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Die
Erfindung betrifft eine Membranpumpe zum Pumpen von aggressiven
und/oder abrasiven Medien, wie z. B. Schlämmen, umfassend ein Membrangehäuse, welches
in einem im Wesentlichen vertikal angeordneten Rohrsystem angebracht
ist, wobei das im Wesentlichen vertikal angeordnete Rohrsystem mindestens
einen Einlass und mindestens einen Auslass, welcher mit einem Abstand
oberhalb des Einlasses angeordnet ist, wie auch mindestens eine im
Wesentlichen kreisförmige,
flexible Membran umfasst, wobei die Membran in dem Membrangehäuse unter
dem Einfluss einer Arbeitsflüssigkeit,
welche unter Druck gesetzt werden kann, bewegbar ist, wobei die
kreisförmige
Außenkante
der Membran in dem Membrangehäuse
mittels eines kreisförmigen Klemmteils
unten geklemmt wird.
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Eine
solche Membranpumpe ist z. B. von dem US-Patent Nr.
6,234,677 bekannt, und Pumpen dieser
Art werden im Allgemeinen in Pumpensystemen eingesetzt, um aggressive
und/oder abrasive Medien, wie z. B. Schlämme, zu pumpen, welche eine
hohe Temperatur oder keine hohe Temperatur aufweisen können. Die
bekannte Membranpumpe besitzt eine elastische bewegbare Membran,
welche den zu pumpenden Stoff von den sich bewegenden und ungeschützten Teilen
der Pumpe trennt. Die Pumpbewegung der flexiblen Membran wird mittels der
sich bewegenden Teile, wie z. B. einem Kolben, welcher sich in einem
Zylinder bewegt, und mittels einer Arbeitsflüssigkeit, welche unter Druck
gesetzt werden kann, herbeigeführt.
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Dazu
bewegt sich der Kolben, welcher mittels einer Kolbenstange mit einer
Antriebseinheit verbunden ist, derart in dem Zylinder hin und her,
dass die Membran aufeinander folgende Ansaug- und Ausschubtakte
mit einer bestimmten Frequenz unter dem Einfluss der Arbeitsflüssigkeit
ausführt.
Ein Unterdruck wird während
des Ansaugtakts oder der Ansaugperiode in dem Membrangehäuse erzeugt,
so dass eine bestimmte Schlammmenge durch den Einlass aufgenommen
werden kann, wobei die Schlammmenge durch den Auslass durch die
Membran während
des Ausschubtakts in ein Auslaufrohr gezwungen wird.
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Um
das korrekte Funktionieren bei dem Ansaug takt und dem Ausschubtakt
sicherzustellen, sind Einwegventile in dem Einlassrohrabschnitt
beziehungsweise in dem Auslassrohrabschnitt angebracht, wobei die
Ventile einen korrekten Durchfluss des zu pumpenden Mittels garantieren.
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Die
Membranpumpe des vorab genannten US-Patents ist in einem toten Rohrabschnitt
des Rohrsystems angebracht, wobei die Anmeldung sehr geeignet ist,
um Schlämme
mit einer relativ hohen Temperatur zu pumpen. Im Falle von Schlämmen mit einer
niedrigeren Temperatur ist es weniger wichtig, die Membranpumpe
vor den heißen,
korrosiven Schlämmen
zu schützen,
und die Membranpumpe kann in dem Rohrsystem angebracht werden, wie
es in der Einleitung erwähnt
ist. Aus Konstruktionsgründen
ist das Rohrsystem vertikal angeordnet, wobei der Einlass unterhalb
des Auslasses angeordnet ist.
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Es
ist offensichtlich, dass hydrodynamische Vorgänge in dem Schlamm in dem Membrangehäuse während des
Betriebs der Membranpumpe auftreten, wobei die Vorgänge ausreichend
große
Druckunterschiede zwischen Positionen an dem oberen Ende des Membrangehäuses und
Positionen an dem Boden des Membrangehäuses verursachen, was zu nachteiligen
Verformungen der flexiblen Membran insbesondere während des
Ausschubtakts führt.
