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Membranpumpe Die Erfindung betrifft eine Membranpumpe mit einem ringhohlraumförmigen
Arbeitsraum, der durch eine feste Arbeitsraum-Auß sowie durch eine verformbare Arbeitsraum-Innenwand
(Ringmembrane) begrenzt ist, wobei ein mit einem Exzenterantrieb versehenes Druckglied
die Ringmembrane in einem umlaufenden Dichtbereich gegen die Arbeitsraum-Außenwand
drückt.
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Man kennt bereits eine Pumpe mit ringhohlraumförmigem Arbeitsraum
und nachgiebiger Innenwand, welche durch ein Druckglied gegen die feste Wand des
Arbeitsraumes gedrückt wird. Dabei dienen als Dnxiglied mehrere koaxiale Scheiben,
die mit unterschiedlicher Exzentrizität auf einer Antriebswelle angeordnet sind.
Diese Pumpen haben zahlreiche Nachteile. Das mehrexzentrische Druckglied ergibt
einen aufwendigen Aufbau. Außerdem besteht ein wesentlicher Nachteil in einer hohen
Belastung der Membrane, die z.B. durch erhebliche Walkarbeit während des Betriebes
der Pumpe geleistet werden muß. Hinzu kommt auch eine erhebliche Membran-Belastung
durchgrosse Anlageflächen an dem Druckglied und die sich daraus ergebende groSflächige
Reibung.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Membranpumpe zu schaffen,
die unter Vermeidung der vorerwähnten Nachteile insbesondere hohe Druckdifferenzen
erzeugen kann, dabei vergleichsweise einfach im Aufbau ist und deren Membrane vergleichsweise
gering belastet wird. Auch ist erwünscht, daß betriebsbedingte maßliche
Xnderungen,
z.B. Verschleiß od.dgl., keine praktisch ins Gewicht fallenden Xnderungen, insbesondere
bezüglich der Dichtigkeit der Pumpe hervorrufen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß insbesondere vorgeschlagen,
daß bei einer Membranpumpe der eingangs erwähnten Art,das Druckglied einen Rollkolben
und der Exzenterantrieb ein Rollkolben-Antriebselement aufweisen und daß, in der
Umlaufebene gesehen, der Rollkolben sowohl bezüglich der Arbeitsraum-Außenwand als
auch bezüglich des Rollkolben-Antriebselementes kippbar angeordnet ist.
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Es ist somit ein zusätzlicher "Freiheitsgrad" für die Bewegung des
Rollkolbens geschaffen, so daß dieser innerhalb der Ebene seiner Umlaufbewegung
zusätzlich kippbar ist. Durch diese Kippbewegung wird der Dichtbereich gegenüber
dem Antriebsangriffsbereich für den Rollkolben verlagert im Sinne eines Spielausgleiches.
Dadurch kann man ein Spiel zulassen, ohne daß die Dichtigkeit zwischen den zusammenwirkenden
Pumpenteilen praktisch beeinträchtigt wird. Außerdem wird dadurch die Belastung
der Membrane erheblich herabgesetzt und ihre Lebensdauer vergrößert. Durch die Kippbewegung
des Rollkolbens kann das gegebenenfalls vorgesehene Spiel ausgeglichen und trotzdem
ein Dichtbereich aufrechterhalten bleiben.
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Zweckmäßigerweise ist der Rollkolben innen koaxial zu seinem Außenmantel
hohl ausgebildet, wobei das Rollkolben-Antriebselement koaxial zur Arbeitsraum-Außenwand
gelagert ist und mit seiner Exzenter-Angriffsstelle die Rollkolben-Innenwand umlaufend
beaufschlagt.
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Der Exzenterantrieb mit dem Rollkolben-Antriebselement kann dadurch
innerhalb von dem Rollkolben gelagert werden, so daß sich insgesamt ein einfacher
Aufbau ergibt.
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Um die vorerwähnte Kippbewegung des Rollkolbens zu ermöglichen ist
insbesondere vorgesehen, daß mindestens in einer, vorzugsweise in allen Querschnittsebenen
der jeweilige Aussenradius des Exzenter-Antriebes zuzüglich der jeweiligen Ringdicke
des Rollkolbens, zuzüglich der jeweiligen Wandstärke der Membrane etwa gleich, vorzugsweise
unter Bildung eines geringfügigen Spiels ein wenig kleiner als der jeweilige lichte
Radius der Arbeitsraum-Außenwand ist.
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Die Toleranzen dieser Pumpenteile können dadurch definiert in den
"UntermaBbereich" verlegt werden. In vorteilhafter Weise ist dadurch die Herstellung
der Pumpenteile weser vereinfacht. Maßliche Abweichungen werden durch eine entsprechende
Kippbewegung des Rollkolbens ausgeglichen, so daß sie auf die Dichtigkeit der Pumpe
praktisch keine nachteiligen Einflüsse mehr haben. Wenn praktisch kein Spiel vorhanden
ist, so wird sich in der Praxis,bedingt durch die Elastizität der Membrane, trotzdem
in der Regel ein Nachlauf des Rollkolbens einstellen.
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Eine wesentliche Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Membranform
und der Membrandurchmesser wenigstens bezüglich ihres Querschnittes so gewählt sind,
daß sie in zumindest nahezu allen Drehlagen des Rollkolbens spannungsfrei, zumindest
weitgehend spannungsfrei ist.
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Die Belastung der Ringmembrane ist dadurch wesentlich reduziert, so
daß sie auch eine entsprechend lange Lebensdauer aufweisen kann.
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Zweckmäßigerweise ist die Arbeitsraum-Außenwand, im Längsschnitt gesehen'nach
außen gewölbt, wobei die Rollkolbenaußenfläche eine in ihrer Kontur unter Berücksichtigung
der Wandstärke der Membrane auf diese Wölbung abgestimmte Aussen-Längsschnittform
mit einer Konvexwölbung aufweist. Das wirksame Schöpfvolumen der Pumpe wird dadurch
vergrößert.
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Zur Erhöhung der Lebensdauer trägt auch mit bei, daß die Ringmembran-Innenseite
bezüglich der Ablauffläche des Rollkolbens insgesamt eine knickfreie Oberfläche
bzw. für den Rollkolben eine stoßfreie Umlauffläche aufweist. Außerdem ist dadurch
ein ruhigerer Lauf des Rollkolbens zu erzielen.
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Es hat sich als vorteilhaft gezeigt, daß die Ringmembrane aus einem
elastischen Werkstoff, vorzugsweise aus einem Elastomer besteht und zweckmäßigerweise
eine Dicke von etwa 1 mm bis 4 mm aufweist.
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Eine derartige Ringmembrane weist in vorteilhafter Weise die notwendige
Bewegbarkeit auf, wobei jedoch gleichzeitig auch sichergestellt ist, daß die Membrane
insbesondere auf der Saugseite von der Arbeitsraum-Außenwand abhebt.
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Für den letztgenannten Fall ist es auch zweckmäßig und vorteilhaft,
wenn die Ringmembrane in Umfangsrichtung praktisch unnachgiebig, in radialer Richtung
jedoch dehnbar ist und wenn in Umfangsrichtung vorzugsweise eine etwa zumindest
im Vergleich zum Membranwerkstoff unnachgiebige Einlage od.dgl.
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Verstärkung z.B. aus Fäden, Gewebe od.dgl. vorgesehen ist.
