DE19901893C1 - Membranpumpe mit hydraulisch angetriebener Membran - Google Patents
Membranpumpe mit hydraulisch angetriebener MembranInfo
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Abstract
Bei einer Membranpumpe mit hydraulisch angetriebener Membran (10a, 10b, 10c), die in radialer Richtung wellenförmig verläuft, ist die Anordnung derart getroffen, daß die Wellenlänge und/oder die Amplitude der wellenförmigen Ausbildung der Membran (10a, 10b, 10c) in radialer Richtung variabel ausgestaltet ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Membranpumpe mit hydraulisch angetriebener Mem
bran gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Wachsende Umweltschutzforderungen verbunden mit strengen Gesetzesauflagen
können künftig meist nur mit hermetisch dichten Prozeßanlagen erfüllt werden.
Leckfreie Fluidarbeitsmaschinen, wie beispielsweise Pumpen und Verdichter, sind
dabei von großer Bedeutung. Besonders für die Förderung toxischer, gefährlicher,
belästigender, empfindlicher, abrasiver, korrosiver Fluide sowie für aseptische Be
dingungen sind Membranpumpen eine optimale Lösung. Die Membran als zen
trales Element erfüllt die Doppelfunktion als statische Dichtung und Verdränger in
Form einer elastischen Förderraumwand. Die statische Membrandichtung ist die
Grundlage für die hermetische Dichtheit von Membranpumpen. Die Membran
überträgt ferner die oszillierende Hubbewegung eines Antriebs auf das zu fördern
de Fluid, wodurch nicht nur die pulsierende Förderung, sondern auch eine Interak
tion mit den Fluidmassen im Rohrleitungssystem zustande kommt. Bei Membran
pumpen mit hydraulischem Membranantrieb wird die oszillierende Bewegung ei
nes Antriebsorgans über eine Hydraulikvorlage, welche ein Hydraulikfluid umfaßt,
auf die Membran übertragen. Die hydraulisch angetriebene Membran arbeitet
stets druckausgeglichen und muß nur Auslenkungsbeanspruchungen ertragen.
Membranen für hydraulische Membranpumpen sollen möglichst verformungsfähig
sein, um zwischen den Grenzen der positiven und negativen Verformung mög
lichst viel Volumen einzuschließen. Dabei kann es jedoch in unerwünschter Weise
zu einem lokalen Beulen der Membran kommen. Hieraus ergeben sich lokal große
Biegewechselbeanspruchungen, die relativ schnell zu Werkstoffermüdungen füh
ren.
Aus der DE 196 31 081 C1 ist eine Membran mit großer Haltbarkeit bekannt, wel
che konzentrische Rillen auf einer einem Medium abgewandten Oberseite und
konzentrische Wölbungen auf einer einem Medium zugewandten Unterseite auf
weist. Hierbei sind die Rillen mit kantigen Übergängen in der Oberfläche der
Membran angeordnet, und die Wölbungen liegen den tiefsten Punkten der Rillen
gegenüber, wobei beim Betätigen der Membran die Oberseite stärker verändert
wird und die Rillen beidseitig mit ihren Kanten zusammengedrückt werden und
damit die Materialstauchung kompensieren, während die Wölbungen auf der Un
terseite nur schwach hervortreten. Jedoch sind auch dieser Membran bezüglich
Haltbarkeit und Lebensdauer Grenzen gesetzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Membranpumpe mit hydraulisch
angetriebener Membran der o. g. Art derart zu verbessern, daß zwei konkurrieren
de Bedingungen für die Membran erfüllt sind, nämlich einerseits eine höchstmögli
che Verformbarkeit, die es ermöglicht, während der Arbeitsbewegung ein größt
mögliches Volumen zu durchstreichen, und andererseits eine minimale Neigung
zu lokalen Beulvorgängen während der Bewegung.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Membranpumpe der o. g. Art mit
den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestal
tungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Wellen konzentrisch um den Mit
telpunkt der Membran herum ausgebildet. Hierdurch ergibt sich eine rotations
symmetrische Spannungsbelastung der Membran im Betrieb.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Wellenlänge und/oder die Amplitude
der wellenförmigen Ausbildung der Membran in radialer Richtung unterschiedlich
ausgebildet ist.
Dies hat den Vorteil, daß bei ausreichender Verformbarkeit der Membran für einen
Betrieb mit großem Hub gleichzeitig eine ausreichende Steifigkeit gegen die Aus
bildung lokaler Beulen gewährleistet ist. Dadurch erhöht sich die Betriebssicher
heit und Standzeit der Membranpumpe.
