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Die
Erfindung betrifft eine Vierkammermembranpumpe, bestehend aus zwei
um 90° versetzten Doppelmembranpumpen,
die jeweils ein Paar gegenüberliegend
angeordneter Pumpenkammern wenigstens mit einer Arbeitskammer und
einer Steuerkammer aufweisen, die durch eine Membran voneinander getrennt
sind,
wobei die gegenüberliegenden
Membrane jeder Doppelmembranpumpe über eine axial verschiebbar gelagerte
Stange miteinander verbunden und gleichzeitig über einen gemeinsamen Antrieb
betätigbar sind,
und
wobei die Gehäuse
der Doppelmembranpumpen jeweils zwei Pumpenkammerflansche und eine
dazwischen liegende Quertraverse aufweisen, die jeweils beabstandet
zu den zentral positionierten Stangen angeordnet sind, und so ineinander
verschränkt zusammengesetzt
sind, dass die Quertraversen sich beabstandet gegenüber liegen.
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In
der PCT/WO 97/4680 A1 ist eine Druckübertragungseinrichtung offenbart,
in der vier Kammern mit Membranen angeordnet sind, wobei jeweils die
Membranen zweier gegenüberlie gender
Kammern über
eine gemeinsame Stange verbunden sind. Die Stangen dienen zugleich
dem Schließen
und Öffnen
von Ventilwegen und sind nicht mit einer Antriebseinrichtung gekoppelt.
Eine Verwendung als Pumpe, ist nicht offenbart. Alle Kammern sind
mehrfach miteinander verbunden und wirken zusammen. Ein Ausfall
einer Kammer führt
daher auch zu Störungen
der anderen Kammern. Im Wartungsfall muss die gesamte Einrichtung
zerlegt werden.
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Weiterhin
ist aus
DE 30 42 328
C2 eine Pumpe bekannt, bei der vier Membrankammern um ein Zentrum
herum gleichförmig
angeordnet sind. Die gegenüberliegenden
Membranen sind jeweils über eine
Stange miteinander verbunden. Die Stangen sind ihrerseits über eine
Exzentereinrichtung so verbunden, daß in jeder Stellung eine definierte
Lage zueinander gegeben ist. Die vorgeschlagene Drehschiebereinrichtung
zur Beaufschlagung der Pumpe mit dem Arbeitsmedium Druckluft verursacht
in der Praxis große
Probleme bei der Abdichtung. Alle vier Pumpenkammern sind in einem
Gehäuse
angeordnet und fest miteinander verbunden.
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Eine
Vierkammermembranpumpe der eingangs genannten Art ist Gegenstand
der des Patents
DE 101 33 349 ,
auf deren Inhalt vollumfänglich
Bezug genommen wird, und hat sich bewährt. Sie ist aus zwei nahezu
identischen U-förmigen
Doppelmembranpumpen aufgebaut. Beim Ausfall einer der Doppelmembranpumpen
ist eine Reparatur innerhalb kürzester
Zeit möglich,
indem die defekte Doppelmembranpumpen von der noch intakten abgenommen
und gegen eine neue Doppelmembranpumpe ausgetauscht wird. Hierzu
sind lediglich wenige Verbindungen zwischen den Gehäusen zu
lösen,
sowie die Zuführleitungen
zu den Ansaug- und Ausstoßkanälen an den
Pumpenkammern umzuklemmen. Eine Instandsetzung und Überprüfung kann einfach vorgenommen
werden, da jede der Doppelmembranpumpe für sich funktionsfähig ist.
Zu Testzwecken oder im Notbetrieb kann jede Hälfte der erfindungsgemäßen Vierkammermembranpumpe
für sich
betrieben werden. Die pulsationsfreie Förderung wird durch die insgesamt
vier zeitlich zueinander versetzten Arbeitstakte der 2 × 2 Pumpenkammern
erreicht.
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Die
Pumpe kann eine Pneumatiksteuerungsvorrichtung für den Druckluftbetrieb umfassen
oder über
einen Elektromotor, der eine Kurbelwelle antreibt, angesetzt werden.
Die geschilderten Ausführungsformen
können
auch kombiniert werden, so dass die Pumpe wahlweise mit einem an
die Kurbelwelle angekoppelten Elektromotor oder im Pneumatikantrieb
betrieben werden kann. Damit steht es dem Anwender frei, je nach
Umgebungsbedingungen die Vorteile der einen oder anderen Antriebsart
zu nutzen. Bei wahlweiser Ausstattung mit einem mechanischen oder
einem pneumatischen Antrieb ist es sogar möglich, auch beide Antriebsarten
einsatzbereit nebeneinander vorzusehen.
