DE2713599C2 - - Google Patents
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- DE2713599C2 DE2713599C2 DE2713599A DE2713599A DE2713599C2 DE 2713599 C2 DE2713599 C2 DE 2713599C2 DE 2713599 A DE2713599 A DE 2713599A DE 2713599 A DE2713599 A DE 2713599A DE 2713599 C2 DE2713599 C2 DE 2713599C2
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
- F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
- F04B43/0009—Special features
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-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
- F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
- F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
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Description
Die Erfindung betrifft eine Membranpumpe, mit einem Gehäuse
mit Einlaß und Auslaß für Strömungsmittel, einer
mit Einlaß und Auslaß in Verbindung stehenden Pumpenkammer,
Einlaß- und Auslaßventileinrichtungen, einer flexiblen
bzw. elastischen Membran, in welcher ein bogenförmig
gewölbter Steg ausgebildet ist, die um ihren Umfang herum
zwischen zwei trennbaren Teilen des Gehäuses verspannt
ist und deren eine Fläche einen Teil des Umrisses der
Pumpenkammer festlegt, einem vom Mittelteil der anderen
Fläche der Membran abstehenden Anschluß, Mitteln zur Anbringung
des Gehäuses an einem eine Drehung erzeugenden
Motor und einer Antriebseinrichtung zur Hin- und Herbewegung
der Membran, um abwechselnd Strömungsmittel über
die Einlaßventileinrichtung in die Pumpenkammer anzusaugen
und das Strömungsmittel sodann über die Auslaßventileinrichtung
auszutragen.
Die US-PS 39 47 156 zeigt eine Pumpe der eingangs genannten
Art, bei welcher der Antrieb über einen auf der Welle
eines Elektromotors angeordneten Exzenter erfolgt. Die
Unterseite des Gehäuseoberteils dieser Pumpe besitzt eine
konkav gekrümmte sphärische Oberfläche, der die Oberfläche
der Oberseite des zentralen Teils der Membran im wesentlichen
angepaßt ist. Nachteilig ist bei dieser Pumpe,
daß es bei der Hubbewegung der Membran zu einer Dehnung
des flexiblen Teils der Membran und zur Knickung der Membran
am Übergangsbereich von einem relativ steifen Befestigungsfortsatz
zum flexiblen Teil der Membran kommt,
was deren Lebensdauer verkürzt.
Die US-PS 30 21 792 zeigt eine Membranpumpe mit einem
Pumpengehäuse mit einem Vorsprung, der sich in die Pumpenkammer
erstreckt und zur Verringerung des Totvolumens
dient. Bei dieser Pumpe wird die Membran durch einen
Stößelantrieb geradlinig auf- und abbewegt. Aufgrund
dieser Antriebsart ist die Hubzahl begrenzt, da die
Rückstellung durch eine Schraubenfeder erfolgt. Dies
wiederum hat eine begrenzte Förderleistung der Membranpumpe
zur Folge.
Eine weitere Membranpumpe ist in der BE-PS 5 02 350 beschrieben.
Diese Pumpe besitzt Pumpengehäuseteile mit der
Membran zugewandten Ringflächen unterschiedlicher Durchmesser.
Nachteilig weisen diese Ringflächen an ihren
Innenseiten scharfe rechteckige Kanten auf, über welche
die Membran nach oben bzw. unten gebogen wird. Dies
stellt eine sehr hohe Beanspruchung der Membran in den
Biegebereichen dar und führt zu vorzeitigem Verschleiß.
Aus der US-PS 39 36 245 ist ebenfalls eine Membranpumpe
mit unterschiedlichen Durchmessern der der Membran benachbarten
Gehäuseteile bekannt, wobei der Unterschied
der Durchmesser der betreffenden Ringflächen größer oder
gleich der sechsfachen Dicke der Membran ist. Nachteilig
ist bei dieser Pumpe, daß der Innenrand der Ringfläche
scharfkantig ausgebildet ist, was zu den bereits im vorangehenden
Absatz beschriebenen Verschleißproblemen
führt. Außerdem ist diese Pumpe sehr kompliziert mit
einer Vielzahl von Einzelteilen aufgebaut. Der Antrieb
erfolgt hier über einen in einem magnetischen Wechselfeld
schwingenden, an einem Pendelarm befestigten Magneten,
wodurch die Leistungsfähigkeit dieser Pumpe sehr begrenzt
ist.
Die DE-PS 8 26 244 schließlich zeigt eine Membranpumpe,
für welche zur Verlängerung der Membran-Lebensdauer eine
unterschiedliche Größe von Ansaug- und Förderhub vorgeschlagen
wird. Nachteilig ist bei dieser Pumpe, daß insbesondere
während des Ansaughubes eine Dehnung der Membran
erfolgt, die deren Lebensdauer abträglich ist.
Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Membranpumpe der
eingangs genannten Art zu schaffen, die von der Welle
eines Elektromotors her antreibbar ist, die einen einfachen
Aufbau besitzt und die eine verlängerte Betriebslebensdauer
der Membran gewährleistet. Die Membranpumpe
soll weiterhin wenig Aufwand für die Kraftübertragung von
der Antriebswelle eines Elektromotors erfordern und sich
für einen Betrieb mit hoher Geschwindigkeit bzw. Drehzahl
eignen. Schließlich soll die Membranpumpe auch einen
wirksamen Unterdruck erzeugen können.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch
eine Membranpumpe der eingangs genannten Art mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Bei der Membranpumpe gemäß Erfindung werden vorteilhaft
eine verlängerte Betriebslebensdauer der Membran und ein
verbesserter Wirkungsgrad der Membranpumpe unter Ausnutzung
der an der Antriebswelle eines Elektromotors zur
Verfügung stehenden hohen Drehzahlen gewährleistet. Die
Verbesserung der Membran-Lebensdauer wird insbesondere
dadurch erreicht, daß die Membran weder einer Dehnung
oder Knickung noch einer Reibung an Teilen des Pumpengehäuses
unterliegt. Die Verwendung eines Exzenters ist
eine wenig Aufwand erfordernde Möglichkeit zur Umsetzung
der von dem Elektromotor gelieferten Drehbewegung in eine
hin- und hergehende bzw. schwingende Bewegung der Membran.
Die der Hin- und Herbewegung überlagerte Kippbewegungskomponente
ist bei der neuen Membranpumpe nicht nur
tolerierbar, sondern trägt aufgrund der besonderen Auslegung
der Membran und des Pumpengehäuses zur Verlängerung
der Betriebslebensdauer der Membran bei. Zudem ist
der am Ende eines Aufwärts-Hubes im Pumpengehäuse verbleibende
Totraum sehr klein, so daß die vorliegende
Membranpumpe auch sehr gut für die Erzeugung eines Unterdruckes
verwendbar ist.
Nachstehend sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
anhand der Zeichnung näher erläutert.
Die Figuren der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Membranpumpe
nach der Erfindung, in welcher die Pumpe an
einen Elektromotor angebaut und antriebsmäßig mit
dessen Antriebswelle verbunden ist,
Fig. 2 einen im vergrößerten Maßstab gehaltenen Schnitt
längs der Linie 2-2 in Fig. 1 zur Darstellung
der Membran am unteren Totpunkt ihres Ansaughubs,
Fig. 3 eine Fig. 2 ähnelnde Darstellung ausschließlich
des Pumpmechanismus, in welcher die Membran einen
Punkt nahe dem Ende ihres Förderhubs erreicht
hat,
Fig. 4 eine Fig. 3 ähnelnde Darstellung, welche die
Membran unmittelbar zu Beginn des Ansaughubs
zeigt,
Fig. 5 eine in weiter vergrößertem Maßstab gehaltene
Teildarstellung eines Teils der Pumpe gemäß Fig. 3
und
Fig. 6 einen Schnitt durch das Zentrum der Membran-
Unterbaugruppe, in welchem die Membran in ausgezogenen
Linien in ihrem unbelasteten Zustand
veranschaulicht ist und welcher in gestrichelten
Linien den Zustand der Membran am äußersten Ende
oder Totpunkt einmal des Förderhubs und zum anderen
des Ansaughubs zeigt.
Gemäß Fig. 1 ist eine Pumpe 11 mit Merkmalen nach der Erfindung
in Antriebsposition am einen Ende eines gewöhnlichen
Elektromotors 13 angeflanscht. Obgleich der Motor selbst
keinen Teil der Erfindung darstellt, zeigt eine Betrachtung
von Fig. 1 die vergleichsweise geringe Größe und Kompaktheit
der Pumpe 11 im Vergleich zur üblichen Größe eines Wechselstrom-
Elektromotors mit einer Leistung entsprechend einem
Bruchteil eines PS. Zweckmäßig ist an der Antriebswelle 17
des Elektromotors 13 eine Kupplung 15 vorgesehen, welche
einen exzentrisch angeordneten Wellenstummel 19 trägt, der
seinerseits in den Innenlaufring einer Kugellagerbüchse 21
eingesetzt ist und bei der Drehung der Welle 17 des Elektromotors
um ihre Achse eine Kreisbahn beschreibt (vergl. die
strichpunktierte Linie 0 in Fig. 4).
Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich ist, weist die Pumpe
11 ein zweistückiges Gehäuse 22 auf, das aus einem oberen
Kopfteil 23 und einem unteren Hauptteil 25 besteht. Obgleich
in der Beschreibung die Ausdrücke "oberer" und "unterer" zur
einfacheren Definition der Lage der Pumpenbauteile in der
Anordnung gemäß den Zeichnungen benutzt werden, sollen diese
Ausdrücke selbstverständlich lediglich erläuternden Charakter
besitzen, da die Pumpe in jeder anderen Lage, d. h. um 90°
oder sogar um 180° aus der dargestellten Position verdreht,
gleich gut arbeitet.
