DE2742139B1

DE2742139B1 - Membranpumpe

Info

Publication number: DE2742139B1
Application number: DE2742139A
Authority: DE
Inventors: Erich Becker; Heinz Riedlinger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-09-19
Filing date: 1977-09-19
Publication date: 1978-11-23
Also published as: FR2403470A1; DE2742139C2; GB2006323A; GB2006323B

Description

Die Erfindung betrifft eine Membranpumpe zum Vakuum- oder Druckerzeugen, insbesondere bei Gasen und Dämpfen, wobei eine flach durchgehend ausgebildete Membrane an ihren Rändern beim Pleuel und beim Pumpengehäuse gehalten sowie in der Mittellage des Pleuels eben und zumindest bezüglich ihres nicht eingespannten, freien Bereiches im wesentlichen spannungsfrei ist, wobei ggf. die Membranpumpe von den Druckdifferenzen des Fördermediums gesteuerte Ventile aufweist und wobei das Halten der Membrane zumindest am Pleuel in einer Membran-Einspannzone erfolgt.

Derartige Pumpen sind bereits bekannt und werden mit Erfolg seit längerer Zeit eingesetzt. Sie haben jedoch noch gewisse Nachteile insofern, als die Lebensdauer der Membranen bei den derzeit zur Verfügung stehenden Werkstoffen noch verhältnismäßig kurz ist. Das Auswechseln der Membrane führt dann zu Stillstandzeiten der Pumpe, was namentlich bei vorgesehenem Dauerbetrieb unangenehm ins Gewicht fällt.

Es sind auch bereits Pumpen bekannt, die eine Stützzone in der Nähe eines Membran-Einspannbereiches aufweisen. Innerhalb dieser Stützzone wird die Membrane iedoch nur bei bestimmten Stellungen des Pleuelkopfes einseitig gestützt.

Dadurch kann aber in dem äußeren bzw. inneren Randbereich der jeweiligen Einspannzone der Membrane eine vergleichsweise hohe Belastung der Membrane nicht vermieden werden.

Die Erfindung hat sich daher zur Aufgabe gestellt, eine Membranpumpe der eingangs erwähnten Art zu

schaffen, bei welcher die Lebensdauer der Membrane und damit auch der unterbrechungsfreie Betrieb der Pumpe merkbar verlängert wird. Dies soll auf einfache Weise mit geringem Aufwand erreicht werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ^r> vorgeschlagen, daß sich zumindest an die beim Pleuel liegende Membran-Einspannzone eine dem freien Bereich der Membrane zugewandte, diese beidseits haltende Membran-Führungszone anschließt, in der die Membrane zumindest im Vergleich zu ihrer Einspann- i<> zone im wesentlichen einspanndruckfrei gehalten ist. Dadurch erreicht man, daß Druck- und Biegespannungen nicht an der selben Stelle der Membrane auftreten. Dies ergibt eine wesentlich längere Lebensdauer der Membrane und dementsprechend auch einen längeren ι■> störungsfreien Betrieb der erfindungsgemäßen Membranpumpe.

Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß die Membrane an ihren Übergängen zwischen den Einspannstellen und ihren freien, nicht eingespannten -><> Bereich in der Regel ihre stärkste Belastung erfährt. Insbesondere bei vergleichsweise kerbempfindlichem Membran-Werkstoff, der z. B. wegen bestimmter chemischer Eigenschaften des Fördermediums (z. B. Aggressivität) verwendet werden muß, kann in nachtei- -'"> liger Weise oft nur mit einem vergleichsweise kurzen, störungsfreien Betrieb der Membranpumpe gerechnet werden. Durch die Merkmale der Erfindung werden die die Lebensdauer der Membrane beeinflussenden Wirkungen wesentlich herabgesetzt. ">

Man kenn zwar auch bereits Dosier-Pumpen, die eine beidseitige Membran-Einspannung im Zentralbereich haben, wobei diese Einspannung von kegeligen Körpern gebildet wird. Es handelt sich hier aber um langsam laufende Pumpen, die vor allem für Flüssigkeiten *"> geeignet sind und nur wenige Umdrehungen pro Minute ausführen. Außerdem ist dort eine Formmembrane vorgesehen. Derartige Pumpen sind zur Vakuumerzeugung ungeeignet und haben auch nicht die der Erfindung zugrunde liegende, vorstehend erwähnte Problemstel- ^4l) lung in dieser Form.

