-
Die
Erfindung bezieht sich auf einen Membrankompressor mit einer einen
Arbeitsraum begrenzenden elastischen Arbeitsmembran, die von einem Pleuel
angetrieben wird, und einem Einlassventil.
-
Membrankompressoren
werden zur Kompression von Gasen eingesetzt, insbesondere auch zur
Erzeugung eines Vakuums in einem Rezipienten. Zum Füllen des
Arbeitsraumes öffnet
während
des Saughubes das Einlassventil, so dass zu komprimierendes Gas
in den Arbeitsraum einfließen
kann. Während
des Druckhubes schließt
das Einlassventil, so dass das Gas in dem Arbeitsraum komprimiert wird.
Als Einlassventil wird ein mechanisch gesteuertes oder ein druckgesteuertes
Ventil verwendet. Mechanisch gesteuerte Ventile erfordern einen
hohen konstruktiven und mechanischen Aufwand. Aus
DE 40 26 670 A1 ist ein
Membrankompressor mit einem druckgesteuerten Einlassventil bekannt.
Druckgesteuerte Einlassventile haben den Nachteil, dass bei geringen
Differenzdrücken
zwischen dem Arbeitsraum des Membrankompressors und dem Rezipienten
die aus der Druckdifferenz resultierende Öffnungskraft gering ist, so
dass bei geringer Druckdifferenz das Einlassventil nur kurz oder
gar nicht öffnet. Das
Einlassventil ist üblicherweise
als separates Bauteil in oder an dem Pumpengehäuse vorgesehen und relativ
aufwendig in der Herstellung.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es demgegenüber, einen
Membrankompressor mit einem vereinfachten und verbesserten Einlassventil
zu schaffen.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den
Merkmalen des Anspruches 1.
-
Der
erfindungsgemäße Membrankompressor
weist ein Einlassventil auf, das von einer Öffnung in der Arbeitsmembran
und einem an dem Pleuel befestigtem Stempel gebildet wird, der die
Arbeitsmembran abstützt
und der die Arbeitsmembran-Öffnung während des
Druckhubes verschließt
und während des
Saughubes freigibt. Hierzu ist die Arbeitsmembran auf der Druckseite
des Stempels befestigt. Das Einlassventil ist nicht mehr als separates
Bauteil an oder in dem Gehäuse
angeordnet, sondern wird von einer Öffnung in der Arbeitsmembran
und dem ohnehin zur Arbeitsmembran-Abstützung vorgesehenen Stempel
gebildet. Auf diese Weise wird ein einfach konstruiertes Einlassventil
zu geringen Herstellungskosten zur Verfügung gestellt. Während des
Druckhubes wird die Arbeitsmembran einschließlich der Einlassventil-Öffnung durch
den höheren
Druck in dem Arbeitsraum gegenüber
dem Druck an der arbeitsraumabgewandten Seite der Arbeitsmembran auf
den Stempel gedrückt
und die Öffnung
durch den Stempel auf diese Weise verschlossen. Während des Saughubes
wird das Einlassventil durch die umgekehrten Druckverhältnisse
geöffnet.
-
Vorzugsweise
ist das Einlassventil als Trägheitsventil
ausgebildet. Die Steifigkeit und die Form der Membran sowie die
Beschleunigung des Pleuels während
des Saughubes sind derart aufeinander abgestimmt, dass die Arbeitsmembran
mit ihrer Öffnung während des
Saughubes aufgrund ihrer Trägheit
von dem Stempel abhebt und hierdurch die Arbeitsmembran-Öffnung freigegeben, das Einlassventil
also geöffnet
wird. Das Einlassventil wird stets sowohl durch die Druckdifferenz
als auch durch die Trägheit
geöffnet
bzw. geschlossen. Je kleiner die Druckdifferenz zwischen den beiden
Seiten der Arbeitsmembran ist, desto größer ist der trägheitsbedingte
Anteil an der gesamten Ventilöffnungskraft.