Die beiden Teile 23, 25 des Pumpengehäuses werden vorzugsweise
aus einem dauerhaften, korrosionsbeständigen Kunststoff,
z. B. aus Noryl, einem von der Firma General Electric Company
vertriebenen Polyphenylenoxid-Harz, hergestellt, obgleich
auch andere passende Werkstoffe verwendet werden können. Der
Kopfteil 23 ist mit Hilfe von vier Schrauben 27 fest an der
Oberseite des Hauptteils 25 des Gehäuses verspannt. Zur
Gewährleistung einer guten Spannwirkung dieser Schrauben
sind vorzugsweise nicht dargestellte Messingeinsätze in vier
Angüsse 29 eingegossen, die um die Oberseite des Hauptteils
25 herum auf entsprechende Winkelabstände verteilt sind. Als
einstückig mit dem Hauptteil 25 ausgebildeter Bauteil ist
ein kreisförmiger Anbauflansch 31 vorgesehen, der vier
Bohrungen aufweist, welche von Schraubbolzen 33 des Elektromotors
durchsetzt werden, auf die wiederum zur Montage der
Pumpe Muttern 35 aufgeschraubt sind. Der Hauptteil 25 weist
ein hohlzylindrisches Gehäuse 37 mit einer lotrechten Achse
auf, das mit dem Anbauflansch 31 materialeinheitlich ausgebildet
ist und von ihm nach vorn ragt. Über eine erweiterte
Bohrung 39 können Motorwelle 17, Kupplung 15 und
einige der damit verbundenen Übertragungsteile in das
zylindrische Gehäuse 37 eingeführt werden. Das untere Ende
des Gehäuses 37 ist mittels einer Aluminiumscheibe 41 o. dgl.
verschlossen.
An den Kopfteil 23 des Gehäuses 37 sind ein Einlaß 43 und ein
Auslaß 45 für die Pumpe angegossen. Der Einlaß 43 ist im
Oberteil mit einer Gewindebohrung 47 zur Aufnahme eines
Gewindekupplungsstücks für die Verbindung mit einer
Strömungsmittelleitung versehen. Diese Gewindebohrung 47
ist mit der Unterseite des Kopfteils 23 durch einen
abgestuften Durchgang 49 verbunden, der drei Abschnitte
verschiedenen Durchmessers aufweist. Der oberste, den
kleinsten Durchmesser besitzende Abschnitt bleibt frei,
und an seiner Unterseite liegt ein Ventilelement in Form
einer kleinen kreisförmigen Scheibe 51 an, welche den Einlaß
43 während des Förderhubs der Pumpe verschließt. Die Ventilscheibe
51 ist im Mittelabschnitt des Durchgangs durch ein
starres, mit Bohrungen versehenes Halte- oder Sicherungselement
53 festgelegt, das mittels Preßsitzes oder anderweitig
im untersten, den größten Durchmesser besitzenden Teil
des Durchgangs 49 befestigt ist. Die im Halteelement 53 vorgesehenen
Bohrungen sind länglich und so angeordnet, daß es
für die Ventilscheibe 51 unmöglich ist, diese Bohrungen bei
gemäß Fig. 2 offenem Ventil zu verschließen, während der
Durchmesser der Ventilscheibe ausreicht, um während des
Förderhubs ein vollständiges Verschließen des den kleinsten
Durchmesser besitzenden Abschnitts des Durchgangs 49 zu
gewährleisten.
Zur Gewährleistung maximaler Pumpenleistung in bezug auf
Strömungsmenge, Druck oder Unterdruck sind zwei Faktoren für
die Ventilauslegung von besonderer Wichtigkeit. Einmal muß
nämlich das Ventilelement einwandfrei am Ventilsitz anliegen
und eine einwandfreie Abdichtung herstellen können, und zum
anderen darf das Ventilelement nicht unzulässig am Ventilsitz
hängenbleiben, sondern es muß der Membranbewegung
genau zu folgen vermögen.
Diese Faktoren sind bei einer vollständig aus Kunststoff
bestehenden Pumpe ziemlich kritisch, da hierbei im Fall von
zwei sich relativ zueinander bewegenden Kunststoffteilen ein
sog. "Freßabrieb" auftritt. Bei einer solchen Relativbewegung
werden Druck und Reibungswärme erzeugt. Unter solchen
Bedingungen können thermoplastische Kunststoffe anschmelzen
und an der benachbarten Fläche anzukleben bestrebt sein,
d. h. das Kunststoff-Ventilelement kann am Kunststoff-Ventilsitz
festkleben. Dies kann zu einer Beeinträchtigung der
gesamten Strömungs- und Druck- oder Vakuumcharakteristik
der Pumpe führen.
