DE202004003032U1 - Membranpumpe insbesondere für aggressive Medien - Google Patents

Abstract

Membranpumpe insbesondere für aggressive Medien mit
– einem Arbeitsraum (12),
– einer mit einem Saugventil (15) absperrbaren Zulaufleitung (19) zum Arbeitsraum (12),
– einem mit einem Druckventil (22) absperrbaren Ablaufleitung (20) vom Arbeitsraum (12), und
– einer im Arbeitsraum (12) angeordneten, eine alternierende Saug- und Druckbewegung vollführenden Membran (7), dadurch gekennzeichnet,
– dass die Membran (7) als im Wesentlichen schlauchförmiges Elastomerteil ausgebildet ist, wobei der Arbeitsraum (12) auf ihrer Außenseite angeordnet und ihr fluiddichter Innenraum (29) mit einem Arbeitsfluid derart alternierend beaufschlagbar und entlastbar ist, dass die Membran (7) durch Fluidbeaufschlagung des Membran-Innenraums (29) zur Durchführung eines Fördertaktes in den Arbeitsraum (12) expandierbar und durch Fluidentlastung des Membran-Innenraums (29) zur Durchführung eines Saugtaktes komprimierbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Membranpumpe, insbesondere für aggressive Medien mit den im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, eine Membranpumpe der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass für die Beaufschlagung der Membran keine dynamisch bewegten mechanischen Teile notwendig sind.
• 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.
• 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 dem 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.
• 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.
• Mit Hilfe des Stützkerns kann der Membranschlauch vollflächig unter Spannung gehalten werden, sodass beim Zusammenziehen nach dem Expandieren der Membranschlauch hohe Saugkräfte entwickeln kann.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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:
• 1 einen Schnitt durch eine Membranpumpe in Arbeitsstellung nach dem Saugtakt und
• 2 einen Schnitt analog 1 nach dem Fördertakt der Pumpe.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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 Ablauflcanal 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.
• 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.
• 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.
• 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.

Claims (9)

1. Membranpumpe insbesondere für aggressive Medien mit – einem Arbeitsraum (12), – einer mit einem Saugventil (15) absperrbaren Zulaufleitung (19) zum Arbeitsraum (12), – einem mit einem Druckventil (22) absperrbaren Ablaufleitung (20) vom Arbeitsraum (12), und – einer im Arbeitsraum (12) angeordneten, eine alternierende Saug- und Druckbewegung vollführenden Membran (7), dadurch gekennzeichnet, – dass die Membran (7) als im Wesentlichen schlauchförmiges Elastomerteil ausgebildet ist, wobei der Arbeitsraum (12) auf ihrer Außenseite angeordnet und ihr fluiddichter Innenraum (29) mit einem Arbeitsfluid derart alternierend beaufschlagbar und entlastbar ist, dass die Membran (7) durch Fluidbeaufschlagung des Membran-Innenraums (29) zur Durchführung eines Fördertaktes in den Arbeitsraum (12) expandierbar und durch Fluidentlastung des Membran-Innenraums (29) zur Durchführung eines Saugtaktes komprimierbar ist.
2. Membranpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran als an einem Ende geschlossener, einstöckiger Membranschlauch (7) ausgebildet ist, – der auf einem in den Membran-Innenraum (29) eingreifenden Stützkern (10) sitzt, und – der von einem den Arbeitsraum bildenden Pumpengehäuse (11) umgeben ist.
3. Membranpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranschlauch (7) vollflächig unter Spannung auf dem Stützkern (10) sitzt.
4. Membranpumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Stützkern (10) eine in den Membran-Innenraum (29) ausmündende Leitung (26) zur Zuführung des Arbeitsfluids verläuft.
5. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Stützkern (10) in Umfangs- und/oder Axialrichtung Fluidkanäle (28) angeordnet sind.
6. Membranpumpe nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch Druckluft als Arbeitsfluid, die über ein elektromagnetisch ansteuerbares Mehrwege-Ventil (25) zur Druckbeaufschlagung und -entlastung des Membran-Innenraums (29) geführt ist.
7. Membranpumpe nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamten Bauteile der Membranpumpe (1) an/in einem Behälteraufsatz (4) für einen das zu fördernde Medium aufnehmenden Behälter (2) angeordnet sind.
8. Membranpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Arbeitsraum (12) bildendes Pumpengehäuse (11) als in den Behälter eintauchender Tauchbehälter ausgebildet ist.
9. Membranpumpe nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Saugventil integral durch den Membranschlauch (7) gebildet ist.