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Die
Erfindung betrifft eine Membranpumpe, insbesondere für aggressive
Medien mit den im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.
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Aus
der Praxis bekannte Bauformen von Membranpumpen sehen einen Arbeitsraum,
eine mit einem Saugventil absperrbare Zulaufleitung zum Arbeitsraum,
eine mit einem Druckventil absperrbare Ablaufleitung vom Arbeitsraum
und eine im Arbeitsraum angeordnete, eine alternierende Saug- und Druckbewegung
vollführende
Membran vor. Bei der Saugbewegung der Membran ist das Saugventil
geöffnet,
sodass der Arbeitsraum mit dem zu fördernden Medium gefüllt wird.
Bei der gegenläufigen
Bewegung der Membran wird das Saugventil gesperrt und das Druckventil
in der Ablaufleitung geöffnet,
sodass das Medium aus dem Arbeitsraum verdrängt wird. Saug- und Druckventile
sind herkömmlicher Weise
als Rückschlag-Ventile ausgeführt.
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Die
Membran selbst ist als flache, zwischen zwei Gehäuseteile eingespannte, elastomere
Scheibe ausgebildet, an der zentral ein Membranstößel angreift.
Dieser ist über
einen Exzenterantrieb quer zur Membranebene auslenkbar, wodurch
der Saug- und Förderhub
der Membran erzeugt wird.
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Ein
Problem bei dieser Pumpenkonstruktion liegt darin, dass die Anbindung
des Membranstößels in
der Regel über
eine metallische Platte erfolgt, mit der die Membran zentral geklemmt
ist. Am Umfang dieser Platte und am radial äußeren, eingespannten Rand kann
es nun bei der Auslenkung der Membran zu punktuellen und damit ungleichmäßigen Belastungen
der Membran kommen, was deren Lebensdauer beschränken kann.
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Ferner
ist die Membran in ihrem Ringbereich zwischen Membranstößel und
randseitiger Einspannung auf der dem Arbeitsraum abgewandten Seite nicht
unterstützt.
Dadurch besteht insbesondere bei einem hohen Gegendruck in der Förderleitung
die Gefahr, dass zwar der Membranstößel einen Förderhub vollführt, die
Membran selbst jedoch in dem Ringbereich so stark gedehnt wird,
dass sie keinen effektiven Förderhub
vollführt.
Die Pumpleistung kann damit erheblich eingeschränkt werden.
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Der
Antrieb der Membran erfolgt beim Stand der Technik ferner auf mechanischem
Wege, wobei der Exzenterantrieb dynamisch bewegte Teile aufweist.
Dies bedeutet, dass derartige Membranpumpen auch im Bereich ihres
Antriebes Verschleißerscheinungen
zeigen können
und insofern zumindest von Zeit zu Zeit einer Wartung bedürfen.
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Dieses
Problem wird insbesondere bei der Förderung aggressiver Medien
relevant, wie sie bei der Überwachung
industrieller chemischer Prozesse beispielsweise zum Transport von
Medien zu einer entsprechenden Messsonde (z. B. pH-Sonden, Leitfähigkeitssensoren
etc.) gehandhabt werden müssen.
In aggressiver Umgebung unterliegen mechanische Bauteile einem deutlich
höheren
Verschleiß.
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Ein
weiterer Pumpentyp, der für
die Förderung
aggressiver Medien grundsätzlich
geeignet ist, sind sogenannte Peristaltikpumpen, bei denen ein elastischer
Schlauch durch eine Walze sukzessive in Längsrichtung gequetscht und
somit das im Schlauch befindliche, zu fördernde Medium verdrängt wird.
Auch bei diesem Pumpentyp sind mechanische Bauteile zur Beaufschlagung
des Schlauches vorhanden, sodass die bei der vorstehend erörterten
Membranpumpe erwähnten
Nachteile hier ebenfalls relevant sind.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, eine Membranpumpe der
eingangs genannten An so weiterzubilden, dass für die Beaufschlagung der Membran
keine dynamisch bewegten mechanischen Teile notwendig sind.