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Diese
nachteiligen Verformungen der flexiblen Membran begrenzen den Umfang,
mit welchem die Membran belastet werden kann, was es notwendig macht,
eine größere Membran
auszuwählen, wenn
das Ansaugtaktvolumen einen bestimmten Wert aufweist, um so eine
ausreichend lange Haltbarkeitsdauer bzw. Lebenszeit sicherzustellen.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist, eine Lösung für das vorab genannte Problem
bereitzustellen und eine Membranpumpe bereitzustellen, bei welcher
die asymmetrische Verformung der Membran während des Betriebes begrenzt
wird, wo es notwendig ist, so dass an einer beliebigen Stelle eine
stärkere
Verformung der Membran auftritt, ohne dass dies zu einer Überlastung führt. Somit
wird die Ausgangskapazität bei
einer bestimmten Membranabmessung maximal ausgenutzt, während eine
optimale Haltbarkeitsdauer erzielt wird.
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Erfindungsgemäß ist die
Membranpumpe dazu dadurch gekennzeichnet, dass das kreisförmige Klemmteil
auf der Umfangskante davon mit einem Flansch versehen ist, welcher
sich parallel zu der Ebene, welche durch das Klemmteil gebildet
wird, erstreckt.
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Da
das kreisförmige
Klemmteil mit einem Flansch versehen ist, welcher sich in der Ebene,
welche durch das Klemmteil gebildet wird, erstreckt, wird die nachteilige
Verformung der Membran während des
Ausschubtakts verhindert, da die sich verformende Membran gegen
den Flansch stößt.
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Es
ist durch ein Experiment bestätigt
worden, dass die nachteilige Verformung der Membran während des
Ausschubtakts insbesondere an der Stelle des Auslasses des Rohrsystems
auftritt, so dass erfindungsgemäß das kreisförmige Klemmteil
im Wesentlichen an der Stelle des Auslasses des Rohrsystems mit
dem hervorragenden Flansch versehen ist.
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Erfindungsgemäß ist der
hervorragende Flansch entlang der oberen Hälfte der Umfangskante des Klemmteils
vorhanden, so dass die nachteilige Verformung der Membran in dem
oberen Teil davon so weit wie möglich
verhindert wird.
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Erfindungsgemäß variiert
die Länge
des hervorragenden Flansches entlang der oberen Hälfte der
Umfangskante, da auch das Ausmaß der
nachteiligen Verformung der Membran abhängig von der Position davon
in dem Membrangehäuse
variiert. Genauer gesagt ist die Länge des hervorragenden Flansches
in der Nähe
des Auslasses am größten, da
die nachteilige Verformung der Membran, welche während des Ausschubtakts auftritt,
an dieser Stelle am größten ist,
und ihr folglich am meisten an dieser Stelle entgegengewirkt wird.
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Erfindungsgemäß ist die
Länge des
hervorragenden Flansches in der Mitte der Umfangskante im Wesentlichen
gleich Null.
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Erfindungsgemäß ist die
Endkante des hervorragenden Flansches gekrümmt, um so zu verhindern, dass
der hervorragende Flansch in die Membran schneidet, was dazu führen kann,
dass die Membran eingeschnitten und beschädigt wird. Der Krümmungsradius
der Endkante kann ungefähr
gleich der Dicke der Membran sein, genauer ist die Krümmung der
Endkante ungefähr
gleich der Gegenkrümmung der
vorgeformten Membran. Somit wird verhindert, dass das Membranmaterial
beschädigt
wird, auch wenn die Membran gegen den hervorragenden Flansch stößt, wobei
eine Beschädigung
die Haltbarkeitsdauer der Membran verkürzt.
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Insbesondere
liegt der Krümmungsradius der
Endkante in einem Bereich von 8 bis 80 mm.
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Die
Krümmung
kann auch die Form eines Polynoms der zweiten oder dritten Ordnung
aufweisen, welches mittels der vorab genannten Krümmungsradien
berechnet werden kann.