Nach einer etwas abgewandelten Ausbildung der Erfindung, wobei das Halten der Membrane zumindest am Pumpengehäuse in einer Membran-Einspannzone erfolgt, und für die selbständiger Schutz beansprucht ''» wird, schließt sich an diese Einspannzone eine dem freien Bereich der Membrane zugewandte, diese beidseits haltende Membran-Führungszone an, in der die Membrane zumindest im Vergleich zu ihrer Einspannzone im wesentlichen einspanndruckfrei gehal- ~^>0 ten ist. Da auch am äußeren Befestigungsrand der Membrane ähnliche Belastungsverhältnisse wie im etwa zentralen Befestigungsbereich vorliegen, kann durch diese Ausbildung auch im äußeren Haltebereich die Belastung der Membrane vermindert und damit ihre '>> Lebensdauer erhöht werden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der vorzugsweise pilzartige Pleuelkopf eine ebene Auflagefläche für die Membrane besitzt und daß eine vorzugsweise zentral mit dem Pleuelkopf ·■' verbindbare, die Membrane von der anderen Seite her beaufschlagende Befestigungsscheibe eine ebene, zu der Auflagefläche des Pleuelkopfes etwa parallele Einspannfläche und eine sich nach außen daran anschließende Führungsfläche aufweist, die in Funktionsstellung einen größeren Abstand von der Auflagefläche des Pleuelkopfes aufweist als die Einspannfläche. Im Bereich der Einspannfläche, die entsprechend auch die Einspannzone bilden, wird die Membrane gehalten, während sie im Bereich der Führungsfläche praktisch einspanndruckfrei gelagert ist.

Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt. Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine stark schematisierte Übersichtszeichnung einer Membranpumpe im Längsschnitt,

F i g. 2 einen gegenüber F i g. 1 vergrößert dargestellten Ausschnitt im Membranbereich,

F i g. 3 eine gegenüber F i g. 2 etwa abgewandelte Ausführungsform einer Membranhalterung,

F i g. 4 stärker schematisiert, ein Spannungsdiagramm der in F i g. 3 gezeigten Membrane,

Fig.5 eine bereits bekannte, übliche Einspannung einer Membrane in Pleuelkopfbereich und

F i g. 6 ein auf die in F i g. 5 gezeigte Membrane bezogenes Spannungsdiagramm.

Eine Membranpumpe 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dem ein Kurbeltrieb 3 über einen Pleuel 4 eine Membrane 5 antreibt. Im Pumpenkopf 6 sind Ventilbohrungen 7 erkennbar, die mit einer Ventilplatte 11 zusammenarbeiten.

Die Membrane 5 ist an ihren Rändern beim Pleuel 4 bzw. beim Pumpengehäuse 2 eingespannt. Der Pleuelkopf 8 weist eine etwa pilzartige Form auf. Mit ihm ist eine Befestigungsscheibe 9 mit Hilfe einer zentral angeordneten Schraube 10 verbunden. Der innere Zentralbereich 12 der Membrane 5 ist zwischen dem Pleuelkopf 8 sowie der Befestigungsschraube 9 und der äußere Randbereich 13 zwischen Gehäuseteilen festgelegt.

Der Pleuel 4 mit der Membrane 5 befindet sich bei der in F i g. 1 gezeigten Pumpe 1 gerade in einer mittleren Hubposition.

Die beim Pleuel 4 gelegene Einspannstelle beim Zentralbereich 12 der Membrane 5 sowie die Einspannstelle am äußeren Randbereich 13 weisen jeweils eine Einspannzone A sowie eine die Membrane beidseits haltende Führungszone B auf (vgl. F i g. 2 und 3). In der Führungszone Bist dabei die Membrane 5 im Vergleich zur Einspannzone A im wesentlichen einspanndruckfrei gehalten. Dadurch wird vermieden, daß Druck- und Biegespannungen gleichzeitig an einer Stelle der Membrane 5 auftreten. Dies ergibt eine wesentlich höhere Lebensdauer der Membrane 5. Die Druckspannung ist in erster Linie durch die Einspannung gegeben, während die Biegespannung vor allem durch die relative Bewegung der Membrane gegenüber ihren Einspannstellen hervorgerufen wird.