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Diese
Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
Demnach ist die Membran als im Wesentlichen schlauchförmiges Elastomerteil
ausgebildet, wobei der Arbeitsraum der Pumpe auf ihrer Außenseite
angeordnet ist. Der fluiddichte Innenraum der Membran kann mit einem
Arbeitsfluid derart alternierend beaufschlagt und entlastet werden,
dass die Membran durch eine Fluidbeaufschlagung zur Durchführung eines
Fördertaktes
in den Arbeitsraum expandierbar und durch Fluidentlastung des Membran-Innenraums
zur Durchführung
eines Saugtaktes komprimierbar ist. Diese Kompression wird dabei nach
dem Expandieren der Membran in erster Linie durch die dem Membranschlauch
innenwohnenden Rückstellkräfte des
Elastomermaterials erzielt. Dabei wird das Arbeitsfluid durch diese
Rückstellkräfte verdrängt. Zur
Unterstützung
des Saugtaktes könnte das
Arbeitsfluid auch aktiv abgesaugt werden, sodass der Membranschlauch
eine größere Saugleistung
erbringt.
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Auf
Grund des erfindungsgemäßen Membranantriebes
sind keine mechanischen Teile für
die Auslenkung der Membran notwendig. Damit unterliegt die Membranpumpe
keinem mit dem Stand der Technik vergleichbaren Verschleiß, sie ist
damit im Wesentlichen wartungsfrei und sehr langlebig. Auf Grund
der fehlenden mechanischen Belastung, wie beispielsweise die Reibung
zwischen der Beaufschlagungswalze und dein Schlauch bei der geschilderten
Peristaltikpumpe, können
die beteiligten Materialien nach ihrer chemischen Beständigkeit
ausgewählt
werden, was die Bandbreite der Medienbeständigkeit erheblich vergrößert. Dies
wird durch die Tatsache noch unterstützt, dass grundsätzlich nur
wenige mit dem zu fördernden
Medium in Berührung
kommende Bauteile vorhanden sind. Ferner wird durch die schlauchförmige Ausgestaltung
der Membran diese gleichmäßig über ihren
Umfang belastet und unterliegt insgesamt nur einer sehr geringen
Dehnung. Insbesondere kommt es zu keinen punktuellen Beanspruchungen
der Membran, sodass diese eine hohe Lebensdauer aufweist. Schließlich ist
die hohe Druckleistung der erfindungsgemäßen Membranpumpe hervorzuheben.
Der Beaufschlagungsdruck durch das Arbeitsfluid wird nämlich praktisch
1:1 in den Förderdruck
umgesetzt. Auch ist die Membranpumpe selbstansaugend.
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Bevorzugtermaßen ist
die Membran als an einem Ende geschlossener, einstückiger Membranschlauch
ausgebildet, der auf einem in den Membran-Innenraum eingreifenden
Stützkern
sitzt und der von einem den Arbeitsraum bildenden Pumpengehäuse umgeben
ist. Durch den endseitig geschlossenen Membranschlauch findet eine
komplette Medientrennung zwischen dem Arbeitsfluid und dem zu fördernden
Medium statt. Herkömmliche
Dichtelemente, wie sie bei andersartigen Pumpentypen – wie beispielsweise
Kolbendichtringe bei Kolbenpumpen – notwendig sind, können völlig entfallen.
Eine Verschleppung des zu fördernden
Mediums über
derartige Dichtelemente wird bei der erfindungsgemäßen Membranpumpe
von vornherein vermieden.
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Mit
Hilfe des Stützkerns
kann der Membranschlauch vollflächig
unter Spannung gehalten werden, sodass beim Zusammenziehen nach
dem Expandieren der Membranschlauch hohe Saugkräfte entwickeln kann.
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In
weiteren bevorzugten Ausführungsformen sind
im bzw. am Stützkern
Leitungen für
das Arbeitsfluid und in Umfangs- bzw. Axialrichtung verlaufende Fluidkanäle vorgesehen.
Dies kommt einer gleichmäßigen Verteilung
des Arbeitsfluides auf die Fläche des
Membranschlauchs zu Gute.
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Als
Arbeitsfluid wird bevorzugter Weise Druckluft verwendet, die über ein
elektromagnetisch ansteuerbares Mehrwege-Ventil zur Druckbeaufschlagung
und Entlastung des Membran-Innenraums geführt ist. Gemäß weiteren
bevorzugten Ausführungsformen
ist die Integration der Membranpumpe in einem Behälteraufsatz
vorgesehen, wobei das Pumpengehäuse
als in den Behälter
eintauchender Tauchbehälter
ausgebildet ist.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist es vorgesehen, das Saugventil der Membranpumpe integral durch
den Membranschlauch selbst zu bilden. Näheres hierzu ist der Beschreibung des
Ausführungsbeispiels
entnehmbar.
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Zusammenfassend
stellt der Erfindungsgegenstand eine extrem einfach aufgebaute Membranpumpe
dar, die besonders für
die verschleißfreie
und wartungsarme Kleinleistungsförderung
von aggressiven Medien bei der Prozessüberwachung chemischer Anlagen
geeignet ist.