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Die
Erfindung wird nun im Detail mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert, wobei
gilt:
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1 ist
eine Grundrissdarstellung eines Pumpensystems zum Pumpen von Schlämmen, wobei
eine Membranpumpe nach dem Stand der Technik verwendet wird;
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2 ist
eine Darstellung eines Teils der 1;
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3 ist
eine Augenblicksansicht der nachteiligen Verformung der Membran
insbesondere während
eines Ausschubtakts; und
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4 stellt
eine Ausführungsform
eines Details einer erfindungsgemäßen Membranpumpe dar.
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1 und 2 sind
Darstellungen eines Schlammpumpensystems, wobei eine Membranpumpe
nach dem Stand der Technik verwendet wird. Solche Schlammpumpensysteme
werden eingesetzt, um im Allgemeinen aggressive und korrosive Flüssigkeiten
oder Schlämme,
welche kerniges Material, wie z. B. Sand, Kohle, Erz oder Abbruchmasse, welche
manchmal zusätzlich
hohe Temperaturen aufweisen, über
im Allgemeinen lange Entfernungen zu pumpen. Solche Schlammpumpensysteme
werden außerdem
allgemein bei der Bergbauindustrie, der chemischen Industrie und
der Kohleindustrie eingesetzt. Das Pumpen von solchen Gemischen,
welche auch als Schlämme
bekannt sind, stellt große Anforderungen
an die Zuverlässigkeit
und die Verschleißfestigkeit
des gesamten Pumpensystems. Wegen der abrasiven Natur der Schlammgemische müssen insbesondere
die sich bewegenden Komponenten der Pumpe sehr hohe Anforderungen
erfüllen.
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Demzufolge
wird eine Membranpumpe 20, welche durch eine Antriebseinheit 10 angetrieben wird,
eingesetzt, um solche abrasive Schlammgemische zu pumpen. Die Membranpumpe 20 besteht aus
einer Membran 25, welche unten in einem Membrangehäuse 29,
das in einem Rohrsystem 40 angebracht ist, geklemmt wird.
Die Membran 25 ist mit einer Membranstange 26 versehen,
welche bewegbar in Führungen 27,
die in einer Druckkammer 28 angebracht sind, untergebracht
ist. Die Druckkammer 28 ist mit einer Arbeitsflüssigkeit 24 gefüllt, welche
mittels eines Kolbens 22 unter Druck gesetzt werden kann,
welcher mittels einer Kolbenstange 21 mit der Antriebseinheit 10 verbunden
ist. Die hin und her gehende Bewegung des Kolbens 22 in
dem Zylinder 23, welche durch die Antriebseinheit 10 verursacht
wird, führt
dazu, dass die Arbeitsflüssigkeit 24 unter
Druck gesetzt wird und dass folglich die Membran 25 zwischen
zwei Endlagen in dem Membrangehäuse 29 bewegt
wird.
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Die
hin und her gehende Bewegung des Kolbens 23 und die daraus
resultierende Bewegung der Membran 25 umfasst einen Ansaughub
oder einen Ansaugtakt, in welchem der Kolben 23 und die
Membran 25 gemäß der 1 und 2 eine
Bewegung nach rechts erfährt,
während
der Kolben 23 und die Membran 25 während des
Ausschubtakts gemäß der 1 und 2 eine
Bewegung nach links erfährt.
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Das
Membrangehäuse 29 ist
in einem im Wesentlichen vertikal angeordneten Rohrsystem 40 angebracht,
welches einen Teil eines umfangreicheren Rohrnetzes (nicht dargestellt)
bildet. Das vertikal angeordnete Rohrsystem 40 des Membrangehäuses 29 umfasst
einen Einlass 40a wie auch einen Auslass 40b.