Praktische Versuche haben gezeigt, daß Membranen aus plastomerem Werkstoff — d. h. Werkstoff, der flexibel ist, jedoch geringe elastische Eigenschaften aufweist — bei der erfindungsgemäßen Membranpumpe 1 eine drei- bis vierfache, gelegentlich noch höhere Lebensdauer gegenüber herkömmlichen Membranpumpen aufweisen. Auch bei Membranen aus elastomeren — d. h. Werkstoff, die gute elastische (gummi-elastische) Eigenschaften aufweisen — kann ein Mehrfaches der Lebensdauer der Membrane 5 gegenüber herkömmlichen Membranpumpen erzielt werden.

Durch die sich an den freien Bereich 14 der Membrane S jeweils anschließende Führungszone B wird auch die elastisch verformbare Zone der Membrane 5 vergrößert. Dies ergibt bei gleichen Hub- und Durchmesserverhältnissen geringere Spannungen in der Membrane, so daß auch dadurch eine größere

Lebensdauer begünstigt ist.

F i g. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform bei einer erfindungsgemäßen Membranpumpe. Dabei hat der Pleuelkopf 8 eine ebene, radial zu dem Pleuel 4 orientierte Auflagefläche 15, auf der die Membrane 5 mit ihrem Zentralbereich aufliegt. Die Befestigungsscheibe 9 beaufschlagt die Membrane 5 von der anderen Seite her. Sie weist eine ihrer zentralen Befestigungsbohrung für die Schraube 10 benachbarte Einspannfläche 16 auf, die zu der Auflagefläche 15 des Pleuelkopfes etwa parallel verläuft. An die Einspannfläche 16 schließt sich nach außen hin eine Führungsfläche 17 an. Diese verläuft zu der etwa radialen Einspannfläche 16 bzw. zu der Auflagefläche 15 des Pleuelkopfes 8 schräg, wobei sie sich von dieser Auslagefläche 15 nach außen hin entfernt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel (F i g. 2) ist durch die gleichmäßige Schräge der Führungsfläche 17 gleichzeitig auch eine Zwischen- bzw. Übergangszone Cgebildet, in der radial von innen nach außen die Druckspannungen abnehmen, während die möglichen Biegespannungen zunehmen. Man erhält dadurch einen kontinuierlichen Übergang, durch den Kerbwirkungen vermieden werden. In der Führungszone B ist die Membrane 5 dann einspanndruckfrei.

Die Führungsfläche 17, die hier zum Teil auch Übergangsfläche ist, verläuft etwa in einem Winkel λ von 2 bis 8° zu der Einspannfläche 16. Als besonders günstig hat sich ein Winkel ä von etwa 5° gezeigt.

Eine abgewandelte Ausführungsform einer Membraneinspannung zeigt F i g. 3. Dabei ist die Führungsfläche 17a der Befestigungsscheibe 9 gegenüber ihrer Einspannfläche 16 etwa parallel zurückversetzt. Ihr Abstand von der Auflagefläche 15 des Pleuelkopfes 6 entspricht dabei etwa der Dicke der Membrane 5 in entspannter Lage. Auch hier ist eine Übergangszone C vorgesehen, die durch einen gerundeten Übergang 18 gebildet ist. Die Membrane 5 ist hier ebenfalls in der Führungszone B einspanndruckfrei gelagert. Sie wird in diesem Bereich parallel mitgeführt. Die auftretende Biegebelastung wird dabei zur Übergangszone C hin praktisch abgebaut.