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Vorteilhaft
ist die doppelte Eignung für
den Motor- und den Pneumatikbetrieb auch insofern, als ein angeflanschter
Motor, der über
eine Freilaufkupplung verfügt,
auch im Pneumatikbetrieb montiert bleiben kann. Sobald eine geeignete
Störungsüberwachung
der Pneumatiksteuervorrichtung Störungen feststellt, kann der
Elektromotor angefahren und eingekuppelt werden. Über an sich
bekannte Motorregelungen ist ein Sanftanlauf möglich, bis der Motor die Drehzahl
der Kurbelwelle erreicht hat. Anschließend wird der Motor eingekuppelt
und der die Pneumatiksteuervorrichtung abgestellt. Damit ist ein Übergang vom
Pneumatik- in den Elektromotorbetrieb während der laufenden Förderung
möglich.
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Ferner
ist es möglich,
bei Störungen
an der erfindungsgemäßen Vierkammermembranpumpe die
Pumpe zu Diagnosezwecken mit der jeweils anderen Antriebsart zu
betreiben, also eine vorwiegend pneumatisch betriebene Pumpe mit
einem Elektromotor oder umgekehrt. Der Druckverlauf ist in der bekannte
Vierkammermembranpumpe bei pneumatischem Antrieb allerdings ungleichmäßig.
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Aufgabe
der Erfindung ist es somit, die Strömungsverhältnisse in der bekannten Vierkammermembranpumpe
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs
3 zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vierkammermembranpumpe mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 3 gelöst.
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Durch
die Ausbildung der Pumpenkammerdeckel bei der Lösung nach Anspruch 1 werden
die Strömungsverhältnisse
insgesamt verbessert.
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Bei
der Lösung
gemäß Anspruch
3 wird ein Elektromotor mit frei laufendem Rotor als Schwungmasse
für den
Pneumatikbetrieb an einen der Antriebszapfen der Vierkammerpumpe
angekoppelt. Hierdurch werden die Strömungsverhältnisse insbesondere im Pneumatikbetrieb
verbessert. Es kann damit einerseits ein gedämpfter Anfahrvorgang der pneumatisch
betriebenen Pumpe erreicht werden wie auch ein konstanter Förderstrom
bei kurzzeitigen Druckabfällen
in der Steuerdruckluft.
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Die
Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Die
Figuren zeigen im Einzelnen:
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1 eine
teilweise geschnittene Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vierkammermembranpumpe;
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2 eine
teilweise geschnittene Draufsicht auf die Vierkammermembranpumpe;
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3 eine
einzelne Doppelmembranpumpe von der Seite im Schnitt;
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4 eine
Draufsicht auf eine einzelne Doppelmembranpumpe;
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5 den
Kurbeltrieb und die Pneumatiksteuerungsvorrichtung im Detail;
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6 die
Pneumatiksteuerungsvorrichtung in Draufsicht;
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7a, 7b die
Gehäuse
zweier U-förmiger
Doppelmembranpumpen vor und nach dem Zusammenbau; und
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8a die Gehäuse zweier H-förmigen Doppelmembranpumpen
vor dem Zusammenbau.
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Die
erfindungsgemäße Vierkammermembranpumpe
ist, wie in 7a, 7b und 8 dargestellt,
aus zwei Doppelmembranpumpen 100; 200 aufgebaut
und besitzt vier Pumpenkammern.
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Die
Doppelmembranpumpen 100; 200 haben als Basis ein
Gehäuse 101; 201,
das jeweils im wesentlichen aus zwei beabstandet gegenüberliegend
angeordneten Pumpenkammerflansche 101.1, 101.2 bzw. 201.1; 201.2,
die hier vereinfacht als Quader dargestellt sind, und einer diese
verbindenden Quertraverse 101.3 bzw. 201.3 besteht.
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Die
Gehäuse 101; 201 der
Doppelmembranpumpen 100 und 200 sind vorzugsweise
identisch ausgebildet; die hier verwendeten unterschiedlichen Bezugszahlen
dienen zur besseren Ori entierung der Lage der Baugruppen bei der
zusammengesetzten Vierkammermembranpumpe.