In dem Einlassrohrabschnitt 42 ist ein Einwegventil 41a angebracht,
während
ein ähnliches
Einwegventil 41b in dem Auslassrohrabschnitt 43 angebracht
ist. Die Einwegventile 41a und 41b sind in solch
einer Weise in dem Rohrsystems angebracht, dass das Einwegventil 41b während des
Ansaugtakts geschlossen bleibt (wenn sich die Membran 25 nach
rechts davon bewegt), während
sich das Einwegventil 41a während des Ansaugtakts öffnet, wodurch
das Ansaugen einer bestimmten Schlammmenge in das Membrangehäuse 29 ermöglicht wird. Während des
nachfolgenden Ausschubtakts (wenn sich die Membran 25 nach
links davon bewegt) schließt
sich das Einwegventil 41a automatisch unter dem Einfluss
der Wirkung einer Feder und das Einwegventil 41 öffnet sich
automatisch unter dem Einfluss des anliegenden Druckes, so dass
die Schlammmenge, welche sich in dem Membrangehäuse 29 gesammelt hat,
in das Auslaufrohr 43 durch den Auslass 40b gezwungen
wird.
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Dabei
können
gewöhnlich
große
Schlammmengen unter hohen Drücken
gepumpt werden, wenn die Membranpumpe auf diese Weise mit einer angestrebten
Taktfrequenz angetrieben wird.
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Die
Funktion der Membran als das Verdrängungselement ist offensichtlich:
die Membran schirmt all die sich bewegenden Teile, welche verschleißen können, von
den abrasiven und häufig
auch korrosiven Medien, welche in dem vertikalen Rohrabschnitt 40 vorhanden
sind, ab.
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Es
ist herausgefunden worden, dass hydrodynamische Effekte insbesondere
während
des Ausschubtakts in dem Schlammgemisch, welches durch das Membrangehäuse 29 fließt, auftreten,
wenn ein vertikal angeordneter Rohrabschnitt 40, dessen
Einlass 40a unter dem Auslass 40b angeordnet ist,
verwendet wird, wo bei die hydrodynamischen Effekte zu Druckunterschieden
zwischen der Bodenseite 40a und der oberen Seite 40b des
Membrangehäuses führen. Diese
Druckunterschiede werden insbesondere erzeugt, da der Auslass 40b im
Vergleich mit dem großen
Durchlass in dem Membrangehäuse
in der Nähe
des Mittelpunkts der Membran einen verengten Rohrabschnitt bildet,
wodurch der Rohrabschnitt als ein Venturi-Rohr fungiert, und das Schlammgemisch
speziell während
des Mittelteils des Ausschubtakts von dem Membrangehäuse 29 mit
einer hohen Geschwindigkeit durch den Auslass 40 gedrängt wird,
wenn die sinusförmige
Geschwindigkeitskurve des Kolbens 23 ihren Höhepunkt
erreicht. Diese hohen Geschwindigkeiten bei dem Auslass 40b führen verglichen
mit dem Rest der Membran 25 zu einem verringerten Druck
an der Stelle des Auslasses 40b und folglich zu einer entsprechenden nachteiligen
Verformung der Membran 25.
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Außerdem wirkt
ein sich vergrößernder
statischer Druckunterschied als Ergebnis des Unterschieds des spezifischen
Gewichts des Schlammgemisches und dem der Arbeitsflüssigkeit
von der Oberseite auf die Unterseite auf die Membran ein.
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3 stellt
eine Augenblicksansicht der nachteiligen Verformung der Membran 25 insbesondere
während
des Ausschubtakts dar. Die Darstellung zeigt deutlich, dass die
Membran 25 als Ergebnis des durch das durch den Auslass 40b fließenden Schlammgemisch
erzeugten Drucks, nach außen
bewegt wird oder extrem in das Membrangehäuse 29 (angegeben
durch A) an der Stelle des Auslasses 40b (1 und 2)
verformt wird, wodurch an der Stelle des Auslasses 40b an
der Membran "entlang gesaugt
wird". Die Darstellung
zeigt außerdem
eine weniger ausgeprägte
Verformung B an der Bodenseite 40a. Es ist klar, dass auf
die Dauer solch extreme Verformungen der Membran 25 zu
einer Ermüdung oder
zu einer Beschädigung
führen
und folglich die Haltbarkeitsdauer der Membran merklich verringern. Das
bedeutet, dass das Pumpensystem 1 in gleichmäßigen Abständen für eine Inspektion
und eine mögliche
Wartung außer
Betrieb genommen werden muss.