Die auftretenden Druck- bzw. Biegespannungen bei den Einspannstellen der Membrane 5 sind etwas schematisiert in Fig.4 wiedergegeben. Dieses Diagramm bezieht sich vor allem auf die Ausführungsform gemäß F i g. 3. Man erkennt dabei, daß innerhalb der Einspannzone A praktisch ausschließlich Druckspannungen Zd durch die Pressung der Membrane 5 auftreten. In der Übergangszone C'verringert sich diese Druckspannung 2_D bis gegen Null. Innerhalb der Führungszone B herrschen Biegespannungen Σ β vor, die sich vom freien Bereich 14 (F i g. 3) zur Übergangszone C" allmählich abbauen. Es tritt somit keine Überlagerung von Druckspannungen 2d und Biegespannungen Σβ an einer Stelle der Membrane 5 auf. Dementsprechend ist auch die Belastung der Membrane 5 vergleichsweise gering. Strichliniert ist in dem Diagramm gemäß F i g. 4 noch der allmähliche Druckspannungsabbau innerhalb der Übergangszone C des Ausführungsbeispieles gemäß F i g. 2 gezeigt.

Zur Verdeutlichung ist in Fig. 5 eine herkömmliche Einspannung einer Membrane 50 gezeigt. In dem zugehörigen Diagramm (F i g. 6) ist deutlich die Überlagerung von Druckspannungen Σσ und Biegespannungen Σβ zu erkennen, die sich am äußeren Einspannrand 19 zu einer Spannungsspitze addieren. Dieser Bereich bildet somit auch die am stärksten belastete Stelle der Membrane. In der Praxis hat sich dies durch an dieser Stelle aufgetretene Brüche der Membrane bestätigt.

Die Klemmung der Membrane 5 in der Einspannzone A kann noch durch z. B. konzentrisch umlaufende Rillen 20 (F i g. 2) unterstützt sein. Diese verbessern auch die Dichtung in diesem Bereich. Membranen aus elastomerem Werkstoff »wandern« dabei in diesem Bereich durch den Einspanndruck in die Rillen 20 hinein, während bei plastomeren Werkstoffen dies durch ihr Fließverhalten kurze Zeit nach Aufbringung der Druckspannung erfolgt.

Für die Einspannzone A und für die Führungszone B bzw. für die zugehörige Einspannfläche 16 und die Führungsfläche 17, 17a ist ein Verhältnis ihrer radialen Erstreckung von 1 : 1,5 vorteilhaft.

Die erfindungsgemäße Membranpumpe wird vorzugsweise in einem Drehzahlbereich von 1500 bis 1800 Umdrehungen pro Minute eingesetzt.

Die beschriebenen erfindungsgemäßen Ausbildungen (Fig. 1, 2) der Einspannstellen der Membrane gelten analog auch für die Einspannstellen der Membrane 5 an ihrem äußeren Randbereich 13.

Dies ist auch in F i g. 2 gezeigt. Ggf. kann auch die der Membrane 5 zugewandte Seite der Befestigungsscheibe 9 eben, sich etwa radial erstreckend ausgebildet sein, wobei die Auflagefläche des Pleuelkopfes 8 eine Einspannfläche und eine Führungsfläche aufweist. Darüber hinaus ist ggf. auch eine symmetrische Ausbildung, bei der sowohl die Befestigungsscheibe 9 als auch die Oberseite des Pleuelkopfes 8 in der Führungszone B entweder eine Abschrägung oder jeweils eine zurückversetzte Führungsfläche aufweist, denkbar.

Erwähnt sei noch, daß die Spannungsverhältnisse innerhalb der Einspannstellen ein günstiges Querschnittsprofil der Befestigungsscheibe 9 zulassen. In gleichzeitiger Anpassung an den Verdrängungsraum 21 weist nämlich die Befestigungsscheibe 9 in der Einspannzone A ihre größte Dicke und Stabilität auf, so daß dort die erwünschten hohen Anpreßkräfte gut übertragbar sind. Auch kann wegen der vorerwähnten Verhältnisse die Befestigungsscheibe 9 insgesamt vergleichsweise dünn gehalten sein, was unter anderem auch wegen der erwünschten geringen Massenkräfte vorteilhaft ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Membranpumpe zum Vakuum- oder Druckerzeugen, insbesondere bei Gasen und Dämpfen, wobei eine flach durchgehend ausgebildete Membrane an ihren Rändern beim Pleuel und beim Pumpengehäuse gehalten sowie in der Mittellage des Pleuels eben und zumindest bezüglich ihres nichteingespannten freien Bereiches im wesentlichen spannungsfrei ist, und wobei die Membranpumpe gegebenenfalls von den Druckdifferenzen des Fördermediums gesteuerte Ventile aufweist und wobei das Halten der Membrane zumindest am Pleuel in einer Membran-Einspannzone erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß sich an dieser Einspannzone (A) eine dem freien Bereich (14) der Membrane (5) zugewandte, diese beidseits haltende Membran-Führungszone (B) anschließt, in der die Membrane (5) zumindest im Vergleich zu ihrer Einspannzone (A) im wesentlichen einspannungsdruckfrei gehalten ist.