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Eine unerwünschte und für den Betrieb der Pumpe in Umfangsrichtung
auch nicht notwendige Dehnung der Membrane kann dadurch vermieden werden. Außerdem
wird, wie schon vorerwähnt, ein sicheres Abheben der Ringmembrane von der Arbeitsraum-Außenwand
sichergestellt.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin,
daß das Pumpengehäuse und/oder der Rollkolben, vorzugsweise beide Pumpenteile, Spritz-
oder Gußteile sind, insbesondere aus Metall, vorzugsweise aus nicht nachbearbeitetem
Druckguß. Dadurch ist eine besonders kostengünstige Herstellung möglich, wobei die
dabei gegebenenfalls vorhandenen Maßungenauigkeiten und auch Abweichungen von der
Kreisform sowohl beim Gehäuse wie auch beim Rollkolben durch die erfindungsgemäße
Anordnung des Rollkolbens ausgeglichen werden können.
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Um der Ringmembrane in Umfangs richtung eine möglichst geringe Dehnfähigkeit
zu geben, kann die Ringmembrane in T-fangsrichtung als Verstärkung od.dgl. wenigstens
einen umlaufenden Wulst aufweisen.
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Dieser ist dann zweckmäßigerweise derart bemessen, daß er bezüglich
seines Querschnittes sowie gegebenenfalls seines Biegeträgheitsmomentes die vom
Rollkolben unbeaufschlagten Membranabschnitte von der Arbeitsraum-Außenwand mitabziehen.
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Dabei ist wesentlich, daß die Verformungsarbeit so gering wie möglich
bleibt, daß aber andererseits auch beim Ansaugen aus dem Vakuum die entsprechenden
Membranabschnitte von der Arbeitsraum-Außenwand abgezogen werden. In diesem Fall
kann man gegebenenfalls gut ohne Fadeneinlage bei der Membrane auskommen.
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Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in der Beschreibung
sowie in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt.
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Nachstehend ist die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelheiten
anhand der Zeichnung noch näher beschrieben.
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Es zeigen, zum Teil etwas schematisiert, in unterschiedlichen Maßstäben:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Motorpumpen-Aggregates mit zum Teil aufgebrochen
dargestellter Pumpe, Fig. 2 einen Querschnitt einer Pumpe gemäß der Schnittlinie
II-II in Fig. 3,
Fig. 3 einen Längsschnitt einer Pumpe gemäß der
Schnittlinie III-III in Fig. 2, Fig. 4 eine halbseitig quergeschnittene Seitenansicht
einer Ringmembrane im unverformten Zustand, Fig. 5 eine Seitenansicht dieser unverformten
Ringmembrane nach Fig.4, zur teil im Schnitt gehalten entsprechend der dortigen
Schnitt linie V-V, Fig. 6 einen vergrößerten Längsschnitt-Ausschnitt einer eingespannten
Membrane etwa im Bereich der unteren Halfte der Pumpe in Fig. 2, wobei der Maßstab
in radialer Richtung erheblich überhöht ist, Fig. 7 eine etwa Fig. 6 entsprechende
Längsschnitt-Teildarstellung, hier jedoch im Bereich des Einspannstückes der Ringmembrane,
Fig. 8 eine stark schematisierte Ansicht einer Querschnittsebene einer Ringmembrane
in ausgebautem, entspanntem Zustand, Fig. 9 eine stark schematisierte Seitenansicht
einer Membranpumpe mit im unteren Totpunkt befindlichem RD 1 Ikolben, Fig. 10 eine
stark schematisierte Seitenansicht einer Membranpumpe mit einem gegenüber Fig. 9
in Umlaufrichtung um 900 weiterbewegtem Rollkolben, Fig. 11 eine abgewandelte Ausführungsform
einer Membranpumpe, die ein Hilfsdruckglied besitzt, Fig. 12 einen Teilquerschnitt
einer Pumpe in Einbaulage, Fig. 13 eine Darstellung zur Verdeutlichung der Andruckverhältnisse
im Dichtbereich bei unterschiedlichen Nachlaufwinkeln des Rolle kolbens, Fig. 14
ein Diagramm, bei dem der Anpreßdruck im Druckbereich in Abhängigkeit vom Nachlaufwinke
aufgetragen ist,
Fig. 15 bis 18 Darstellungen für die geometrische
Berechnung der Membranumfänge entsprechend den gegen Ende der Beschreibung dargelegten
Berechnungsangaben, Fig. 19 und 20 etwa Fig. 4 und 5 entsprechende Ansichten einer
Ringmembrane, die hier jedoch mit einem Wulst versehen ist und Fig. 21 eine Detailansicht
der in Fig. 3 strichpunktiert umrandeten Einzelheit Q, wobei hier jedoch die Membrane
mit einem Wulst versehen ist.
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Fig. 1 zeigt eine. an einen Antriebsmotor 2 angeflanschte Membranpumpe
1, nachstehend auch kurz "Pumpe 1" genannt. Sie weist einen Sauganschluß 3 sowie
einen im Ausführungsbeispiel in gleicher Querschnittsebene angeordneten Druckanschluß
4 auf. Die Pumpe 1 und der Antriebsmotor 2 bilden hier ein Motor-Pumpenaggregat.
Der Motor 2 weist einen Befestigungsfuß 37 auf.
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Der Innenaufbau der Pumpe 1 ist im wesentlichen gut in Fig.
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2 und 3 erkennbar. Die Pumpe 1 weist einen ringhohlraumförmigen Arbeitsraum
6 auf, der durch eine feste Arbeitsraum-Außenwand 7 sowie durch eine verformbare
Arbeitsraum-Innenwand 8 begrenzt ist. Die Arbeitsraum-Innenwand 8 ist durch eine
Ringmembrane 9 gebildet.
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Die Ringmembrane 9 wird durch ein im wesentlichen durch einen Rollkolben
10 gebildetes Druckglied 11 umlaufend gegen die Arbeitsraum-Außenwand 7 gedrückt.
Als Antrieb für den Rollkolben 10 dient ein Exzenterantrieb 12. Dieser ist innerhalb
von dem innen koaxial zu seinem Außenmantel 13 hohl ausgebildeten
Rollkolben
10 angeordnet. Der Exzenterantrieb 12 weist ein Rollkolben-Antriebselement 14 auf.
Dieses besitzt einen mit der Antriebswelle 15 (Fig. 3) verbundenen Dreharm 16, der
an seinem freien Ende eine Rolle od.dgl., vorzugsweise, wie im Ausführungsbeispiel
erkennbar, ein Kugellager 17 trägt. Beim Umlauf dieses Kugellagers 17 gemäß dem
Pfeil Pf 1 wird der Rollkolben 10 umlaufend an seiner Innenwand 18 beaufschlagt.
Entsprechend wird auch die Ringmembrane 9 umlaufend in einem Anpreßbereich Pr dichtend
an die Arbeitsraum-Außenwand 7 gedrückt. Dadurch ergibt sich eine Verdrängung des
in dem Arbeitsraum 6, insbesondere in dessen Druckteil 6b befindlichen Fördermediums.
Dieses Fördermedium ist druckseitig (6b) punktiert und saugseitig (6a) durch Kreuze
gekennzeichnet.