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Weitere
Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind der nachfolgenden
Beschreibung entnehmbar, in der ein Ausführungsbeispiel an Hand der
beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert
wird. Es zeigen:
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1 einen Schnitt durch eine
Membranpumpe in Arbeitsstellung nach dem Saugtakt und
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2 einen Schnitt analog 1 nach dem Fördertakt
der Pumpe.
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In
den 1 und 2 ist die Membranpumpe als
Ganzes mit 1 bezeichnet und in ihrer Einsatzstellung in
einem Flüssigkeitsbehälter 2 mit
einem zu fördernden
aggressiven Medium 3 gezeigt. Die Membranpumpe 1 ist
dabei mit ihren noch näher
zu erörternden
Bauteilen in bzw. an einem Pumpenkopf 4 realisiert, der
mit seinem Gewindekragen 5 mit einem entsprechenden Gewindehals 6 des
Flüssigkeitsbehälters 2 verschraubbar
ist.
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Das
Herzstück
der Membranpumpe 1 ist der eigentliche Membranschlauch 7,
der aus einem relativ dickwandigen, schlauchförmigen Elastomerteil gebildet
ist. An seinem oberen Ende weist der Membranschlauch 7 einen
im Querschnitt etwa quadratischen Dichtkragen 8 auf, am
unteren Ende ist der Membranschlauch 7 durch einen einstückig angeformten
Boden 9 geschlossen. Der Membranschlauch 7 weist
also insgesamt die Form eines hohlen, schlanken Bechers mit einem
verstärkten
Rand auf.
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Wie
aus 1 deutlich wird,
sitzt der Membranschlauch 7 auf einem in der Grundform
dem Lumen des Membranschlauches 7 angepassten Stützkern 10,
der jedoch gegenüber
dem entspannten Membranschlauch 7 im Durchmesser etwas
größer gewählt ist.
Dadurch sitzt der Membranschlauch 7 vollflächig unter
Spannung auf dem Stützkern 10.
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Radial
außerhalb
des Stützkerns 10 mit Membranschlauch 7 umgibt
diese Konfiguration ein im Wesentlichen ebenfalls als hoher schlanker
Becher ausgebildetes Pumpengehäuse 11,
das den Arbeitsraum 12 der Membran pumpe 1 mit
der Außenseite
des Membranschlauches 7 definiert. An seinem oberen Ende
ist das Pumpengehäuse 11 mit
Aufweitungen versehen und in nicht näher dargestellter Weise am
Pumpenkopf 4 hermetisch dicht festgelegt.
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An
den Boden 13 des Pumpengehäuses 1 ist ein Kragen 14 einstückig angeformt,
in dem ein Saugventil 15 in der Form eines üblichen
Rückschlagventiles
angeordnet ist. Auf den Kragen 14 ist ein nach unten führender
Ansaugstutzen 16 gesetzt, der bis kurz vor dem Behälterboden 17 reicht.
Der Kragen 14 mit der Zulauföffnung 18 im Boden 13 bildet
zusammen mit dem Saugventil 15 und dem Ansaugstutzen 16 die
Zulaufleitung 19 für
das zu fördernde
Medium 3 in die Membranpumpe 1. Vor dem Dichtkragen 8 der
Schlauchmembran 7 führt
ein die Ablaufleitung bildender Ablaufkanal 20 in einer Wandverstärkung 21 des
Pumpengehäuses 11 ab, der
sich im Pumpenkopf 4 fortsetzt und in ein Druckventil 22 im
Pumpenkopf 4 mündet.
Dieses Druckventil 22 ist ebenfalls als übliches
Rückschlagventil ausgebildet.
Vom Druckventil 22 führt
eine Schlauchleitung 23 beispielsweise zu einem nicht näher dargestellten
Prozessüberwachungssystem.
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Die
gezeigte Membranpumpe 1 arbeitet mit Druckluft als Arbeitsfluid,
die über
einen am Pumpenkopf 4 angeordneten Druckluftkanal 24 und
ein elektromagnetisch betätigtes
Mehrwegeventil 25 über eine
Druckluftzuleitung 26 zum hermetisch abgedichteten Innenraum
des Membranschlauches 7 befördert wird. Dieser Innenraum 7 ist
in 1 vollständig durch
den Stützkern 10 eingenommen.
An die Mündungsöffnung 27 der
Druckluftzuleitung schließt
sich ein den Stützkern 10 umlaufender
Verteilerring 28 an, mit dem die eingeleitete Druckluft
gleichmäßig über den
Umfang des Membranschlauches 7 verteilt wird.