2. Membranpumpe, insbesondere nach Anspruch 1, wobei das Halten der Membrane zumindest am Pumpengehäuse in einer Membran-Einspannzone erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß sich an dieser Einspannzone (A) eine dem freien Bereich (14) der Membrane (5) zugewandte, diese beidseits haltende Membran-Führungszone (B) anschließt, in der die Membrane (5) zumindest im Vergleich zu ihrer Einspannzone (A) im wesentlichen einspanndruckfrei gehalten ist.

3. Membranpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Einspannzone (A) und der die Membrane (5) jeweils beidseits haltenden Führungszone (B) eine Zwischen- bzw. Übergangszone (C) bezüglich derauf die Membrane (5) einwirkenden Druck- bzw. Biegespannung vorgesehen ist.

4. Membranpumpe nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vorzugsweise pilzartige Pleuelkopf (8) eine ebene Auflagefläche (15) für die Membrane (5) besitzt und daß eine vorzugsweise zentral mit dem Pleuelkopf (6) verbindbare, die Membrane (5) von der anderen Seite her beaufschlagende Befestigungsscheibe (9) eine ebene, zu der Auflagefläche (15) des Pleuelkopfes (8) etwa parallele Einspannfläche (16) und eine sich nach außen daran anschließende Führungsfläche (17, YIa) aufweist, die in Funktionsstellung einen größeren Abstand von der Auflagefläche (15) des Pleuelkopfes (8) aufweist als die Einspannfläche (16).

5. Membranpumpe nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsfläche (17) der Befestigungsscheibe (9) zu der etwa radialen Einspannfläche (16) schräg verläuft, wobei sie sich von der Auflagefläche (15) des Pleuelkopfes (8) nach außen hin entfernt.

b. Membranpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsfläche (17) gegenüber einer radialen fibene in einem Winkel (λ) von etwa 2' bis 8°, von etwa 5'' verläuft.

/ Membranpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die F iihrurigsflache (17a^ der Befestigungsscheibe (9) gegenüber ihrer Fünspannfläche (16) etwa parallel /urijrk versetzt ist, wobei ihr Abstand von der Auflagefläche (15) des Pleuelkopfes (8) größer ist als 'ler Her F.inspannfläche (16) und insbesondere der

Γ>

Dicke der Membrane (5) in entspannter Lage entspricht.

8. Membranpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Führungsfläche (Ma) und der Einspannfläche (16) der Befestigungsscheibe (9) ein gerundeter Übergang (18) vorgesehen ist.

9. Membranpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannfläche (16) der Befestigungsscheibe (9) und/oder die ihr gegenüberliegende Auflagefläche

(15) des Pleuelkopfes (8) Halte- und Abdichthilfen, vorzugsweise in Form von konzentrisch umlaufenden Rillen (20) oder ggf. Erhebungen aufweisen.

10. Membranpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich radiale Erstreckungen (a : b)der Einspannfläche

(16) und der Führungsfläche (17,17a^etwa verhalten wie a : b = 1 :1 bis 1 :2 vorzugsweise wie 1 :1,5.

11. Membranpumpe nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die der Membrane (5) zugewandte Seite der Befestigungsscheibe (9) eben, sich etwa radial erstreckend ausgebildet ist, und daß die Auflagefläche (15) des Pleuelkopfe (8) eine Einspannfläche und eine Führungsfläche aufweist.

12. Membranpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche! bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Drehzahlbereich etwa in einem Bereich von 1500 bis 3600 Umdrehungen pro Minute, vorzugsweise in einem Bereich von 1500 bis 1800 Umdrehungen pro Minute liegt.