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Erfindungsgemäß ist der Rollkolben 10 durch den vorerwähnten Aufbau
der Pumpe 1 sowohl bezüglich der Arbeitsraum-Außenwand 7 als auch bezüglich des
Rollkolben-Antriebselementes 14 kippbar angeordnet. Bei dieser möglichen Kippbewegung
rollt die Innenwand 18 des Rollkolbens 10 auf dem Außenmantel des Kugellagers 17
ab, während der Außenmantel 13 des Rollkolbens 10, unter Zwischenlage der Ringmembrane
9, auf der Arbeitsraum-Außenwand 7 abrollt. Diese Kippbewegung in der Umlaufebene
des Rollkolbens 10 wird durch folgende geometrische Maßnahmen erreicht: Insbesondere
ist in vorzugsweise allen Querschnittsebenen der Pumpe der jeweilige Außenradius
r1 (Pfeil Pf 4 in Fig.2) des Exzenter-Antriebes 12, zuzüglich der jeweiligen Ringdicke
d des Rollkolbens 10, zuzüglich der jeweiligen Wandstärke w der Ringmembrane 9 etwa
gleich, vorzugsweise geringfügig kleiner als der jeweilige lichte Radius R1 der
Arbeitsraum-Außenwand 7.
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Dadurch ist zwischen den Pumpenteilen 12, 17, 10, 9 einerseits und
der Arbeitsraum-Außenwand 7 vorzugsweise etwas Spiel S vorhanden, wie dies in der
in Fig. 12 gezeigten Einbaulage deutlich erkennbar ist. In dieser hier gezeigten
Einbaulage befindet sich der Rollkolben zur Verdeutlichung der maßliche Verhältnisse
in einer Neutralstellung, in der er relativ zu dem Rollkolbenantriebselement 14
keine Verkippung aufweist. Dementsprechend bildet sich bei dem vorgesehenen Spiel
S auch keine Anlagestelle mit entsprechendem Anpreßbereich Pr des Rollkolbens 10
bzw. der Membrane 9 an der Arbeitsraum-Außenwand 7. Die hier gezeigte Stellung des
Rollkolbens gibt somit keine Betriebssi lation der Pumpe sondern nur eine Darstellung
zur Erklärung der Arbeitsweise der Pumpe wieder.
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Das Spiel S ermöglicht die vorerwähnte Kippbewegung des Rollkolbens
10 gegenüber dem Kugellager 17 einerseits und gegenüber der Arbeitsraum-Außenwand
7 andererseits. Auch wenn das Spiel zwischen den vorerwähnten Pumpenteilen praktisch
Null wäre, ist wegen der Druckelastizität der Ringmembrane 9 trotzdem eine dann
geringere Verkippung des Rollkolbens 10 möglich. Daraus ist auch erkennbar, daß
das Maß der möglichen Kippbewegung des Rollkolbens 10 von dem vorerwähnten Spiel
S abhängt. Das Spiel S ist dabei der lichte Radius R1,minus der Summe aus dem Außenradius
ruder Ringdicke d sowie der Wanastärke w der Ringmembrane 9 (Fig.12). Dieses Spiel
S kann in der Praxis von etwa 0 mm an bis etwa 1,5 mm betragen. Daraus ergibt sich
ein Nachlaufwinkel A (Fig. 2) zwischen der Anlagestelle F des Rollkolben-Antriebselementes
14 (Fig. 2)
insbesondere des Kugellagers 17lund der Innenwand 18
des Rollkolbens sowie etwa der Mitte der Anpreßbereiches Pr des Rollkolbens 10 bzw.
der Ringmembrane 9 an der Arbeitsraum-Außenwand 7 zwischen etwa 10 bis maximal etwa
40°.
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Die Kippung des Rollkolbens 10 in die in Fig. 2 gezeigte Nachlaufstellung
mit dem Nachlaufwinkel A ergibt sich einerseits durch die Antriebs- bzw. Drehrichtung
des Exzenterantriebes 12 und andererseits aber auch durch die Druckverhältnisse
im saugseitigen und druckseitigen Arbeitsraum 6a bzw. 6b. Durch diese Drjckverhältnisse
wird auch der Dichtdruck im Anpreßbereich Pr mitbeeinflußt. Unter sonst gleichen
Verhältnissen wächst die Dichtkraft im AnpreBizeich Pr mit der Druckdifferenz zwischen
dem Saug-Arbeitsraum 6a und dem Druck-Arbeitsraum 6b. Somit erlaubt die Pumpe 1
ohne bauliche Veränderungen eine Anpassung der Abdichtung im Ampreßbereich Pr an
die jeweiligen Betriebsverhältnisse der Pumpe 1. Bei kleineren Druckdifferenzen
zwischen der Saug- und der Druckseite ergibt sich dstntsprechend in der Regel ein
verminderter, den Druckverhältnissen angepaSter Dichtdruck, während bei größeren
Druckdifferenzen zwischen der Saug- und der Druckseite entsprechend auch ein höherer
Dichtdruck wirksam wird.
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Die jeweils an betriebsbedingte Gegebenheiten angepaßte Abdichtung
wirkt sich auch in vorteilhafter Weise verschleißmindernd auf die Ringmembrane 9
aus, da diese auch nur den jeweiligen Dichtanforderungen entsprechend druckbelastet
wird. Außerdem ist auch die notwendige Antriebsleistung der Pumpe, insbesondere
deren Leerlaufleistung,dadurch reduziert.
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Neben der vorerwähnten Abhängigkeit des Dichtdruckes im Anpreßbereich
Pr gemäß dem Pfeil Pf 2 ist dieser Dichtdruck auch noch von der Größe des Nachlaufwinkels
A abhängig. Dabei ergibt sich durch die bei unterschiedlichen Nachlaufwinkeln A
entsprechend
unterschiedlichen Angriffshebelarme eine dem Nachlaufwinkel
A etwa umgekehrt proportionale Veränderung des Dichtdruckes.De nach ist bei kleinem
Nachlaufwinkel A der Dichtdruck (Pfeil Pf 2) bei sonst gleichen Bedingungen größer
als bei einan größeren Nachlaufwinkel A. Dies wird später anhand der Fig. 13 noch
näher erläutert.
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Der besseren Übersicht wegen ist in Fig. 2 ein für die Praxis sehr
großer Nachlaufwinkel A dargestellt. In der Praxis hat sich gezeigt, daß insbesondere
Nachlaufwinkel A im Bereich von etwa 100 sehr günstig sind. Jedoch können unter
anderem auch in Abhängigkeit vom Fördermedium zur Erzielung unterschiedlicher Dichtdrücke
auch entsprechend andere Nachlaufwinkel A gewählt werden.
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Ein möglichst kleiner Nachlaufwinkel A hat auch noch jib bleich des
oberen Totpunktes OT des Rollkolbens 10, woauchderSauganschluß 3 und der Druckp-ischluß
4 vorgesehen sind, günstige Auswirkungen. In diesem oberen Totpunktbereich OT tritt
nämlich eine Änderung der auf den Rollkolben 10 einwirkenden Kräfte auf, so daß
dieser das Bestreben hat, eine entsprechende Ausgleichskippbewegung durchzuführen.
Bedingt durch den vorzugsweise vorgesehenen kleinen Nachlaufwinkel A wird diese
Kippbewegung jedoch in engen Grenzen gehalten. Außerdem sorgt die im Bereich des
oberen Totpunktes OT besonders geformte Ringmembrane 9, wie dies später noch beschrieben
wird, zu einer guten Führung des Rollkolbens, so daß auch dadurch die vorerwähnte
Ausgleichs-Kippbewegung zumindest gedämpft wird.