Erst durch Ausbildung des Einlassventiles als Trägheitsventil kann bei niedrigen
Differenzdrücken,
die alleine zum Öffnen
des Einlassventiles nicht mehr ausreichen bzw. nur eine kurze Öffnung des
Einlassventiles bewirken würden, eine
weite und relativ lang anhaltende Öffnung des Einlassventiles
bewirkt werden, die gerade bei geringen Druckdifferenzen zum Füllen des
Arbeitsraumes erforderlich ist. Hierdurch wird die Arbeitsraumfüllung des
Membrankompressors verbessert, und es lassen sich bei Ausbildung
des Membrankompressors als Vakuumpumpe niedrigere Enddrücke auf
der Saugseite realisieren.
-
Vorzugsweise
ist das Einlassventil derart ausgebildet, dass bei einer Druckdifferenz
von weniger als 1,0 mbar, insbesondere bei einer Druckdifferenz
von weniger als 10 mbar, die trägheitsbedingte Öffnungskraft
größer als
die differenzdruckbedingte Öffnungskraft
ist.
-
Vorzugsweise
wird das Pleuel über
ein Pleuellager von einer Kurbelscheibe angetrieben und ist die
Arbeitsmembran-Öffnung
auf der Seite der Arbeitsmembran angeordnet, auf der sich das Pleuellager
während
des Druckhubes befindet. Das Pleuellager wird durch die Kurbelscheibe
im Kreis gedreht, so dass das Pleuel während eines Zyklus nicht ständig senkrecht
steht, sondern neben der Hubbewegung auch eine Kippbewegung ausführt. Die
Kippbewegung des Pleuels wird auf den starr mit dem Pleuel befestigten
Stempel übertragen,
der während
des Druckhubes geneigt ist. Die Arbeitsmembran-Öffnung bzw. die Arbeitsmembran-Öffnungen
ist/sind an der Seite des Stempels angeordnet, der während des Druckhubes
zur Arbeitsmembran geneigt ist, d. h. in die Arbeitsmembran eingeschwenkt
ist. Durch das Wegkippen des Stempels von der Arbeitsmembran-Öffnung während des Saughubes und durch
das Kippen des Stempels auf die Arbeitsmembran zu während des
Druckhubes wird das Öffnen
und das Schließen
der Arbeitsmembran-Öffnung
während des
Saughubes bzw. Druckhubes unterstützt.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist auf der arbeitsraumabgewandten Seite
der Arbeitsmembran eine parallele Entlastungsmembran vorgesehen,
wobei beide Membranen zwischen sich einen Zwischenraum begrenzen,
der durch einen Gaseinlass begast ist. Die Gaseinleitung erfolgt
durch den Gaseinlass über
den Zwischenraum und durch das Einlassventil in den Arbeitsraum.
Während
des Saughubes herrscht auf beiden Seiten der Arbeitsmembran ungefähr der gleiche
Druck. Da der Differenzdruck annähernd
Null ist, wird ein Ausbeulen der Arbeitsmembran in den Arbeitsraum
hinein während des
Saughubes vermieden. Ferner wird durch die Entlastungsmembran der
Pleuelantrieb gegenüber dem
Gaseinlass bzw. dem Arbeitsraum abgeschirmt, so dass eine Abdichtung
des Pleuelantriebes und der Pleuellagerung entfällt und Verunreinigungen des Gasstromes
durch Abrieb und Schmiermittel ausgeschlossen sind.
-
Vorzugsweise
sind mehrere Öffnungen
in der Arbeitsmembran vorgesehen, die der Stempel während des
Druckhubes verschließt
und während
des Saughubes freigibt. Hierdurch lässt sich insbesondere bei niedrigen
Differenzdrücken
eine gute Arbeitsraumfüllung
sicherstellen.
-
Vorzugsweise
ist der Gaseinlass in einer die beiden Membranen beabstandeten Seitenwand
angeordnet. Der Zwischenraum zwischen den beiden Membranen wird
also durch eine Öffnung
in der Gehäusewand
belüftet.
-
Vorzugsweise
ist der Membrankompressor als Vakuum-Membrankompressor ausgebildet.