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Um
einen unnötigen
Stillstand zu vermeiden und eine Membranpumpe mit einer längeren Haltbarkeitsdauer
bereitzustellen, wobei die Membran weniger zu einer Ermüdung oder
zu einem Verschleiß neigt,
welcher durch die nachteilige Verformung, welche während des
Betriebs auftritt, verursacht wird, stellt 4 eine Lösung dar,
welche die nachteilige Verformung verhindern kann.
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Wie
in 1 und 2 dargestellt ist, besitzt die
Membran 25 eine kreisförmige
Form und weist eine kreisförmige
Endkante 25a auf, welche mittels eines ringförmigen Klemmteils 29a (siehe 2)
in dem Membrangehäuse 29 unten
geklemmt wird. Um eine unnötige
asymmetrische Verformung der Membran 25 insbesondere während des
Ausschubtakts der Membranpumpe zu verhindern, ist das kreisförmige Klemmteil 29a mit
einem hervorragenden Flansch 50 auf seiner Umfangskante 29a' im Wesentlichen
an der Stelle des Auslasses 40b des Membrangehäuses 29 versehen,
wobei sich der Flansch parallel zu der Ebene oder in der Ebene,
welche durch das Klemmteil gebildet wird, erstreckt.
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Das
Vorhandensein eines hervorragenden Flansches um die Umfangskante
des kreisförmigen Klemmteils
herum, insbesondere in der Nähe
oder an der Stelle des Auslasses 40b des Membrangehäuses 29,
verhindert eine nachteilige Verformung und insbesondere eine extreme
Verformung in das Membrangehäuse 29 der
Membran 25. Die Membran 25 wird an der Stelle
des Auslasses 40b während
des Ausschubtakts auf dem hervorragenden Flansch 50 des
kreisförmigen
Klemmteils 29a geklemmt, wodurch die nachteilige, unerwünschte Verformung
des Membranmaterials 25 und eine Beschädigung an dem Membranmaterial 25 verhindert
wird.
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Wie
in 4 dargestellt ist, ist der hervorragende Flansch 50 entlang
der oberen Hälfte
der Umfangskante des Klemmteils vorhanden.
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Obwohl
der hervorragende Flansch auch entlang der unteren Hälfte der
Umfangskante des Klemmteil des 29 vorhanden sein kann,
d. h. in der Nähe
des Einlasses 40a, ist herausgefunden worden, dass sich
die nachteilige Verformung der Membran 25 hauptsächlich an
der Stelle des Auslasses 40b des Membrangehäuse 29 ausbildet.
Während des
Ausschubtakts öffnet
sich das Einwegventil 41b in dem Auslassrohrabschnitt 43 des
Rohrsystems 40 (wohingegen sich das Einwegventil 41a in
dem Einlassabschnitt 42 des Rohrsystems 40 schließt), und die
Schlammgemischmenge, welche sich in dem Membrangehäuse 29 aufgesammelt
hat, wird unter einem hohen mittels der Arbeitsflüssigkeit 24 durch den
Kolben 23 und durch die Membran 25 ausgeübten Druck
durch den sich verengenden Durchlass des Auslasses 40b gedrängt.
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Der
verengte Durchlass des Auslasses 40b fungiert als ein Venturi-Rohr
während
dieser Durchströmung,
so dass hohe Fliessgeschwindigkeiten des Schlammgemisches in dem
verengten Durchlass erzeugt werden. Dieser hydrodynamische Vorgang führt zu einem
Druckabfall an dem Auslass 40b und folglich zu einer extremen
Verformung der Membran an der Stelle des Auslasses 40b (siehe 3).