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Für den gleichen Zweck ist es auch vorteilhaft, wenn der Umfangswinkel
B zwischen der Auslaßöffnung 19 und dem Einspannstück 20 größer ist als der Nachlaufwinkel
A, wobei dieser vorzugsweise wiederum kleiner als der Umfangsabschnitt mit dem Winkel
C ist, in welchem das Einspannstück 20 angeordnet ist. In vorteilhafter Weise wird
dadurch die Krafteinwirkung auf den Rollkolben 10, die gegebenenfalls zu einer Ausgleichs-Xippbewegung
führen kann, in den Bereich nach der Auslaßöffnung 19 und insbesondere auch in den
Bereich des Einspannstückes 20 verlegt.
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Der Umfangswinkel D zwischen der Einlaß- und der Auslaßöffnung 21
bzw. 19 ist in der Regel unter Berücksichtigung der Unfangserstreckung des Einspannstückes
20 so klein wie möglich. Dementsprechend ist das wirksame Arbeitsvolumen der Membranpumpe
1 vergleichsweise groß. Gegebenenfalls kann der Unfangswinkel D je nach dem gewünschten
Enddruck der Pumpe 1 auch anpaßbar sein.
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Die Arbeitsraum-Außenwand 7 ist im Längsschnitt gesehen (Fig.3)lnach
außen gewölbt. Entsprechend weist auch der Rollkolben-Außenmantel 13 eine in seiner
Kontur unter Berücksichtigung der Wandstärke w der Ringmembrane 9 eine auf diese
Wölbung abgestimmte Außen-Längsschnittform mit einer Korwexxölbung 1 3a auf. Die
einzelnen koaxialen Querschnitte der Arbeitsraun-Aussenwand 7 sind kreisförmig ausgebildet
und das ollkolben-Antriebse lenrwt 14 ist konzentrisch dazu gelagert. Fig. 3 läßt
auch noch gut erkennen, daß die Ringmembrane 9 in ihrem - in der Achsrichtung gesehen
- aktiven Umfangsbereich 22 etwa gleiche Wandstärken w hat.
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In Fig. 3 befindet sich der Rollkolben 10 in einer gegenüber Fig.
2 etwa um 900 weiterbewegten Lage, wie dies auch in Fig.2 strichliniert mittels
einem Membran- sowie einem Rollkolbenabschnitt angedeutet ist.
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Nach einer wesentlichen Ausgestaltung der Erfindung sind die Mit branform
und der Membrandurchmesser wenigstens bezüglich ihres Querschnittes so gewählt,
daß sie in zumindest nahezu allenDrehlagen des Rollkolbens 10 spannungsfrei oder
zumindest weitgehend spannungsfrei ist. Die dazu notwendige Formgebung ist insbesondere
in Fig. 8 erkennbar. Dabei weist die Ringmembrane 9, insbesondere deren aktiver
Umfangsbereich 22 (Fig. 3), in den einzelnen Querschnittsebenen in entspannter Lage
eine etwa birnenförmige Umrißform auf. Dabei ist ein im Krümmungsradius K1 kleinerer,
etwa kreislinienförmiger Umfangsbereich zumindest
etwa symmetrisch
sowie benachbart zu dem Einspannstück 20 vorgesehen, an den sich, vorzugsweise unter
Zwischenschaltung von vorzugsweise beidseits etwa tangentialen Ubergangsabschnitten
23, ein Kreisumfangschnitt mit größerem Krümmungsradius K 2 anschließt. Der Krümmungsradius
K2 der membrane 9 ist kleiner als der lichte Radius R1 der ArbeitsraiitAußenwand
7 sowie größer als der Krümmungsradius R2 des Außenmantels 13 des Rollkolbens 10.
Der kleinere Krümmungsradius K1 der Ringmembrane 9 entspricht höchstens etwa dem
Krümmungsradius R2 des Außenmantels 13 des Rollkolbens 10 und ist vorzugsweise etwas
kleiner als dieser. Die vorerwähnte Formgebung sowie die Durchmesserverhältnisse
sind insbesondere im Hinblick auf eine praktisch spannungsfreie Umschlingung des
Rollkolbens in allen Lntlauflagen von diesem sowie auch auf ein möglichst großes
Schöpfvolumen der Pumpe vorgesehen. Der Umfangsabschnitt (Winkel E) mit dem kleineren
Krümmungsradius K1 erstreckt sich etwa über einen Winkel E von ca. 700. Die Ubergangsabschnitte
23 bilden dann einen kontinuierlichen Übergang zum größeren Krümmungsradius K2.Durch
den gegenüber dem lichten Radius R1 kleineren Krümmungsradius K1 der Membrane 9
wird insbesondere auch im Saug-Arbeitsraum 6a ein Abhebender Membrane 9 von der
Arbeitsraum-Außenwand 7 begünstigt. Dagegen ist der größere Krümmungsradius K2 der
Membrane unter Berücksichtigung einer weitgehenden Spannungsfreiheit der Membrane
in Umfangsrichtung sowie unter Berücksichtigung eines vorgegebenen Schöpfvolumens
der Pumpe 1 gewählt.
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Die Ringmembrane 9 weist - wiederum in ihrer Achsrichtung gesehen
- in demjenigen aktiven Umfangsbereich 22, der den größeren Krümmungsradius K2 aufweist,
in entspannter Lage (Fig. 8) eine zylindrische Innenfläche auf (Fig.6). Daaegen
ist der mit dem kleineren Ktinungsradius K1 versehene Umfangsbereich Winkel E) in
Anpassung an die Auswölbung 39 der Arbeitsraum-Außenwand 7 etwa symmetrisch zu dem
Einspannstück 20, auch im unverformten Zustand zu diesem jeweils hin zunehxnd radial
ausgewölbt und hat beim Einspannstück 20 eine der ausgewölbten Arbeitsraum-Außenwand
7 mindestens in etwa entsprechende Auswölbung 24. In Fig. 4 ist der zur Auswölbung
24 gehörende Auswölbungsraum 24a und der diese begrenzende Wand mit 24 b bezeichnet.
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In Fig.7 sind die strichpunktierten Mittellinien des in Achsrichtung
aktiven Umfangsbereiches 22 der Ringmembrane in jeweils unterschiedlichem Umfangsabstand
von dem Einspannstück 20 eingezeichnet. Dabei gehört die Mittellinie M1 zu einem
sich innerhalb des Umfangsabschnittes mit dem Krümmungsradius K2 befindlichen Membranteiles,
während die Mittellinie M2 einem in der Nähe des Einspannstückes 20 liegenden Membranabschnitt
zugeordnet ist. Die Mittellinie M3 gibt die Krümmung der Auswölbung 24a direkt in
der Mitte des Einspannstückes 20 wieder. Die Auswölbung 24a im Bereich des Einspannstückes
20 ist insbesondere vorgesehen, weil die Membrane in diesem Bereich wegen der dort
höheren Stabilität nur geringfügig nachgeben und sich an die ausgewölbte Form des
Außenmantels 13 des Rollkolbens 10 anpassen kann.
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Fig. 4 und 5 zeigen die genaue Ausbildung der unverformten Ringmembrane
9, wobei diese gemäß Fig. 4 halbseitig geschnitten dargestellt ist. Das Einspannstück
20 ist etwa radial orientiert und steht über den Außenumfang der Membrane 9 vor.