-
Im
folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher
erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 einen
erfindungsgemäßen Membrankompressor
im Querschnitt während
des Druckhubes,
-
2 den
Membrankompressor der 1 im Querschnitt zwischen Druckhub
und Saughub,
-
3 den
Membrankompressor der 1 im Querschnitt während des
Saughubes, und
-
4 den
Membrankompressor der 1 zwischen Saughub und Druckhub.
-
Der
in den 1 – 4 dargestellte
Membrankompressor 10 ist als Vakuum-Membrankompressor ausgebildet,
der auch als Vakuum-Membranpumpe
bezeichnet wird. Der Membrankompressor 10 kann grundsätzlich jedoch
auch für
andere Druckbereiche verwendet werden.
-
Der
Membrankompressor 10 weist ein Metallgehäuse 12 auf.
In dem Metallgehäuse 12 ist
eine angetriebene Kurbelscheibe 14 angeordnet, die über ein
Pleuellager 15 ein Pleuel 16 antreibt. Das Pleuel 16 bewegt
seinerseits oszillierend eine Arbeitsmembran 18 und eine
parallele Entlastungsmembran 20 ungefähr senkrecht zur Grundebene
der Membranen 18,20. Die Arbeitsmembran 18 begrenzt
zusammen mit einem Gehäuseboden 22 einen
Arbeitsraum 24. Der Arbeitsraum 24 wird durch
ein in dem Gehäuseboden 22 angeordnetes
druckgesteuertes Auslassventil 26 entgast. Zwischen den
beiden Membranen 18,20 ist ein Zwischenraum 34 gebildet,
der durch einen Gaseinlass 32 begast wird. Das Gehäuse kann auch
aus Kunststoff bestehen.
-
Die
Arbeitsmembran 18 weist eine Öffnung 36 auf, die
sich in geringem radialem Abstand vom Mittelpunkt der Arbeitsmembran 18 befindet.
Zwischen der Arbeitsmembran 18 und der Entlastungsmembran 20 ist
ein kreisrunder konvexer Stempel 38 angeordnet, der die
Arbeitsmembran 18 und die Entlastungsmembran 20 voneinander
beabstandet und dessen Außenumfang
größer ist
als der Abstand der Arbeitsmembran-Öffnung 36 vom
Arbeitsmembran-Mittelpunkt. Der Stempel 38 ist mit dem
Pleuel 16 fest verbunden. Solange die Arbeitsmembran 18 auf dem
Stempel 38 aufliegt, verschließt der Stempel 38 die
Arbeitsmembran-Öffnung 36.
Auf diese Weise bildet die Arbeitsmembran-Öffnung 36 ein Einlassventil 40,
das während
des Druckhubes geschlossen und während
des Saughubes geöffnet
ist. Es können auch
zwei oder mehr Arbeitsmembran-Öffnungen vorgesehen
sein.
-
Die
Arbeitsmembran-Öffnung 36 ist
auf der Seite der Arbeitsmembran 18 angeordnet, zu der
der Stempel 38 während
des in der 1 dargestellten Druckhubes geneigt
ist. Während
des in der 3 dargestellten Saughubes ist
der betreffende Teil des Stempels 38 von der Arbeitsmembran-Öffnung 36 weggeschwenkt.
Durch das Wegschwenken des betreffenden Teiles des Stempels 38 von
der Arbeitsmembran-Öffnung 36 während des
Saughubes und das Hinschwenken des betreffenden Teiles des Stempels 38 zu
der Arbeitsmembran-Öffnung 36 während des
Druckhubes wird das Schließen
und Öffnen
des Einlassventiles 40 unterstützt.
-
Das
Einlassventil 40 ist als Trägheitsventil ausgebildet und
arbeitet bei größeren Druckdifferenzen
zwischen dem Arbeitsraum 24 und dem Zwischenraum 34 auch
als druckgesteuertes Ventil. Bei geringen Druckdifferenzen unter
100 mbar wird der trägheitsbedingte
Anteil an der Ventilöffnungskraft immer
größer und
erreicht bei Druckdifferenzen von unter 1,0 mbar einen Anteil von
mehr als 50 %.