Diese extreme Verformung wird im großen Maß durch den hervorragenden
Flansch 50 verhindert. Die Haltbarkeitsdauer der Membran
wird somit wesentlich verlängert,
da die Membran nicht länger
einer sich wiederholenden extremen Verformung ausgesetzt ist, welche
gewöhnlich
den Alterungsprozess der Membran 25 beschleunigt, welches
im allgemeinen aus Gummi hergestellt ist.
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Gemäß einer
in 4 dargestellten Ausführungsform variiert die Länge l des
hervorragenden Flansches entlang der Umfangskante. Insbesondere ist
die Länge
des hervorragenden Flansches in der Nähe des Auslasses 40b am
größten, während sie
in der Mitte der Umfangskante 29a' gleich Null ist. Insbesondere
stimmt der hervorragende Flansch 50 mit der Umfangskante 29a' in der Nähe der Mitte
des Klemmteils 29a überein
(in der Richtung eines Stroms von dem Einlass 40a zu dem
Auslass 40b her gesehen).
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Da
die Membran 25 während
des Betriebs mit jedem Ausschubtakt an den hervorragenden Flansch 50 stößt, weist
die Endkante 50a des hervorragenden Flansches 50 eine
Krümmung
R auf, um zu verhindern, dass die Kante in die flexible Membran 25 schneidet.
Der Radius der Krümmung
R der Endkante 50a ist insbesondere proportional zu der
Dicke der Membran 25, und bei einer anderen Ausführungsform
ist der Krümmungsradius
R der Endkante 50a proportional zu der Gegenkrümmung der
vorgeformten Membran 25, und dies in solch einer Weise, dass
der Umfang einer Ausdehnung, welcher während einer Auslenkung auftritt,
ausreichend gering ist, um die angestrebte Haltbarkeitsdauer zu
erzielen.
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Es
ist herausgefunden worden, dass, wenn der Krümmungsradius der Endkante 50a in
einem Bereich von 8 bis 80 mm liegt, verhindert wird, dass die Kante
in die Membran schneidet, wodurch die Haltbarkeitsdauer der Membran 25 weiter
verlängert wird.
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Es
sei weiterhin angemerkt, dass es bevorzugt ist, keinen hervorragenden
Flansch 50 auf der unteren Hälfte der Umfangskante 29a' des Klemmteils 29a bereitzustellen,
da dies dazu führen
kann, dass sich das Schlammgemisch zwischen dem Flansch und der
Membran 25 sammelt, was eine Beschädigung der Membran verursachen
kann.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die
Erfindung betrifft eine Membranpumpe zum Pumpen von aggressiven
und/oder abrasiven Medien, wie z. B. Schlämmen, umfassend ein Membrangehäuse, welches
in einem im Wesentlichen vertikal angeordneten Rohrsystem angebracht
ist, wobei das im Wesentlichen vertikal angeordnete Rohrsystem mindestens
einen Einlass und mindestens einen Auslass, welcher in einem Abstand
oberhalb des Einsatzes angeordnet ist, wie auch mindestens eine
im Wesentlichen kreisförmige,
flexible Membran umfasst, wobei die Membran unter dem Einfluss einer unter
Druck zu setzenden Arbeitsflüssigkeit
in dem Membrangehäuse
bewegbar ist, wobei die kreisförmige
Außenkante
der Membran mittels eines kreisförmigen
Klemmteils in dem Membrangehäuse
unten geklemmt wird. Erfindungsgemäß ist die Membranpumpe dadurch
gekennzeichnet, dass das kreisförmige
Klemmteil auf der Umfangskante davon mit einem Flansch versehen
ist, welcher sich parallel zu der Ebene, welche durch das Klemmteil
gebildet wird, erstreckt. Da das kreisförmige Klemmteil mit einem Flansch
versehen ist, welcher sich in der Ebene, welche durch das Klemmteil
gebildet wird, erstreckt, wird eine nachteilige Verformung der Membran
während
des Ausschubtakts verhindert, da die sich verformende Membran gegen
den Flansch stößt.