Das Einspannstück 20 erstreckt sich über die gesamte axiale Breite der Ringmembrane
9 (Fig.5) , Seitlich ihres aktiven Umfangsbereiches 22 weist die Ringmembrane 9
etwa radial orientierte, umlaufende Seiten-Einspannflansche 25 auf, die auch noch
über das Einspannstück 20 überstehen. Im Bereich des Einspannstükkes 20 ist auch
hier die Auswölbung 24 mit dem Azwölbungsraum 24a sowie der diesen begrenzenden
Wand 24b erkennbar (Fig. 4). Vorteilaafterweise hat die RinTiembran-Lnnenseite 26
bezüglich der Ablauffläcbe des RDllkolbens 10 insgesamt eine zumindest nahezu knickfreie
Oberfläche bzw. für den Rollkolben eine wenigstens nahezu stoßfreie Unlauffläche.
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Die schon vorerwähnten geometrischen Verhältnisse der Membrane 9,
insbesondere ihre Form und die Durchmesser, gegebenenfalls auch die Materialeigenschaften
sind so gewählt, daß auch bei Unterdruck zumindest im saugseitigen Arbeitsraum-Abschnitt
6a
der entsprechende Ringmembranteil sich von der Arbeitsraum-Außenwand
7 abhebt. Dazu trägt insbesondere auch bei, daß der Außenumfang der Ringmembrane
9 in der jeweiligen Ebene jeweils kleiner ist als der Arbeitsraum-Außenumfang bzw.
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die Arbeitsraum-Innenwand 8 in der entsprechenden Ebene. Dabei ist
es besonders zweckmäßig, wenn die Ringmembrane 9 in Umfangsrichtung praktisch fast
unnachgiebig, in axialer Richtung aber etwas dehnbar ist. Dazu kann zweckmäßigerweise
in Umfangsrichtung eine etwa zumindest im Vergleich zum Membranwerkstoff unnachgiebige
Einlage od.dgl. Verstärkung aus Fäden 38, Gewebe od.dgl. vorgesehen sein. Diese
sind in Fig.4 strichpunktiert sowie in Fig.6 im Querschnitt angedeutet In der Praxis
hat es sich gezeigt, daß man vorteilhafterweise die Membrane so ausbildet, daß sie
in Umfangsrichtung keine praktisch in's Gewiciit fallende Längendehnung hat. In
axialer Richtung tritt dagegen in der Regel eine geringfügige Dehnung der Membrane
9 dadurch auf, daß sie vom Rollkolben in diese Auswölbung 39 gedrückt wird. Zweckmäßigerweise
ist die Membrane 9 jedoch unverformt derart gestaltet, daß ihre maximale Dehnung
in dieser Richtung in der Regel weniger als etwa 4,0 beträgt.
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Gegebenenfalls besteht auch die Möglichkeit, daß die Ringmembrane
9 in axialer Richtung geringfügig länger ausgebildet ist als es der Auswölbung 24
der Arbeitsraum-Außenwand 7 im Längsschnitt entspricht. Dadurch kann mittels passender
Bemessung der Membrane 9 erreicht werden, daß sie auch in axialer Richtung etwa
dehnungsfrei bleibt, wenn der Rollkolben 10 sie in die Auswölbung 24 der Arbeitsraum-Außenwand
7 drückt.
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Die Ringmembrane 9 besteht aus einem elastischen Werkstoff, vorzugsweise
aus einem Elastomer,und weist zweckmäßigerweise eine Dicke von etwa 1 mm bis 4 mm
auf.
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Um zusätzlich die Membrane 9 vor Verschleiß zu schützen, kann zumindest
die Arbeitsraum-Außenwand 7 sowie gegebenenfalls der Außenmantel 13 des Rollkolbens
10 eine Beschichtung, vorzugsweise aus gleitfähigem Kunststoff od.dgl. aufweisen.
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Die Figuren 9 und 10 zeigen noch stärker schematisiert in einer Seitenansicht
der Pumpe 1 unterschiedliche Rollkolben-Stellungen. Insbesondere ist dabei auch
die jeweilige Lage der Ringmembrane 9 sowie der saugseitigen bzw. der druckseitigen
Arbeitsräume 6a bzw. 6b erkennbar. Die Umlaufrichtung des Rollkolbens 10 ist dabei
durch die Pfeile Pf 3 gekennzeichnet.
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Die erfindungsgemäße Membranpumpe 1 kann ventillos ausgebildet sein.
In Fig. 2 ist in Abwandlung dazu beim Druckanschluß 4 noch ein Ventil 27 angedeutet.
Die Einlaßöffnung 21 und die Auslaßöffnung 19 sind nahe am Einspannstück 20 der
Membrane 9, durch dieses bzw. den Membranansatz dazu voneinander getrennt,angeordnet
In Fig. 6 erkennt man noch einen strichliniert eingezeichneten axialen Verlauf der
Membrane 9, der sich theoretisch unter Berücksichtigung einer praktischen Spannungsfreiheit
der Membrane in Umfangsrichtung ergibt. Diese Form weicht jedoch maximal nur wenige
10-tel mm von der zylindrischen Form ab.
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Durch den symmetrischen Aufbau der erfindungsgemäßen Membranpumpe
1 kann diese ohne besondere Maßnahmen in ihrer Drehrichtung und damit auch in ihrer
Förderrichtung umgeschaltet werden. Dazu wird lediglich der die Pumpe 1 antreibende
Antriebsmotor 2 (Fig.1) in seiner Drehrichtung geändert. Für diesen Zweck ist als
Antriebsmotor vorzugsweise ein Gleichstrommotor vorgesehen.
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Bei flüssigen Fördermedien, z. B. mit einer Förderleistung von etwa
1 bis 100 imin. kann die Pumpe 1 einen Drehzahlbereich von etwa 500 bis 4000 Umdrehungen
pro Minute, vorzugsweise einen Drehzahlbereich von 1000 bis 1800 Umdrehungen pro
Minute aufweisen.
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Für gasförmige Fördermedin, ..ls. bei Förderleistungen von etwa 5
bis 250 1/min. kann ein Drehzahlbereich von etwa 500 bis 4000 Umdrehungen pro Minute
vorzugsweise 3000 bis 3600 Umdrehungen pro Minute vorgesehen sein.
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Gegebenenfalls kann die Auslaßöffnung eine vergleichsweise große lichte
Weite in axialer Richtung bei gleichzeitig vergleichsweise geringer Erstreckung
in Umfangsrichtung der Pumpe aufweisen. Dagegen kann es zweckmäßig sein, wenn die
Einlaßöffnung 21 eine vergleichsweise große lichte Weite bzw. Erstreckung in Umfangsrichtung
der Pumpe aufweist. Durch diese vorerwähnten Maßnahnen kann das wirksame Schöpfvolumen
der Membranpumpe 1 günstig beeinflußt werden.
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Fig. 11 zeigt noch eine etwas abgewandelte Membranpumpe la, bei der
insbesondere der Exzenterantrieb 12a gegenüber z.B.