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An
der Oberseite des Pumpenkopfes 4 ist eine flache Vertiefung
eingebracht, die als Eingusstrichter 30 für nachzufüllende Flüssigkeit 3 dient.
Dieser ist über
eine nicht näher
dargestellte Durchlassbohrung mit dem Behälter 2 verbunden.
Auf dem Pumpenkopf 4 ist schließlich zum Abdecken des Eingusstrichters 30 und
Verschließen
des Behälters 2 ein
Deckel 31 aufgerastet, der zum Befüllen des Behälters 2 mit
Hilfe der Grifflippe 32 abnehmbar ist.
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Die
Funktion der Membranpumpe 1 ist wie folgt zu erläutern: In 1 ist die Membranpumpe 1 nach
dem Saugtakt gezeigt. Der Membranschlauch 7 liegt am Stützkern 10 an,
der Arbeitsraum 12 ist vollständig mit dem zu fördernden
Fluid gefüllt.
Durch entsprechende Betätigung
des Mehrwegeventils 25 wird der Innenraum des Membranschlauches 7 mit Druckluft
beaufschlagt, sodass der Membranschlauch 7 in den Arbeitsraum 12 expandiert
und das dort befindliche Medium verdrängt. Da das Ventil 15 ein
Saugventil und damit bei Druckbeaufschlagung geschlossen, das Ventil 22 jedoch
ein bei Druckbeaufschlagung sich öffnendes Druckventil ist, wird
das zu fördernde
Medium verdrängt
und über
den Ablaufkanal 20 und das Druckventil 22 wegbefördert. Der Membranschlauch 7 befindet
sich am Ende des Fördertaktes
in der in 2 gezeigten
Stellung und liegt an der Innenseite des Pumpengehäuses 11 an.
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Durch
Umsteuerung des Mehrwegeventils 25 wird der Innenraum 29 des
Membranschlauches 7 druckentlastet, wodurch der Membranschlauch 7 wiederum
auf Grund seiner Eigenelastizität
und der ihm innewohnenden Rückstellkräfte komprimiert wird.
Im Arbeitsraum 12 entsteht ein Unterdruck, der für eine Öffnung des
Saugventils 15 und ein Füllen des Arbeitsraumes 12 mit
dem zu fördernden
Medium aus dem Flüssigkeitsbehälter 2 sorgt.
Es ist wieder die in 1 dargestellte
Situation nach dem Saugtakt der Membranpumpe 1 erreicht
und der Pumpzyklus beginnt von Neuem. Erkennbar wird also durch
eine alternierende Beaufschlagung und Entlastung des fluiddichten
Innenraums 29 des Membranschlauches 7 ein Förder- und
Saugtakt der Membranpumpe 1 erzielt, wobei die Taktfrequenz
und das Taktverhältnis
durch eine entsprechende Ansteuerung des Mehrwegeventils 25 beispielsweise über die
Prozesssteuereinrichtung einstellbar sind. Eine gängige Taktfrequenz
beträgt
beispielsweise – je nach
gewünschter
Förderleistung – ca. 1
Hertz, wobei höhere
Taktfrequenzen durch entsprechende Auslegung der Druckluftversorgung
erzielbar sind.
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Unter
Bezugnahme auf 1 ist
ferner darauf hinzuweisen, dass das Saugventil 15 bei einer entsprechenden
Auslegung der Membran und insbesondere deren Boden entfallen kann.
Wie in 1 nämlich strichliert
angedeutet ist, kann ausgehend von der in 1 dargestellten Position des Membranschlauchs 7 beispielsweise
durch gezielte Zuleitung von Druckluft zuerst deren Boden 9 nach
unten expandieren, sodass die Zulauföffnung 18 von der Membran
selbst verschlossen und ein Rückfließen des
im Arbeitsraum 12 befindlichen Mediums unterbunden wird.
Das Saugventil 15 ist damit integral durch den Membranschlauch 7 selbst
gebildet.
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Ferner
ist in den beiden Figuren die Membranpumpe 1 als Tauchpumpe
dargestellt. Es kann natürlich
die gesamte Pumpe 1 auch in einem üblichen Gehäuse untergebracht und der Ansaugstutzen 16 mit
einem Saugschlauch verbunden sein, der zu einem entfernt angeordneten
Behälter
führt.
Derart ausgestaltet, kann die Membranpumpe 1 als mobile oder
stationäre
Pumpe verwendet werden.