Struktur (10) der Deckelkurve zeigt 3. Diese Struktur, durch das Kugelstrahlverfahren
erzeugt, hebt die Dichtwirkung zwischen der Deckelkurve und der
Membrane auf deren gesamter Berührungsfläche auf.
Mit dem Wegfall der Dichtwirkung zwischen Deckelkurve und Membrane
ist eine der Voraussetzungen für
die Polsterbildung nicht mehr gegeben, da das Prinzip der partiellen
Abdichtung nicht mehr greifen kann. Mit dem Wegfall der Nuten entsteht
auch noch ein Kostenvorteil, da es sich bei dem neuen Verfahren
des Kugelstrahlens um ein kostengünstigeres Massenverfahren handelt.
Die hier vorzugsweise eingesetzten Glaskugeln werden in ihrer Aufprallgeschwindigkeit so
eingestellt, dass eine Struktur (10) ähnlich einer Apfelsinenschale
entsteht, die die örtlichen
Spannungsspitzen innerhalb des Membranbleches nicht wesentlich höher ansteigen
lassen, gleichzeitig aber auch keine Dichtwirkung zur Membrane entstehen lässt.