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Fig 2 abgewandelt ausgebildet ist. Dieser Exzenterantrieb 12a für
den Rollkolben 10 weist ein Hilfsdruckglied 28 auf, welches den Rollkolben im Sinne
einer Kippbewegung in seiner Umlaufebene beaufschlagt. Die Anordnung dieses Hilfsdruckgliedes
28 ist dabei derart vorgesehen, daß ein Kippen des Rollkolbens 10 entgegen der Umlaufrichtung
(Pfeil Pf 3) des Rollkolben-Antriebselementes erfolgt; d.h., der Rollkolben 10 kippt
um den Kipptmkt Z (Fig. 11) in Richtung des Pfeiles Pf 4. Dadurch ergibt sich ein
verstärkter Andruck im Anpreßbereicb Pr' des Rollkolbens 10 bzw. der Ringmembrane
9 an der Arbeitsraum-Außenwand 7. Das Hilfsdruckglied 28 weist eine Rolle, insbesondere
ein Kugellager 29 auf, welches in Umlaufrichtung (Pfeil Pf3) des Rollkolben-Antriebselementes
14a hinter diesem angeordnet ist und die Innenwand 18 des Rollkolbens 10 beaufschlagt.
Das Kugellager 29 ist an einem Ende eines Verbindungshebels 30 angeordnet, der mit
seinem anderen F.nde drehbar mit dem hier als
Segmentplatte 31
ausgebildeten Dreharm verbunden ist. Der Verbindungshebel 30 wird von einer mit
dem Dreharm 16 verbundenen Feder 32 im Sinne einer Verschwenkung des Kugellagers
29 zu der Rollkolben-Innenwand 18 hin beaufschlagt.
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Auf den Rollkolben 10 wirken in Abhängigkeit von seiner Umlaufstellung
unterschiedliche Kräfte ein, wobei die größte Kraftbeaufschlagung insbesondere in
Kipprichtung, im unteren Totpunkt etwa entsprechend Fig. 2 auftritt. Dies resultiert
unter anderem aus den Druckverhältnissen im druck-bzw. saugseitigen Arbeitsraum
6b bzw. 6a. Wie schon vorerwähnt, tritt im Bereich des oberen Totpunktes eine wesentliche
Anderung der Kraftbeaufschlagung des Rollkolbens 10 auf. Bei der Ausführungsform
einer Membranpumpe 1a gemäß Fig. 11 ist nun vorgesehen, daß die "Vorspannung", die
zum Verkippen des Rollkolbens 10 führt, derart vorgesehen ist, daß der Rollkolben
10 immer definiert in der vorgegebenen "Nachlauflage" gehalten wird. Dadurch kann
eine Flatterneigung des Rollkolbens 10 insbesondere im Bereich des oberen Totpunktes
vermieden werden.
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Die durch das Hilfsdruckglied 28 geschaffene "Vorspannung" kann durch
die Feder 32 oder aber auch durch die Hebelverhältnisse bzw. Angriffspunkte der
Hebel 30 bzw. 31 eingestellt werden.
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Neben der bevorzugten kreisrunden Form der Arbeitsraum-Außenwand 7
kann diese auch für bestimmte Anwendungsfälle, z.B.
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zur Erzeugung eines von der Umlaufstellung des Rollkolbens 10 abhängigen
Dichtdruckes (Pf 2 in Fig.2), eine von dieser kreisrunden Form abweichende, z.B.
bereichsweise spiralige od.dgl.
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Form aufweisen. Dies ist durch das selbstständige Angleichen des Rollkolbens
10 an eine solche abweichende Form möglich. Dabei ändert sich auch entsprechend
der Nachlaufwinkel A bzw. A' des Rollkolbens 10 und damit auch der Dichtdruck. Bei
geringem
Abstand der Arbeitsraum-Außenwand 7 ergibt sich so ein höherer Dichtdruck als bei
etwas größerem Abstand der Arbeitsraum-Außenwand 7 vom Mittelpunkt der Antriebswelle
15.
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Da der Arbeitsraum 6 durch die Ringmembrane 9 gegenüber dem Rollkolben
10 sowie dem Exzenterantrieb 12 bzw. 12a abgedichtet ist; sind zwischen dem Exzenterantrieb
12, 12a und dem Pumpengehäuse 33 besondere Dichtmaßnahmen nicht erforderlich. Es
ist somit ein völlig geschlossener, dichter Arbeitsraum geschaffen. Gegebenenfalls
kann auch das Rollkolben-Antriebselement 14, insbesondere das Kugellager 17 gekapselt
ausgebildet sein, so daß auch von dort her z.B. Fett od nicht austreten und gegebenenfalls
mit der Membrane in Beziehung kommen könnte.
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Erwähnt sei noch, daß die erfindungsgemäße Pumpe völlig ölfrei,insbesondere
im Arbeitsraumbereich,arbeitet.
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Das Pumpengehäuse 33 ist insbesondere durch einen Ringkörper 34, der
innen die Arbeitsraum-Außenwand 7 aufweist, sowie durch zwei Gehäuseplatten 35 gebildet.
Die Gehäuseplatten 35 und der Ringkörper 34 weisen Ausnehmungen 36 auf, die zur
Aufnahme der Seiten-Einspannflansche 25 der Ringmembrane 9 dienen. Die Ausnehmungen
36 sind dabei derart bemessen, daß diese Seiten-Einspannflansche 25 zumindest in
axialer Richtung dicht eingespannt sind. Fig. 2 läßt noch erkennen, daß auch die
Pumpe 1 selbst mit einem Standfuß 37a versehen sein kann.
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Wie schon vorerwähnt, ist der Anpreßdruck des Rollkolbens 10 mit der
Ringmembrane 9 im Anpreßbereich Pr auch von der Größe des Nachlaufwinkels A (Fig.2)
abhängig.
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In Fig. 13 sind anhand von zwei verschiedenen Nachlaufwinkeln A1 bzw.
A2 - die hier als Scheitelwinkel eingezeichnet sind -die Druckverhältnisse in den
entsprechenden Anpreßbereichen, die hier als Anpreßpunkte Pr1 und Pr2 eingezeichnet
sind, wiedergegeben. Der Nachlaufwinkel ist einerseits durch die Anlagestelle F
des Rollkolben-Antriebselementes 14, hier des Kugellagers 17, an det Innenwandung
18 des Rollkolbens 10 einerseits
sowie etwa der Mitte des jeweiligen
Anpreßbereiches bzw. der Anpreßpunkte Prl bzw. Pr2 begrenzt. In Fig. 13 sind die
einzelnen Bauteile zur Vereinfachung weggelassen und nur deren Berührungspunkte
und dgl. eingezeichnet.
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Die Trennung des Druckraumes 6b vom Saugraum 6a (Fig. 2) erfolgt durch
die Ringmembrane 9. Dabei ist eine Dichtstelle 20a durch das Einspannstück 20 und
die andere Dichtstelle durch den Anpreßberei z.B. Pr gebildet. Die Trennung ist
durch Trenngeraden 40 (strichliniert) sowie 40a (strichpunktiert) zwischen der Dichtstelle
20a und dem jeweiligen Anpreßpunkt Prl bzw. Pr2 in Fig. 13 dargestellt.
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Zunächst seien die Druckverhältnisse bei einem vergleichsweise großen
Nachlaufwinkel A1 betrachtet. Dabei sind die strichlinierten Linien zusammengehörend.
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Zur Normierung ist die halbe Länge der Trenngeraden 40 in der Mitte
ml von dieser senkrecht angreifend, als Druckresultierende Q1 aufgetragen. Diese
Druckresultierende Q1 ergibt sich aus der Druckdifferenz des Druckes im Druckraum
6b sowie im Saugraum 6a (Fig. 2). Auch in Fig. 13 ist die gleiche Drehrichtung wie
in Fig. 2 gem. dem Pfeil Pf 1 angenommen.