Diese Festklebwirkung der einander berührenden Flächen
wird durch eine Scherwirkung aufgebrochen, durch welche
feines Polymerpulver allmählich von den Berührungsflächen
abgetragen wird. Diese Teilchen verschweißen sich ihrerseits
mit dem Ventilsitz, wobei ihre Ansammlung schließlich ein
einwandfreies Anlegen des Ventilelements und ein ordnungsgemäßes
Schließen des Ventils verhindert. Es hat sich gezeigt,
daß dieses Problem durch Verwendung von Kunststoffteilen mit
selbstschmierenden und nicht-haftenden Eigenschaften weitgehend
ausgeschaltet werden kann. Die betreffenden Teile
können daher mit Polytetrafluoräthylen und Molybdändisulphid
oder einem ähnlichen Stoff beschichtet werden. Es hat sich
auch erwiesen, daß dann, wenn der Ventilkörper aus einem
bestimmten Thermoplast besteht, verbesserte Ergebnisse
erzielt werden, wenn die Ventilelemente aus einem anderen
Thermoplast hergestellt werden. Im vorliegenden Fall werden
sehr zufriedenstellende Ergebnisse erzielt, wenn der
Kopfteil 23 aus Polyphenylenoxid geformt oder gegossen
und die Ventilscheibe 51 aus Polytetrafluoräthylen ausgestanzt
oder gepreßt wird.
Der Auslaß 45 ist auf ähnliche Weise mit einem obersten
Gewindebohrungsteil 55 und einem abgestuften unteren Durchgang
57 mit drei Abschnitten verschiedenen Durchmessers
versehen, von denen der Abschnitt mit dem kleinsten Durchmesser
die Verbindung mit der Unterseite des Gehäuse-Kopfteils
23 herstellt. Hierbei ist wiederum ein kreisscheibenförmiges
Ventilelement 59 im Durchgang-Mittelabschnitt mittels
eines mit Öffnungen oder Bohrungen versehenen Halteelements
61 festgelegt, das im obersten Durchgangsabschnitt befestigt
ist. Der abgestufte Durchgang 57, die Scheibe und das
Halteelement bilden dabei gemeinsam das Auslaßventil.
Die in Fig. 6 näher veranschaulichte Membrananordnung weist
eine flexible bzw. elastische Membran 63 mit einer versteifenden,
zentralen Platten-Unterbaugruppe auf, die mit
einem starren Zapfen 65 versehen ist, welcher von der Mitte
einer starren, kreisförmigen, aus Stahl o. dgl. bestehenden
Platte 67 nach unten abgeht. Der Zapfen 65 ist mit einer
Bohrung mit Innengewinde 69 zur Aufnahme des Gegengewindes
eines Schraubbolzens 71 versehen.
Wie erwähnt, ist das Exzenterstück 19 an der Motorwellen-
Kupplung 15 mit Preßsitz im Innenlaufring des Lagers 21
festgelegt, während um den Außenlaufring des Lagers herum
ein Spannstück 73 angeordnet ist. Das Spannstück 73 weist
einen oberen Halterungsteil 75 mit einer Bohrung auf, durch
welche der Schraubbolzen 71 vor der Anbringung des Spannstücks
am Außenlaufring des Lagers 21 hindurchgeführt wird.
Durch Festziehen einer Mutter 77 auf einer Schraube wird
die endgültige Verbindung hergestellt.
Die flexible Membran 63 besteht aus einem dauerhaften, vorzugsweise
chemisch beständigen Kunstkautschuk oder einem
elastomeren Material; vorzugsweise ist sie um die zentrale
Platte 67 der Unterbaugruppe herumgegossen, die bei Anwendung
üblicher Gießverfahren als Einsatz in den Formraum eingesetzt
wird. Beispielsweise kann die flexible Membran 63 aus Nitril-
oder Viton-Kunstelastomer bestehen. Aufgrund des Gießvorgangs
gelangt die Rückseite des Mittelbereichs der flexiblen
Membran 63 in fest haftende Berührung mit der Oberseite der
starren Platte 67, so daß die Antriebskraft von der sich
drehenden Welle 17 effektiv auf die Membran übertragen
werden kann. Die feste Verbindung zwischen der Platten-Unterbaugruppe
und der flexiblen Membran wird dadurch verbessert,
daß der Außenumfang der Platte 67 durch einen nach innen
herumgezogen, beim Gießvorgang gebildeten Flansch 79
vollständig von der Membran umschlossen ist.
Wie erwähnt, besitzt die Membran 63 eine im wesentlichen
plane Form und einen kreisförmigen Umriß. Am äußersten
Umfang der Membran 63 ist ein hochstehender Wulst 81 angegossen,
der ein festes und dichtes Einspannen des gesamten
Membranumfangs zwischen den zusammengefügten Teilen 23, 25
des Pumpengehäuses gewährleistet. Wie am besten aus Fig. 5
hervorgeht, ist die Tiefe einer in die Unterseite des
Kopfteils 23 eingestochenen Ringnut 83 kleiner als die Höhe
des Umfangwulstes 81, jedoch in Radialrichtung etwa breiter
als dieser, so daß der Wulst beim Verspannen unter Ausfüllung
der Nut zusammengedrückt und etwas nach außen in eine in der
Oberseite des Gehäuse-Hauptteils ausgebildete Tasche 85 verpreßt
wird, wenn der Kopfteil am Hauptteil 25 angebracht wird.