-
Während des
in 1 dargestellten Druckhubes wird die Arbeitsmembran 18 durch
die Druckdifferenz und durch die Beschleunigung des Pleuels 16 und
des Stempels 38 in Richtung Arbeitsraum auf den Stempel 38 gedrückt, so
dass das Einlassventil 40 geschlossen ist. Zwar ist die
Beschleunigung des Pleuels 16 und des Stempels 38 in
der zweiten Hälfte des
Druckhubes negativ, jedoch ist in dieser Phase die Druckdifferenz
so groß,
dass die hieraus resultierende Ventilöffnungskraft geringer ist als
die aus der Druckdifferenz resultierende Ventilschließkraft.
Das Einlassventil 40 bleibt bis zum Erreichen des in der 2 dargestellten
oberen Totpunktes, d. h. der Konstellation zwischen Druckhub und
Saughub, geöffnet. Erst
nach Umkehr der Bewegungsrichtung des Pleuels 16 und des
Stempels 38 wird das Arbeitsraumvolumen wieder vergrößert, so
dass die Druckdifferenz vermindert wird bzw. sich schließlich umkehrt. Gleichzeitig
wird während
des Saughubes das Pleuel 16 und der Stempel 38 von
der Arbeitsmembran 18 weg beschleunigt, so dass die Arbeitsmembran 18 durch
ihre gewichtsbedingte Trägheit
von dem Stempel 38 abhebt. Durch das Abheben der Arbeitsmembran 18 von
dem Stempel 38 wird die Arbeitsmembran-Öffnung 36 freigegeben,
so dass Gas durch den Gaseinlass 32 und den Zwischenraum 34 durch
die Arbeitsmembran-Öffnung 36 in
den Arbeitsraum 24 fließen kann. Auch wenn sich die
Beschleunigungsrichtung des Pleuels 16 und des Stempels 38 in
der zweiten Hälfte
des Saughubes umkehrt, bleibt die Arbeitsmembran 18 noch
bis nahezu zum Erreichen des unteren Totpunktes abgehoben von dem
Stempel 38. Dies wird u. a. dadurch erreicht, dass die
Arbeitsmembran 18 eine gewisse Steifigkeit aufweist und
derart vorgespannt ist, dass sie sich mit ihrem Zentrum in den Arbeitsraum 24 wölbt, wie
in 3 dargestellt. Erst kurz nach Erreichen des in 4 dargestellten
Totpunktes, d. h. nach Abschluss des Saughubes und zu Beginn des
Druckhubes, wird die Arbeitsmembran 18 durch die Beschleunigung
des Stempels 38 und durch die wachsende Druckdifferenz
wieder auf den Stempel 38 gedrückt.
-
Bei
Erreichen des Öffnungsdruckes
des Auslassventiles 26 öffnet
das Auslassventil 26, so dass das komprimierte Gas aus
dem Arbeitsraum 24 ausfließen kann.
-
Das
genaue Öffnungs-
und Schließverhalten des
Einlassventils 40 kann eingestellt werden durch entsprechende
Wahl der Membransteifigkeit, durch entsprechende Wahl der radialen
Position der Arbeitsmembran-Öffnung 36,
durch die Form des Stempels 38, die Form der Arbeitsmembran 18, durch
die eingestellte radiale Spannung der Arbeitsmembran 18,
durch die vertikale Lage der Membraneinspannung im Verhältnis zum
Stempel 38 etc.
-
Das
Einlassventil 40 wird im wesentlichen durch eine Öffnung 36 in
der Arbeitsmembran 18 gebildet, die durch den ohnehin vorhandenen
Pleuel-Stempel 38 verschlossen und freigegeben wird. Damit
wird auf sehr einfache Weise ein Einlassventil geschaffen. Das auf
diese Weise geschaffene Einlassventil 40 arbeitet als Trägheitsventil,
so dass insbesondre bei niedrigen Differenzdrücken eine zuverlässige und
langanhaltende Ventilöffnung
während des
Saughubes sichergestellt ist. Hierdurch lassen sich niedrige Saugdrücke realisieren.