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Die Druckresultierende Q1 bildet zusammen mit dem Hebelarm 41 zwischen
der Anlagestelle F sowie dem Punkt ml ein Drehmoment, welches unter anderem die
Verkippung des Rollkolbens 10 bewirkt. Mit Q1' ist die aus der Druckresultierenden
Q1 resultierende Kraftkomponente bezeichnet. Aus dem Hebelarm 41 sowie der Kraftkomponente
Q1 ergibt sich ein Drehmoment, welches um die Anlagestelle F wirkt. Für die Druckkraft
beim Anpreßpunkt Prl (Nachlaufwinkel A1) wirkt das gleiche Drehmoment, hier jedoch
bei kürzerem Hebelarm. Dieser dafür wirksame Hebelarm 42 befindet sich zwischen
der Anlagestelle F und dem Anpreßpunkt Pr1.
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Bei vorgegebenem Drehmoment - durch den Hebelarm 41 und die Kraft
Q1' - ergibt sich senkrecht zum Hebelarm 42 eine der Kraftkomponente N1 entsprechende
Kraft. Aus dieser läßt sich die im Anpreßpunkt Pr1 senkrecht zur Arbeitsraum-Außenwand
7 wirkende Dichtkraft P1 ableiten.
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Im Vergleich zu den vorerwähnten Kräfteverhältnissen bei einem vergleichsweise
großen Nachlaufwinkel Al ist nachfolgend noch erläutert, welche Kräfteverhältnisse
sich bei einem kleineren Nachlaufwinkel A2 ergeben.
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Die für diesen kleineren Nachlaufwinkel A2 zusammengehörenden Konstruktionslinien
sind strichpunktiert gezeichnet.
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Die Trenngerade zwischen der Dichtstelle 20a und dem neuen Anpreßpunkt
Pr 2 ist mit 40a bezeichnet. Zur Vereinfachung wurde die gleiche Position der Anlagestelle
F vorgesehen.
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ist die entsprechende Druckresultierende, aus der sich die Kraftkomponente
Q2, ergibt. Diese bildet zusammen mit dem wirksamen Hebelarm 41 a ein Drehmoment
um die Anlagestelle F.
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Der Hebelarm 42 a ist bedingt durch den kleineren Nachlaufwinkel A2
vergleichsweise kurz,so daß das Drehmoment aus der Kraft 02,.sowie dem Hebelarm
41 a auch eine entsprechend große, an dem Hebelarm 42 a angreifende Kraftkomponente
N2 ergibt. Durch Ubertragung dieser Kraft N2 auf die senkrecht beim Anpreßpunkt
Pr2 liegende Druckgerade, ergibt sich die Anpreßkraft P2. Diese ist im Vergleich
zur Anpreßkraft P1, die bei einem größeren Nachlaufwinkel A1 wirksam ist, wesentlich
größer.
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Insgesamt ergibt sich daraus, daß die wirksamen Anpreßkräfte z.B.
P1, P2 im entsprechenden Anpreßbereich Pr 1 bzw. Pr 2 zu den zugehörigen Nachlaufwinkeln
A1 bzw. A2 etwa umgekehrt proportional sind.
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Mit 43 ist noch der durch den im Betrieb der Pumpe umlaufenden Mittelpunkt
des Rollkolbens 10 gebildete Kreis bezeichnet.
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Fig. 14 zeigt noch ein Diagramm, bei dem auf der Abszisse der Nachlaufwinkel
A und auf der Ordinate der Anpreßdruck P als Variable aufgetragen sind. Diese Darstellung
ist rein qualitativ, um in etwa einen Überblick über den Zusammenhang zwischen dem
Nachlaufwinkel A und dem jeweils zugehörigen Anpreßdruck zu erhalten. Der nicht
näher untersuchte Übergangsbereich ist strichliniert gezeichnet, während die auch
anhand der Fig. 13 erläuterten Verhältnisse ab einem bestimmten Nachlaufwinkel Ax
qualitativ durch die durchgezogene Kurve dargestellt sind.
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Wie bereits erwähnt, besteht eine besonders vorteilhafte Ausführung
der erfindungsgemäßen Membranpumpe 1,1a darin, daß die Ringmembrane 9 in ihren einzelnen
Umfangs-Abschnitten jeweils eine derartige Umfangs-Länge erhält, daß die Dehnung
der Membrane 9 in Umfangs richtung bei allen Lagen des Rollkolbens wenigstens in
etwa gleich Null wird. Wie bereits erwähnt, hat eine derartige Ausbildung der Ringmembrane
9 den Vorteil, daß einerseits ihre Betriebs-Beanspruchung und auch die zu leistende
Leerlauf-Arbeit des Pumpenantriebes vergleichsweise kleingehalten werden können;
andererseits wird dadurch die Möglichkeit begünstigt, die Ringmembrane 9 in Umfangsrichtung
durch Armierungsfäden 38 zu verstärken. Letzteres kommt nicht nur der Stabilität
und Lebensdauer der Ringmembrane 9 zugute, sondern begünstigt auch die Betriebsweise
dadurch, daß vergleichsweise große Schöpfräume sichergestellt werden. Auch können
unerwünschte Flatter-Bewegungen der Ringmembrane 9 bei entsprechender Längenbemessung
der einzelnen Membran-Umfänge U kleingehalten bzw.
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ausgeschlossen werden.
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Um die Ringmembrane 9 mit derartigen, erfindungsgemäßen Abmessungen
zu versehen, kann man einzelne Umfänge U der Membrane 9 in unterschiedlichen Querschnittsebenen
berechnen. Als Beispiel sind dazu in Fig.6 elf Querschnittsebenen eingetragen und
mit "QO", "QI", "QII", "QIII", "QIV", "QV" bezeichnet.
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Dabei liegt die Querschnittsebene "QO" bezüglich der Längsachse der
Ringmembrane 9 in deren Symmetrieebene. Die jeweils rechts und links danebenliegenden
Querschnittsebenen QI, QI, QII, QII usw. sind jeweils symmetrisch zu der Querschnittsebene
gemäß QO angeordnet, wie es auch der Konkav-Wölbung der in Fig.6 gezeigten Arbeitsraum-Außenwand
7 entspricht. Dabei zeigt Fig. 15 die Geometrie der "körper1 neutralen Zone, wie
sie etwa derjenigen Zone in der wirklichen Membrane 9 entspricht, die durch die
Fäden 38 (vgl.
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Fig.4 und 6) charakterisiert ist, in der Darstellung bei Fig.15 jedoch
in ungespanntem Zustand der Membrane 9, das heißt, bei einem Einbauzustand noch
ohne Rollkolben. Dabei ist die Länge des Umfangs Uu der ungespannten Membrane gemäß
Fig. 15 U = 1 + 2t + 1 u e u wie gut aus Fig. 15 ersichtlich, ergeben sich noch
folgende geometrische Beziehungen: 1e = Rk . 2γ 360
1u = Ru(360-2γ) tanγ = t R -R.
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Dabei stellt Rk den vom Rollkolben 10 her gewählten Radius dar, und
zwar unter Berücksichtigung des Anteiles der Dicke der Wandstärke w derart, daß
Rk auf die vorerwähnte "neutrale Zone" gemäß den Fäden 38 bezogen ist.