Durch dieses lotrechte Verpresen des Wulstes 81 wird die flexible
Membran 63 effektiv am Gehäuse 22 verspannt, jedoch nicht
in Radialrichtung beansprucht, wodurch Belastungen oder
Spannungen hervorgerufen werden würden, die einen Verschleiß
begünstigen würden.
Die flexible Membran 63 ist mit einer nach oben ragenden,
bogenförmigen Eindrückung oder einem Steg 87 versehen, die
bzw. der einen bedeutsamen Beitrag zur Gewährleistung
längerer Betriebslebensdauer der Membran leistet. Die Oberseite
der verspannten Membran 63 bildet zusammen mit der
Unterseite des Kopfteils 23 des Gehäuses die Pumpenkammer 89,
welcher gegenüber der bogenförmig gewölbte Steg 87 konvex
ist. Die weiteren Konstruktionsmerkmale der Membran 63 und
des Gehäuses 22 lassen sich anhand der Arbeitsweise der
Pumpe während ihres Förderbetriebs am deutlichsten erläutern.
In Fig. 2 ist die Pumpe 11 mit in der untersten Stellung
befindlicher Membran 63 dargestellt, in welcher sich
letztere am Ende des Ansaughubs befindet, wenn das Volumen
der Pumpenkammer am größten ist. In dieser Stellung befindet
sich das Exzenterstück 19 am untersten Punkt seiner Kreisbahn
und in lotrechter Ausrichtung unter der sich drehenden Motorwelle
17, die in Fig. 2 in gestrichelten Linien eingezeichnet
ist. In dieser Stellung ist die Membran im Bereich des gewölbten
Stegs 87 durchgebogen bzw. ausgelenkt, so daß der
gewölbte Steg ersichtlicherweise praktisch verschwunden und
in eine vergleichsweise sanfte Krümmung übergegangen ist.
Der gewölbte Steg 87 ist so bemessen, daß hierbei praktisch
keine Streckung oder Dehnung der Membran auftritt, vielmehr
findet lediglich eine Begradigung des gewölbten Stegabschnitts
statt.
Außerdem ist zu beachten, daß sich das Auslaß- oder Austragventil
in diesem Zustand immer noch in Schließstellung befindet,
in welcher die Ventilscheibe 59 gegen die obere
Auslaßöffnung vom engsten Abschnitt des Durchgangs her anliegt,
während sich das Einlaßventil in der Offenstellung befindet,
die es während der gesamten Dauer dieser Arbeitsperiodenhälfte
eingenommen hat, so daß Strömungsmittel über das
perforierte Halteelement 53 in die Pumpenkammer 89 einströmen
kann. Gemäß Fig. 2 erstreckt sich die Membran, die
praktisch (völlig) aus ihrem unbelasteten, planen Zustand
heraus ausgelenkt worden ist, von dem verspannten Wulst 81
an ihrem Umfang nach unten, wobei sie durch eine gekrümmte
Fläche 91 eines nach innen ragenden Flansches 93 am oberen
Ende des zylindrischen Gehäuse-Hauptteils 37 in Form eines
Schnitts einer Ringfläche oder Ringraums (annulus) abgestützt
wird.
Wenn das Exzenterstück 19 seine entgegen dem Uhrzeigersinn
erfolgende Bewegung über seine Kreisbahn fortgesetzt und der
Förderhub beginnt, kippt die versteifende Platte 67 gemäß
Fig. 2 nach unten und nach links, während sich ihre rechte
Seite nach oben zu verlagern beginnt. Dieses weitere Absenken
bzw. "Tauchen" des linken Rands des Mittelteils der
Membran 63 führt zu einer weiteren gleichzeitigen Auslenkung
und Begradigung der Membran in diesem Bereich, während ihr
linker Rand zum tiefsten Punkt herabkippt. Während dieser
Zeitspanne ist es wesentlich, daß die Membran durch die
glatte oder sanfte Krümmung des Flansches 93 gleichmäßig
unterstützt wird.
Die entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgende Bewegung des
Exzenterstücks 19 setzt sich fort, bis nahe des Endes des
Förder- und Austraghubs die Position gemäß Fig. 3 erreicht
ist. Während dieses Vorgangs bleibt das Einlaßventil geschlossen,
während das Auslaßventilglied 59 in der Offenstellung
steht. An diesem Punkt des Arbeitsspiels befindet
sich das Exzenterstück 19 nahezu in lotrechter Ausrichtung
auf die Welle 17 des Elektromotors, d. h. - wie dargestellt -
etwa in der "1 Uhr-Stellung", in welcher der rechte Randteil
des Mittelteils der Membran 63 etwa in seiner höchsten Vertikalstellung
steht und der linke Abschnitt des Membran-
Mittelteils ungefähr am weitesten nach links verschoben ist.
Infolgedessen findet eine erhebliche Auslenkung sowohl am
rechten als auch am linken Randabschnitt der Membran 63,
d. h. an den Stellen, an denen der größte Verschleiß auftritt,
statt.