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Die
Gehäuse 101; 201 sind
in einer Ausführungsform,
die in 7a und 7b dargestellt
ist, U-förmig
ausgebildet, wobei die Quertraversen 101.3; 201.3 außen bündig mit
den Kanten der Pumpenkammerflansche 101.1, 101.2; 201.1; 201.2 abschließen.
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Die
Gehäuse 101', 201' können aber
auch H-förmig
mit einer in einem mittleren Bereich der Pumpenkammerflansche 101.1, 101.2; 201.1; 201.2 angesetzten
Quertraverse 101.3; 201.3 ausgebildet sein, vgl. 8.
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Die
beiden Doppelmembranpumpen 100; 200 werden, wie
in 7a und 8 gezeigt, so ineinander verschränkt zusammengesetzt,
dass die Quertraversen 101.3; 201.3 sich im montierten
Zustand, der in 7b wieder gegeben ist, beabstandet gegenüber liegen
und die Pumpenkammern 101.1, 101.2; 201.1; 201.2 jeweils
um 90° versetzt
zueinander angeordnet sind.
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In 2 ist
die erfindungsgemäße Vierkammerpumpe
in einer Draufsicht dargestellt, wobei alle Pumpenkammern etwa auf
halber Höhe
geschnitten dargestellt sind und die oben liegende Quertraverse 101.3 des
Gehäuses 101 zur
besseren Übersichtlichkeit
nicht dargestellt ist.
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In
den Pumpenkammerflanschen 101.1, 101.2 des Gehäuses 101 ist
eine Verbindungsstange 102 und in den Pumpenkammerflanschen 201.1; 201.2 des
Gehäuses 201 eine
Verbindungsstange 202 verschiebbar gelagert, an deren Enden
jeweils eine Membran 103; 203 in Membrantellern 105; 205 befestigt
ist. Die Membrane 103; 203 sind an ihrem äußeren Rand
mit einer Wulst im Gehäuse 101; 201 eingespannt,
und zwar vorzugsweise zwischen den Pumpenkammerflanschen 101.1, 101.2; 201.1; 201.2 des
Gehäuses 101; 201 und
den darauf von außen
aufgesetzten Pumpenkammerdeckeln 104; 204. Damit
bilden sich eine Arbeitskammer 123; 223 und eine
Steuerkammer 124; 224 aus. In den Arbeitskammern 123; 223 wird
mit dem Hub der Membranen 103; 203 ein Medium
an einem tangential an der Arbeitskammer 123; 223 angeordneten
Saugkanal 104.1; 204.1 angesaugt und an einem
ebenso tangential dort angeordneten Ausstoßkanal 104.2; 204.2 wieder
abgegeben.
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Um
die Strömungsverhältnisse
in den Arbeitskammern 123; 223 und demzufolge
die Pumpwirkung der erfindungsgemäßen Vierkammermembranpumpe
zu optimieren, weisen die Pumpenkammerdeckel 104; 204 vorzugsweise
zwischen den Saug- und Ausstoßkanälen 104.1, 104.2; 204.1; 204.2 einen
zentralen konvexen Bereich 104.3; 204.3 auf, der
bei der zusammengebauten Pumpenkammer in die Arbeitskammer 123; 223 hineinragt.
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An
den Saugkanälen 104.1; 204.1 und
den Ausstoßkanälen 104.2; 204.2 sind
jeweils Ventile 111 (vgl. 1) vorgesehen,
so dass beim Ansaugen des Mediums über den Saugkanal 104.1; 204.1 dieser geöffnet und
der Ausstoßkanal 104.2; 204.2 geschlossen
wird. Beim Ausstoßhub
der Membrane 103; 203 werden die Ventile 111 dann
umgekehrt geschlossen bzw. geöffnet.
Die Saug- und Ausstoßkanäle 104.1, 104.2; 204.1; 204.2 sind über Sammelleitungen 119 miteinander
verbunden.
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Die
Verbindungsstange 102 der ersten Doppelmembranpumpe 100 und
die Verbindungsstange 202 der zweiten Doppelmembranpumpe 200 sind
jeweils mit einem Gabelelement 108; 208 und ei nem Pleuel 109; 209 mit
einer fliegend gelagerten Kurbelwelle verbunden.
