DE2742139C2 - Membranpumpe - Google Patents
MembranpumpeInfo
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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
- F04B43/0054—Special features particularities of the flexible members
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- Reciprocating Pumps (AREA)
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 jedoch 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 s-jll auf einfache
Weise mit geringem Aufwand erreicht werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß 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 Einspannzone
im wesentlichen einspanndruckfrei gehalten ist. Dadurch erreicht man, daß Druck- und Biegespannungen
nicht an der selben Stelle der Membrane auftreten. Dies ergibt eint; wesentlich längere Lebensdauer der
Membrane und dementsprechend auch einen längeren störungsfreien Betrieb der erfindungsgemäßen Membranpumpe.
Der Erfindung liegt dabei die Erkern.tnis 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 nachteiliger 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 Problemstellung
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 Bereicl. der Membrane zugewandte, diese
beidseits haltende Membran-Führungszone an, in der die Membrane zumindest im Vergleich zu ihrer
Einspannzone im wesentlichen einspanndruckfrei gehalten ist. Da auch am äußeren Befestigungsrand der
Membrane ähnliche Belastungsverhältnisse wie im etwa zentralen Befestigungsbereich vorliegen, kann durch
diese Ausbildung auch im äußeren Haltebereicii die Belastung der Membrane vermindert und damit ihre
Lebensdauer erhöhl werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der vorzugsweise pilzartige Pleuelkopf
eine ebene Auflagefläche für die Membrane besitzt und daß eine vorzugsweise 7p.v.--.' mit dem Pleuelkopf
verbindbare, die Membrane von der anderen Seite her beaufschlagende Befestigungjscheibe 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 -on der Auflagefläche des
Pleuelkopfes aufweist als die Einspatinfläche. 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,
ίο 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.
μ 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
JO 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 B ist 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
>o 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 5 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 Zent" !bereich aufliegt. Die Befestigungsscheibe 9 beaufsi. .lagt 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 t7 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 Fuhrungsfläche 17. die hier zum Teil auch Übergangsfläche ist, verläuft etwa in einem Winkel «
von 2 bis 8C zu der Einspannfläche 16. Als besonders günstig hat sich ein Winkel α von etwa 5° gezeigt.
Eine abgewandelte Ausführungsform einer Membraneinspannung zeigt Fig. 3. Dabei ist die Führungsfläche 17a der Befestigungsscheibe 9 gegenüber ihrer
Einspannfläche 16 etwa parallel zurückversetzt. Ihr Abstand von der Auflagefläche 15 des Pieueikopfes 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 EinspännstcllcM 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 Zd bis gegen Null. Innerhalb der
Führjngszcnc Sherrschen Biegespannungen Zb vor, die
sich vom freien Bereich 14 (F i g. 3) zur Übergangszone
C allmählich abbauen. Es tritt somit keine Überlagerung von Druckspannungen Zd und Biegespannungen
Zb an einer Stelle der Membrane 5 auf. Dementsprechend
ist auch die Belastung der Membrane 5
vergleichsweise gering. Strichliniert ist in dem Dia gramm gemäß Fig.4 noch der allmähliche Druckspan
nungsabbau innerhalb der Übergangszone C de; Ausführungsbeispieles gemäß F i g. 2 gezeigt.
Zur Verdeutlichung ist in Fig. 5 eine herkömmliche
Einspannung einer Membrane 50 gezeigt. In derr zugehörigen Diagramm (Fig. 6) ist deutlich die
Überlagerung von Druckspannungen Z.o und Biege
spannungen Ση 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 Riller
20 (Fig. 2) unterstützt sein. Diese verbessern auch die Dichtung in diesem Bereich. Membranen aus elastome
rem Werkstoff »wandern« dabei in diesem Bereich durch den Finspanndruck in die Rillen 20 hinein
während bei fusionieren Werkstoffen dies durch ihr Fließverhalten kurze Zeit nach Aufbringung der Druck
spannung erfolgt.
Für die Einspannzone A und für die Führungszone B bzw. für die zugehörige Einspannfiäche 16 und die
Fuhrungsfläche 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 Fuhrungsfläche 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 Führungsfiäche 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 Befest'gungsscheibe 9 in der Einspannzone A ihre größte Dicke und Stabilität auf, so
daß dort die erwünschten hohen Aripreßkräfte 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 (12)
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 Zwi- >j
sehen- bzw. Übergangszone ('Qbezüglich der auf 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 Ar>
Auflagefläche (15) des Pleuelkopfes (8) etwa parallele Einspannfläche (16) und eine sich nach
außen daran anschließende Führungsfläche (17, Va) 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 r>>
von der Auflagefläche (15) des Pleuelkopfes (8) nach außen hin entfernt.
6. Membranpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsfläche (17) gegenüber
einer radialen Ebene in einem Winkel (*) von h0
etwa 2° bis 8°, von etwa 5° verläuft.
7. Membranpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Führungsfläche (Va) der Befestigungsscheibe (9) gegenüber ihrer Einspannfläche (16) etwa parallel
zurückversetzt ist, wobei ihr Abstand von der Auflagefläche (15) des Pleuelkopfes (8) größer ist als
der der Einspannflache (16) und insbesondere der 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 (17a^ und der Einspannfläche
(16) der Befestigungsscheibe (9) ein gerundeter Übergang (IS) 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 = ] : ] 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.
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Legal Events
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