Hierbei ist es wichtig, daß die Krümmung der unterstützenden
Unterseite des Kopfteils 23 der Krümmung der Membran 63 in
diesen Berührungsbereichen angepaßt ist, um Durchbiegung
bzw. Auslenkung und Verschleiß während dieser kritischen
Phasen des Arbeitstakts auf ein Mindestmaß zu reduzieren.
Wie am besten aus Fig. 5 hervorgeht, ist die Unterseite des
Gehäuse-Kopfteils 23 mit einer Ringfläche 95 mit einem
solchen Krümmungsradius versehen, welcher im wesentlichen
dem Krümmungsradius der Oberseite der Membran 63 in einem
Bereich 97 an dem in Radialrichtung äußeren Rand des
gewölbten Stegs 87 angepaßt ist. Vorzugsweise entspricht der
Radius der Ringfläche 95 mit einer Toleranz von 5% dem
Krümmungsradius des betreffenden Bereichs 97 der Membran-
Oberseite.
Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß die Krümmung des rechten
Abschnitts der nach oben ausgedehnten Membran 63 ziemlich
genau der Krümmung der unterstützenden Unterseite 95 des
Kopfteils folgt. Die Länge der tatsächlichen Berührung
zwischen diesen beiden Flächen hängt von dem in der Pumpenkammer
89 herrschenden Druck ab, und diese Länge ist gewöhnlich
gemäß Fig. 4 zu Beginn des Ansaugtakts größer.
Durch eine weitgehende Verminderung der in der Membran auftretenden
Durchbiegung oder Auslenkung werden Spannungen
und Wärmeentwicklung verringert und die Betriebslebensdauer
verlängert; von besonderer Bedeutung ist hierbei die Durchbiegung
des gewölbten Stegabschnitts, wenn sich dieser in
seiner konvexen Form gemäß Fig. 3 und 4 befindet. Für die
Gewährleistung einer langen Betriebslebensdauer der Membran
hat es sich auch als wesentlich erwiesen, den Bereich, in
welchem Verschleiß an der Oberseite auftritt, vom Verschleißbereich
an der Unterseite zu trennen.
Die Trennung der Verschleißbereiche ist am besten aus Fig. 5
ersichtlich, in welcher der Durchmesser des an der Unterseite
des Kopfteils 23 vorgesehenen Ringflächenabschnitts 95
mit D₁ und der Durchmesser des Ringflächenabschnitts 91 am
nach innen ragenden Flansch 93 des Gehäuse-Hauptteils 37
mit D₂ bezeichnet sind. Gemäß Fig. 6 ist die Dicke der
Membran 63 über den Gesamtbereich des gewölbten Stegs 87
hinweg, durch ihren flachen, sich radial nach außen erstreckenden
Abschnitt hindurch und praktisch vollständig
bis zum Übergang in den nach oben gezogenen Umfangswulst
81 praktisch konstant. Zur effektiven Trennung der Verschleißbereiche
voneinander sollte der Unterschied zwischen
den Durchmessern D₁ und D₂ zumindest gleich dem Vierfachen
der Dicke der Membran in diesem Bereich und vorzugsweise
zumindest gleich dem Sechsfachen dieser Dicke sein. Dieser
Unterschied entspricht dem Doppelten der in Fig. 5 mit A
bezeichneten Strecke. Mit anderen Worten: die Strecke A,
d. h. der Radialabstand zwischen den Mittelpunkten der
Krümmungsradien der unterstützenden Flächenabschnitte von
oberem und unterem Gehäuseteil 23 bzw. 25, sollte mindestens
dem Doppelten und vorzugsweise dem Dreifachen der Dicke dieses
Membranbereichs entsprechen. Aufgrund dieser Auslegung ist
der Bereich, in welchem der größte Verschleiß längs der
Unterseite der Membran 63 auftritt, wirksam von dem Bereich
getrennt, in welchem der größte Verschleiß an der Membran-
Oberseite auftritt, so daß die Verschleißeinflüsse auf ein
schließliches Versagen bzw. einen Bruch der Membran nicht
additiv sind und folglich eine längere Betriebslebensdauer
der Membran erzielt wird. Weiterhin wird durch die Anpassung
des Krümmungsradius des Ringflächenteils 95 des Kopfteils
an den entsprechend gekrümmten Abschnitt der Membran die im
linken Bereich gemäß Fig. 3 stattfindende Auslenkung der
Membran in eine Aufwärts-Abrollwirkung längs der unterstützenden
Fläche umgewandelt, wobei ebenso der betreffende
Membranbereich im Anfangsteil des Ansaughubs gemäß Fig. 4
an der unterstützenden Fläche abrollt, wodurch sie an der
Oberseite der Membran auftretende Biegespannung weitgehend
vermindert wird.