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Im
zusammengesetzten Zustand der erfindungsgemäßen Vierkammermembranpumpe
kreuzen sich die Verbindungsstangen 102; 202 in
der Darstellung der 2. Um eine Verschiebung der Verbindungsstangen 102; 202 zu
ermöglichen,
sind diese aber jeweils Ebenen angeordnet, die übereinander liegen.
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Möglich ist
auch, eine der Verbindungsstangen mit einem U-förmigen
Umgehungsabschnitt zu versehen und so eine der Verbindungsstangen
um die andere herum zu führen.
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Zum
Antrieb der Vierkammermembranpumpe ist in einer bevorzugten Ausführungsform
ein motorischer, insbesondere elektromotorischer Antrieb vorgesehen.
Um die rotatatorische Bewegung des Motors in eine translatorische
Bewegung der Verbindungsstangen 102; 202 umzusetzen,
ist an den Verbindungsstangen 102; 202 jeweils
ein Pleuel 109; 209 schwenkbar angeordnet, das
in einen exzentrisch rotierenden Kurbelzapfen 110.4; 210.4 einer Teilkurbelwelle 110; 210 eingreift.
Dieser Kurbelmechanismus ist am Beispiel einer einzelnen Doppelmembranpumpe 100 oder 200 in 4 dargestellt.
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Wie
insbesondere 5 zeigt, weisen die Teilkurbelwellen 110; 210 jeweils
wenigstens einen Kurbelzapfen 110.4; 210.4 auf,
der über
eine Kurbelwange 110.3; 210.3 mit einem Lagerabsatz 110.2; 210.2 verbunden
ist. Die Teilkurbelwellen 110; 210 sind an den
Lagerabsätzen 110.2; 210.2 drehbar
in der jeweiligen Quertraverse 101.3; 201.3 gelagert.
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Vorzugsweise
fluchten die Lagerabsätze 110.2; 210.2 und/oder
die Kurbelzapfen 110.4; 210.4 der beiden Teilkur belwellen 110; 210.
Dabei zeigen die Kurbelzapfen 110.4; 210.4 zueinander
und sind mit einem Kupplungselement 14 drehfest miteinander
verbunden. Das Kupplungselement 14 kann elastische Elemente
aufweisen, um Drehmomentspitzen zu dämpfen.
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Jede
Teilkurbelwelle 110; 210 kann einen Antriebsabsatz 110.1; 210.1 aufweisen,
so dass ein Motor wahlweise oben oder unten an der erfindungsgemäßen Vierkammermembranpumpe
angesetzt werden kann, wie 1 zeigt.
Außerdem
können
die Teilkurbelwellen 110; 210 beider Doppelmembranpumpen 100; 200 identisch
ausgebildet sein, wodurch Fertigungs- und Lagerhaltungskosten reduziert werden.
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An
den Verbindungsstangen 102; 202 sind Gabelelemente 108; 208 befestigt,
beispielsweise formschlüssig über Klemmvorrichtungen. Über Bolzen 107; 207 sind
die Pleuel 109; 209 mit den Gabelelementen 108; 208 schwenkbar
verbunden. Die Pleuel 109; 209 sind außerdem mit
den Kurbelzapfen 110.4; 210.4 der Teilkurbelwellen 110; 210 verbunden.
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Die
Verbindung der beiden Pumpen über
die Pleuel 109; 209 an den Kurbelzapfen 110.4; 210.4 ist derart,
dass der Aushub der vier Arbeitskammern 123; 223 der
erfindungsgemäßen Vierkammermembranpumpe
in einem Versatz von ca. 90° zueinander erfolgt,
so dass sich insgesamt vier gleich lange Arbeitstakte ergeben. Dabei
sind die Verbindungsstangen so miteinander gekoppelt, dass in einem
Arbeitstakt stets nur in einer Pumpenkammer ein Ausstoßhub bewirkt
wird. In der verbundenen Pumpenkammer derselben Doppelmembranpumpe
wird gleichzeitig ein maximaler Ansaughub bewirkt, während in der
gekoppelten zweiten Doppelmembranpumpe jeweils der Ansaug- bzw.
Ausstoßhub
nur etwa zur Hälfte
ausgeführt
ist.
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Die
Pulsation des geförderten
Mediums ist damit gegenüber
einfachen Doppelmembranpumpen erheblich reduziert.