Zweckmäßigerweise nimmt die Wellenlänge und/oder die Amplitude vom Mittel
punkt der Membran ausgehend in radialer Richtung nach außen zu oder nimmt
zunächst zu, erreicht ein Maximum und fällt (nimmt) dann wieder ab.
Zum entsprechenden Abstützen der Membran sind einen Arbeitsraum der Mem
bran begrenzende Stützflächen vorgesehen, wobei wenigstens die hydraulikseiti
ge Stützfläche eine Anlagekontur für die Membran in deren ausgelenkter Position
aufweist, die im wesentlichen der wellenförmigen Ausbildung der Membran ent
spricht. Hierdurch liegt die Membran nicht nur mit ihren Wellenbergen, sondern
über einen großen Teil der Kontur an den Stützflächen an. Dies verbessert die
Abstützung wesentlich, so daß die Membran, ohne Schaden zu nehmen, mit
Druck beispielsweise gegen die hydraulikseitige Stützfläche bzw. Anlage anpreß
bar ist.
Die Membran ist beispielsweise aus einem wenigstens teilweise plastomeren bzw.
elastischen Werkstoff, insbesondere PTFE oder PE, hergestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt, vom Mittelpunkt der Membran
ausgehend, ab 30% des Außenradius eine Wellenlänge der wellenförmigen Aus
bildung 6% bis 13% des Radius und eine Amplitude der wellenförmigen Ausbil
dung 2% bis 6% des Radius.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
jeweils im Schnitt:
Fig. 1 eine Membranpumpe,
Fig. 2 verschiedene Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Mem
branformen und
Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform von Stützflächen für die Membran.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, umfaßt die dargestellte Membranpumpe eine Membran
10, welche einen Förderraum 12 von einem Hydraulikraum 14 trennt. Als Hydrau
likantrieb ist ein Kolben 16 vorgesehen, der im Betrieb um eine konstante Kol
benmittellage oszilliert. Der Kolben 16 ist beispielhaft in der Kolbenmittellage 18
sowie in der vorderen Totlage 20 dargestellt. Die oszillierende Bewegung des Kol
bens 16 wird über eine Hydraulikflüssigkeit im Hydraulikraum 14 auf die Membran
10 übertragen, die eine entsprechende oszillierende Bewegung um die Mittellage
herum ausführt. Auf diese Weise wird von einer Saugseite 22 der Membranpumpe
Fluid angesaugt und an einer Förderseite 24 wieder abgegeben. Der Hydrau
likraum 14 ist über ein druckbegrenzendes Überdruckventil 26 und ein als
Schnüffelventil ausgebildetes Nachfüllventil 28 mit einem Hydraulikvorratsraum 30
verbunden. Ferner sind Stützflächen 31, 33 vorgesehen, die einen Arbeitsraum
der Membran 10 seitlich begrenzen. Hierbei bezeichnet 31 die hydraulikseitige
Stützfläche und 33 die förderraumseitige Stützfläche.
Bei den aus Fig. 2 ersichtlichen verschiedenen Membran-Ausführungsformen 10a,
10b, 10c ist die Ausgestaltung derart getroffen, daß in einem bestimmten Abstand
R, vom Mittelpunkt 32 der Membran ausgehend, die wellenförmige Ausbildung der
jeweiligen Membran 10a, 10b, 10c im radialen Schnitt einen Krümmungsradius r
aufweist. Vom Mittelpunkt 32 ausgehend bis zu einem Lagerungspunkt 34 der
Membran 10a, 10b, 10c nimmt hierbei die Krümmung der jeweiligen Wellen stän
dig zu.
Bei der Membran 10b nimmt im radialen Schnitt die Höhe der Wellen, also die
Amplitude, mit zunehmendem Mittelpunktsabstand R ebenfalls zu.
Bei der Membran 10c nimmt die Wellenlänge mit zunehmendem Mittelpunktsab
stand R ab.
Bei einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform der Membran 10 nimmt die
Amplitude mit R zu (gemäß Membran 10b), während gleichzeitig die Wellenlänge
mit zunehmendem R abnimmt (gemäß Membran 10c).
Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausbildung der Stützflächen 31 und 33, welche den
Arbeitsraum der Membran 10 begrenzen. Hierbei ist die Membran 10 analog der
Membran 10b gemäß Fig. 2 ausgebildet. Die Stützflächen 31, 33 weisen eine der
wellenartigen Ausbildung der Membran 10 analoge Kontur auf, so daß die Mem
bran 10 in den vollständig ausgelenkten Positionen nicht nur mit ihren Wellenber
gen an den Stützflächen 31, 33 anliegt, sondern auch mit einem wesentlichen Teil
ihrer Oberfläche. Auf diese Weise kann die Membran 10 auch mit hohen Drücken
an die Stützflächen 31, 33 angepreßt werden, ohne daß sie dabei Schaden nimmt.
Aufgrund der beschriebenen Ausbildung der Membran 10 kann ein Beulen durch
eine gewisse räumliche Mindestkrümmung (Versteifung durch Schalenformen) der
gefährdeten Geometrie vermieden werden. Für die räumliche Krümmung KR gilt:
KR = f(R; r)
wobei R = Abstand vom Membranmittelpunkt 32 (also gewissermaßen eine Orts
koordinate) und r = lokaler Krümmungsradius im radialen Profilschnitt.
Zu große Krümmungen schränken die Verformbarkeit ein und führen bei gleicher
Verformung ebenfalls zu einer Zunahme der "formbedingten" Ermüdungsgefahr.
Die beschriebene Membranform weist daher Formelemente auf, die zwischen Er
müdung durch lokales Beulen und formbedingter Ermüdung liegen.
Um über die gesamte Membranoberfläche lokales Beulen zu vermeiden und ande
rerseits das Maximum der Verformbarkeit so weit wie möglich auszudehnen, wird
erfindungsgemäß die zunehmende Krümmungsabnahme bei zunehmendem Ab
stand R vom Membranmittelpunkt 32 durch eine Zunahme der lokalen Krümmung
r(R) im radialen Schnitt ausgeglichen.
Es ergeben sich somit für die Membran 10 Geometrieelemente, die von den übli
chen ebenen oder kalottenförmigen Begrenzungsflächen des Membranarbeits
raumes 12, 14 abweichen. Diesem ist durch die erfindungsgemäß ausgebildeten
Stützflächen 31, 33 gemäß Fig. 3 mit einer der Membran 10 entsprechenden
Kontur Rechnung getragen.
Der hier verwendete Ausdruck "Wellen" bezeichnet im wesentlichen nur solche
Formausprägungen, die einen deutlich meßbaren Anteil an der Verformung der
Membran 10 und damit an deren Verdrängungsvolumen aufweisen.
Claims (8)
1. Membranpumpe mit hydraulisch angetriebener Membran (10; 10a; 10b;
10c), wobei die Membran (10; 10a; 10b; 10c) in radialer Richtung wellen
förmig ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wellenlänge und/oder die Amplitude der wellenförmigen Ausbildung
der Membran (10; 10a; 10b; 10c) in radialer Richtung unterschiedlich aus
gestaltet ist.
2. Membranpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wel
lenlänge vom Mittelpunkt (32) der Membran (10; 10a; 10b; 10c) ausgehend
in radialer Richtung nach außen zu- oder abnimmt.
3. Membranpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Amplitude vom Mittelpunkt (32) der Membran (10; 10a; 10b; 10c) ausge
hend in radialer Richtung nach außen zu- oder abnimmt.
4. Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Wellen konzentrisch um den Mittelpunkt (32) der
Membran (10; 10a; 10b; 10c) herum ausgebildet sind.
5. Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß einen Arbeitsraum (12, 14) der Membran (10; 10a; 10b;
10c) begrenzende Stützflächen (31, 33) vorgesehen sind, wobei wenigstens
die hydraulikseitige Stützfläche (31) eine Anlagekontur für die Membran
(10; 10a; 10b; 10c) in deren ausgelenkter Position aufweist, die im wesent
lichen der wellenförmigen Ausbildung der ausgelenkten Membran (10; 10a;
10b; 10c) entspricht.
6. Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Membran (10; 10a; 10b; 10c) aus einem wenigstens
teilweise plastomeren bzw. elastischen Werkstoff, insbesondere PTFE oder
PE, hergestellt ist.
7. Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß vom Mittelpunkt (32) der Membran (10) ausgehend ab
30% des Außenradius eine Wellenlänge der wellenförmigen Ausbildung 6%
bis 13% des Radius beträgt.
8. Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß vom Mittelpunkt (32) der Membran (10) ausgehend ab
30% des Außenradius eine Amplitude der wellenförmigen Ausbildung 2%
bis 6% des Radius beträgt.
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