Es hat sich zudem gezeigt, daß schwächender Verschleiß,
welcher einen Bruch der flexiblen, im wesentlichen planen
Membran dieser Art begünstigt, eher während der Zeitspanne
auftritt, während welcher die Membran in der Richtung gedehnt
oder gestreckt ist, in der sie eine konvexe Form einnimmt,
d. h. wenn sie sich unmittelbar vor und nach dem Ende
des Förderhubs über ihrem unbelasteten Zustand befindet.
Folglich hat es sich erwiesen, daß eine längere Betriebslebensdauer
dann erzielt wird, wenn die Membran 23 derart
im Pumpengehäuse 22 montiert ist, daß ihre Lage bei Abschluß
des Förder- und Austraghubs zu einer wesentlich geringeren
Auslenkung aus dem unbelasteten Zustand führt, als dies bei
der Position der Membran am Ende des Ansaughubs der Fall ist.
Die lotrechte Gesamt-Aufwärtsauslenkung der Membran ist in
Fig. 6 bei B angedeutet, während die gesamte lotrechte Abwärtsauslenkung
bei C angegeben ist. Die Strecke C sollte
vorzugsweise mindestens etwa das 1,5fache der Strecke B
betragen.
Bei der Förderung von kompressiblen Strömungsmitteln, insbesondere
von Gasen, wird die Förderleitung durch die
Größe des Totraums oder -volumens beeinträchtigt, der bzw.
das am Ende des Förderhubs in der Pumpenkammer 89 bestehen
bleibt. Die dargestellte Pumpe 11 hat sich als
äußerst wirksam bei der Förderung von Gasen zwecks Erzeugung
eines Unterdrucks oder eines Luftüberdrucks
erwiesen. Einer der zur ausgezeichneten Leistung der Pumpe
beitragenden Faktoren ist die mittels der dargestellten
Kraftübertragung von der sich drehenden Welle eines Elektromotors
abnehmbare hohe Drehzahl, die angewandt werden
kann, wenn die Membrankonstruktion für lange Betriebslebensdauer
ausgelegt ist. Ein anderer förderlicher Faktor besteht
in der Anordnung eines nach unten ragenden Angusses 99
an der Unterseite des Kopfteils 23 des Gehäuses, der mit
der Kippbewegung der Membran vereinbar ist und dessen
Wirkung möglicherweise am besten aus den Fig. 3 und 4
hervorgeht. Dieser Anguß erstreckt sich diametral über die
Unterseite des Kopfteils senkrecht zur Mittellinie, auf
welcher Einlaß 43 und Auslaß 45 liegen. Der Anguß 99 besitzt
im Vergleich zu dem ansonsten flachen Mittelabschnitt des
Gehäuse-Kopfteils einen trapezförmigen Querschnitt. Dieser
Anguß 99 verringert zu einem beträchtlichen Maß den sog.
Totraum der Pumpenkammer (vergl. Fig. 4), wobei sein trapezförmiger
Querschnitt Freiraum für die Oberseite des Mittelteils
der Membran in ihrer verkanteten Lage gemäß Fig. 3
schafft.
Insgesamt läßt sich sagen, daß die erfindungsgemäße Pumpe 11
bei sehr einfacher Konstruktion und Auslegung sowie geringer
Größe bezüglich der Förderleistung sehr wirkungsvoll ist.
Aufgrund der hohen Drehzahlen eines Elektromotors (z. B.
1500 U/min bei einem 15 W-Motor) vermag die Pumpe vergleichsweise
große Strömungsmittelmengen zu fördern
(z. B. 15 l Luft pro Minute), obgleich die Pumpenkammer
selbst ein ziemlich kleines Volumen besitzt; die Pumpe
vermag dabei die Luft mit einem Druck von etwa 1,5 kg/cm²
(Meßdruck) zu fördern und auch einen ziemlich hohen Unterdruck
von z. B. etwa 560 mm Hg zu liefern. Außerdem eignet
sich die Pumpe aufgrund ihrer Konstruktion auch vorteilhaft
für die Förderung von Flüssigkeiten, insbesondere von
ätzenden oder korrodierenden Chemikalien, weil die geförderten
Flüssigkeiten nicht mit Metallteilen in Berührung zu gelangen
brauchen. Selbstverständlich werden Flüssigkeiten bei niedrigeren
Drehzahlen gefördert.