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Weiterhin
kann die erfindungsgemäße Vierkammermembranpumpe
anstelle eines Motors, der an der Kurbelwelle angreift, mit Druckluft
betrieben werden, was beispielsweise in einer explosionsgefährdeten
Umgebung vorteilhaft ist.
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Hierzu
ist eine in den 5 und 6 detailliert
dargestellte Pneumatiksteuerungsvorrichtung vorgesehen, die wenigstens
zwei Druckventile 117; 217 mit Rollenstößeln 118; 218 und
eine Kurvenscheibe 16 umfasst. Die Kurvensscheibe 16 ist
an einem der Antriebszapfen 110.1; 210.1 einer
der Teilkurbelwellen 110; 210 drehfest angeordnet.
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Wie
insbesondere 6 zeigt, werden die Druckventile 117; 217 über Rollenstößel 118; 218, welche
an die Außenkontur
der Kurvenscheibe 16 angepresst werden, betätigt.
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Die
Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vierkammermembranpumpe
im Pneumatikbetrieb sei nachfolgend erläutert: Die Ventile 117; 217 sind über Druckgaskanäle 122 (vgl. 1)
mit den vier Steuerkammern 124; 224 verbunden
und werden umlaufend mit Druckgas, insbesondere Druckluft, beaufschlagt.
In der jeweils druckbeaufschlagten Steuerkammer 124; 224 wird
die Membran 103; 203 in Richtung der Arbeitskammer 123; 223 gedrückt, wodurch
in der betreffenden Kammer ein Ausstoßhub bewirkt wird. Zugleich
wird die jeweils andere Membran der gegenüberliegenden Pumpenkammer über die
Verbindungsstange 102; 202 zurück in die Steuerkammer bewegt,
so dass an der zugehörigen
Arbeitskammer auf der gegenüberliegenden
Seite ein Ansaughub bewirkt wird.
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Die
Umschaltung der Druckventile 117; 217 erfolgt über die
Kurvenscheibe 16, wenn sich die Membrane 103; 203 etwa
in ihren Umkehrlagen befinden. Der genaue Schaltpunkt kann dabei
genau in den Umkehrlagen oder kurz vor bzw. nach dem Erreichen der
Umkehrlagen sein.
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Im
Pneumatikbetrieb kann die mechanische Kopplung der Doppelmembranpumpen 100; 200 über die
Kupplung 14 an den Teilkurbelwellen 110; 210 erhalten
bleiben, so dass die Hubabfolge aller vier Pumpenkammern nicht nur
durch die Kurvenscheibe und die Druckventile 117; 217 gesteuert
wird, sondern auch mechanisch eindeutig festgelegt ist. Es wird
damit gewährleistet,
dass auch bei Störungen
in der Druckluftzufuhr die beiden Doppelmembranpumpen 100; 200 synchronisiert
sind. Verhindert wird so beispielsweise, dass im Störungsfall
bei beiden Doppelmembranpumpen 100; 200 zugleich
ein Arbeitshub ausgeführt
wird, durch den während
der Störung eine
starke pulsierende Strömung
im geförderten Medium
auftreten würde.
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Der
reine Motorantrieb stellt sich wie folgt dar:
Die Abtriebswelle
eines Motors wird über
eine geeignete Kupplung mit einem der Antriebsabsätze 110.1; 210.1 der
Teilkurbewellen 110; 210, die sich zu einer an
zwei Lagerstellen gelagerten Kurbelwelle mit einem gemeinsamen Kurbelzapfen
ergänzen,
verbunden. Rotieren die Teilkurbewellen 110; 210,
so werden über
die Kurbelzapfen 110.4; 210.4 die Pleuel 109; 209 bewegt,
die mit ihrer Bewegung auch eine Hubbewegung parallel zu den Verbindungsstangen 102; 202 vollziehen.
Diese Hubbewegung wird über die
Bolzen 107; 207 auf die Gabelelemente 108; 208 und
darüber
auf die Verbindungsstangen 102; 202 übertragen.
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Die
Kopplung der beiden Pleuel 109; 209 erfolgt derart,
dass immer dann, wenn die Verbindungsstange 102 an einem
Umkehrpunkt angelangt ist, die andere Verbindungsstange etwa eine
Position in der Mitte ihres maximalen Hubweges einnimmt. Somit ergeben
sich auch beim Motorantrieb über
die Kurbelwelle nacheinander vier einzelne Hubbewegungen und eine
pulsationsarme Strömung
des geförderten Mediums.