Claims (8)
1. Membranpumpe, mit einem Gehäuse mit Einlaß und Auslaß
für Strömungsmittel, einer mit Einlaß und Auslaß in
Verbindung stehenden Pumpenkammer, Einlaß- und Auslaßventileinrichtungen,
einer flexiblen bzw. elastischen
Membran, in welcher ein bogenförmig gewölbter
Steg ausgebildet ist, die um ihren Umfang herum zwischen
zwei trennbaren Teilen des Gehäuses verspannt
ist und deren eine Fläche einen Teil des Umrisses der
Pumpenkammer festlegt, einem vom Mittelteil der anderen
Fläche der Membran abstehenden Anschluß, Mitteln
zur Anbringung des Gehäuses an einem eine Drehung
erzeugenden Motor und einer Antriebseinrichtung zur
Hin- und Herbewegung der Membran, um abwechselnd
Strömungsmittel über die Einlaßventileinrichtung in
die Pumpenkammer anzusaugen und das Strömungsmittel
sodann über die Auslaßventileinrichtung auszutragen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Antriebseinrichtung eine Exzenterkupplung zur Verbindung mit der Antriebswelle des Motors nebst einer die Exzenterkupplung antriebsmäßig mit dem Anschluß verbindenden Gelenk- bzw. Kraftübertragungseinrichtung aufweist, so daß die Membran bei Drehung der Motorwelle mit einer kippenden, hin- und hergehenden Bewegung antreibbar ist,
daß der bogenförmig gewölbte Steg in bezug auf die Pumpenkammer konvex ist,
daß das Gehäuse mit einem an der Pumpenkammerseite der Membran angeordneten, gekrümmten Flächenabschnitt versehen ist, dessen Krümmungsradius so gewählt ist, daß er die Membran während der Zeitspanne unterstützt, während welcher diese in den Pumpenkammerbereich hinein gedreht bzw. ausgelenkt ist,
daß der gekrümmte Flächenabschnitt einen Schnitt einer Ringfläche bzw. eines Ringraums bildet und als Teil des einen, die Pumpenkammer einschließenden Gehäuseteils ausgebildet ist und
daß der andere Gehäuseteil mit einem zweiten gekrümmten Flächenabschnitt versehen ist, der einen Schnitt einer Ringfläche bzw. eines Ringraums mit einem wesentlich größeren Durchmesser als dem der ersten Ringfläche bzw. des ersten Ringraums bildet, so daß die Bereiche, an denen ein Verschleiß aufgrund der Berührung zwischen jeder Membranoberfläche und dem betreffenden, unterstützenden gekrümmten Flächenabschnitt des Gehäuses auftritt, radial voneinander entfernt sind.
daß die Antriebseinrichtung eine Exzenterkupplung zur Verbindung mit der Antriebswelle des Motors nebst einer die Exzenterkupplung antriebsmäßig mit dem Anschluß verbindenden Gelenk- bzw. Kraftübertragungseinrichtung aufweist, so daß die Membran bei Drehung der Motorwelle mit einer kippenden, hin- und hergehenden Bewegung antreibbar ist,
daß der bogenförmig gewölbte Steg in bezug auf die Pumpenkammer konvex ist,
daß das Gehäuse mit einem an der Pumpenkammerseite der Membran angeordneten, gekrümmten Flächenabschnitt versehen ist, dessen Krümmungsradius so gewählt ist, daß er die Membran während der Zeitspanne unterstützt, während welcher diese in den Pumpenkammerbereich hinein gedreht bzw. ausgelenkt ist,
daß der gekrümmte Flächenabschnitt einen Schnitt einer Ringfläche bzw. eines Ringraums bildet und als Teil des einen, die Pumpenkammer einschließenden Gehäuseteils ausgebildet ist und
daß der andere Gehäuseteil mit einem zweiten gekrümmten Flächenabschnitt versehen ist, der einen Schnitt einer Ringfläche bzw. eines Ringraums mit einem wesentlich größeren Durchmesser als dem der ersten Ringfläche bzw. des ersten Ringraums bildet, so daß die Bereiche, an denen ein Verschleiß aufgrund der Berührung zwischen jeder Membranoberfläche und dem betreffenden, unterstützenden gekrümmten Flächenabschnitt des Gehäuses auftritt, radial voneinander entfernt sind.
2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in
der Gehäusewand im wesentlichen zwischen Einlaß und
Auslaß ein Vorsprung bzw. Anguß mit einem trapezförmigen
Querschnitt ausgebildet ist, der sich in die
Pumpenkammer hinein und diametral quer über diese
erstreckt, um ihr Totvolumen zu verringern, wobei ein
Freiraum zwischen der Oberseite des Mittelteils der
Membran und dem Vorsprung verbleibt.
3. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Krümmungsradien der Ringflächen bzw. Ringräume
praktisch gleich groß sind.
4. Pumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Dicke der Membran über den konvex gewölbten Stegbereich
hinweg praktisch konstant ist.
5. Pumpe nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Krümmungsradius der die Pumpenkammer begrenzenden
Oberfläche der Membran an dem in Radialrichtung
äußeren Rand des konvexen Stegs praktisch dem
Krümmungsradius des erstgenannten, gekrümmten
Flächenabschnitts entspricht.
6. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Unterschied zwischen den Durchmessern der beiden
Ringflächen bzw. Ringräume mindestens etwa das Sechsfache
der Dicke der Membran in dem Bereich, in welchem
Verschleiß auftritt, beträgt.
7. Pumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Membran in einer solchen Lage
im Gehäuse verspannt ist, daß sie am Ende des Ansaughubs
über eine wesentlich größere Strecke aus ihrer
unbelasteten Konfiguration verlagert bzw. ausgelenkt
wird als zum Abschluß des Förderhubs.
8. Pumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die größere Strecke um mindestens 50% größer ist.
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