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Den Winkel γ kann man nach den in der Beschreibung bereits erläuterten
Gesichtspunkten wählen und gegebenenfalls variieren. Entsprechendes gilt für die
Radien Ra und Ru In Fig. 16 ist dann ein Verlauf des Umfanges U@ der körperlosen,
neutralen Zone der Membrane 9 gemäß Fig.15 dargestellt, jedoch in einer durch den
Rollkolben 10 ausgelenkten Stellung, wobei sich der Rollkolben 10 in der Winkelstellung
"@" befindet.
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Für den dort mit U@ @ bezeichneten Umfang der neutralen Zone gelten
dann folgende Beziehungen: @= b1 + b2 + 2(b3 + t1+ t2) Dabei sind: b1 = 2α1
360
2#Rk b2 = ####.2α2 360
2#Ri b3 = . 180-(α1+α2) t1 sinα1 = Ra-Rk sinα2 = a Die vorstehenden
Beziehungen sind aus Fig.16 ableitbar.
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In Fig.17 und 18 sind dann nochmals der Umfang U der neutralen Zone
der Ringmembrane 9 dargestellt, und zwar für die Rollkolben-Stellung ²/2 bzw. 3/2#
. Dafür gelten folgende Beziehungen t/2 3#/2 = b1 + b2 + b3 + b4 + b5 + t1 + t2
+t3 2#Rk b1 = 360
2#Ri b2 = 270 - (α1 + α2) 360
b3 3s b4 = 90 - (ß3 + ß6) 2#Rk b5 = 180 - (α + 360
sinα1
= Ra - Rk sinα2 = a tanα3 = Ra - Rk α4 = 90 -(ß3 + ß6) α5
= 180 - (α3 + α6)
ß3 = 90 - α2 ß6 = 90 - α6 Die vorstehenden Beziehungen sind aus den
Fig. 17 und 18 herleitbar.
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Man kann nun beispielsweise bei vorgegebenen Radien Ra und Ru jeweils
für die unterschiedlichen Querschnittsebenen QO, QI usw. (vgl. Fig. 6) jeweils Hin-
und Rückrechnungen vornehmen und durch Variationsrechnungen ermitteln, bei welchen
variablen Größen der Umfang U der neutralen Zone der Membrane 9 in allen Rollkolben-Lagen
in der jeweiligen Schnittebene QO, QI
usw. praktisch gleich ist.
Die Gleichheit des Umfangs einer solchen Querschnittsebene QO, QI usw. der Membrane
9 bedeutet, daß die Dehnung beziehungsweise Belastung der Membrane 9 in allen Stellungen
des Rollkolbens 10 praktisch gegen Null geht.
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In den vorerwähnten Fig. 17 und 18 sind dabei die geometrischen Angaben
zu den zugehörigen Formeln ähnlich den Fig. 15 und 16 dargestellt, wobei jedoch
die im Zentrum der Darstellung von Fig. 17 liegenden Winkel- und Streckenangaben
der besseren Übersicht wegen in Fig. 18 im ver größertem Maßstab herausgezeichnet
sind.
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Besondere Ausgestaltungen der Membranform, wie sie insbesondere durch
die Ausbeulung 24 (vgl. z.B. Fi 4, 5 und 7) vorgesehen sind, sind bei der vorstehenden,
mehr theoretisch-geometrischen Betrachtungsweise außeracht gelassen worden. Auch
beziehen sich die in den Formeln zu den Fig. 15 bis 18 verwandten Zeichen U, R,
b, t, usw. nur auf die Formeln in Verbindung mit den Fig. 15 bis 18.
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Die vorstehenden, mit zur Erfindung gehörigen Ausführungen zu den
Fig. 15 bis 18 zeigen auf, daß man eine Ringmembraneg schaffen kann, die theoretisch
bei allen Stellungen des Rollkolbens 10 in Umfangsrichtung spannungsfrei sein kann.
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Das bedeutet, daß man in der Praxis eine entsprechende
Ringmembrane
schaffen kann, die in dieser Umfangsrichtung nur eine geringe Spannungsbelastung
erfährt. Man kann sie gemäß einem bereits erwähnten Erfindungsmerkmal auch mit Fäden
38 in der neutralen Zone versehen.
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Schließlich wird zu Fig. 2 noch erwähnt: Die Anlagepunkte des Ringkolbens
10, nämlich einerseits zwischen der Rollkolben-Innenwand 18 und dem Kugellager 17
bei F und andererseits im Anpreßbereich PR liegen jeweils auf der einen (linken)
und der anderen (rechten) Seite der verlängerten Stellung des Dreharmes 16 gemäß
Fig.2. Diese Verschiebung der Anlagepunkte gegenüber der Einbaustellung nach Fig.
12 entsteht durch das erfindungsgemäB vorgesehene Kippen des Rollkolbens 10. Der
Anlagepunkt 17 verlagert sich etwas in Drehrichtung des Dreharmes 16, während der
Anpreßbereich R der Bewegung des Dreharmes 16 "nachläuft".
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Die Figuren 19 u. 20 zeigen noch eine gegenüber Fig. 4 und 5 etwas
abgewandelte Ringmembrane 9a, die in Umfangsrichtung als Verstärkung einen umlaufenden
Wulst 44 aufweist. Dieser steht auf der Innenseite 26 der Ringmembrane 9a vor und
kann bei Beaufschlagung der Ringmembrane 9a durch den Rollkolben 10 in eine in diesem
vorgesehene Ringnut 45 eingreifen (vgl. Fig. 21). Diese Ringnut 45 hat mindestens
etwa eine dem Querschnitt der Wulst 44 entsprechenden Querschnitt.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 19 bis 21 weist die Ringmembrane
9a einen einzige etwa in der Mitte ihrer radialen Breite angeordneten Wulst 44 auf.
Gegebenenfalls können auch mehrere Wülste vorgesehen sein. Der bzw.
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die Wülste z.B 44 sind dabei bezüglich ihres (ihrer) Querschnittes
sowie gegebenenfalls ihres Biegeträgheitsmomentes derart bemessen, daß die Wülste
(der Wulst) die vom Rollkolben
10 unbeaufschlagten Membranabschnitte
von der Arbeitsraum-Außenwand 7 mitabzieht. Dies wird durch eine Reduzierung der
Dehnbarkeit der Ringmembrane 9a in Umfangsrichtung erzielt, insbesondere auch durch
den als Verstärkung in Umfangs richtung dienenden Wulst 44. Der bzw. die Wülste
44 haben somit eine mit den anhand der Fig. 6 erwhnten Fäden 38 vergleichbare Funktion.
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Fig. 20 und 21 lassen noch erkennen, daß der Wulst 44 einen etwa trapezförmigen,
sich zu seinem inneren freien Ende verjüngenden Querschnitt hat, der ein Eintreten
in die Ringnut 45 des Rollkolbens 10 begünstigt.
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Auch die Ringmembrane 9a mit dem Wulst 44 ist so ausgebildet, daß
die Verformungsarbeit so gering wie möglich ist, gerade so viel, daß die entsprechenden
Membranabschnitte untcr Betriebsbedingungen, d.h. auch beim Ansaugen aus dem Vakuum,
von der Arbeitsraum-Außenwand 7 abgezogen werden. Die RingjTbrane 9a ohne die Fäden
(38) ist einfacher in der Herstellung.
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Durch die kippbare Anordnung des Rollkolbens 10 und damit die Möglichkeit,
durch die Kippbewegung Maßtoleranzen des Rollkolbens 10 und auch des Ringkörpers
34 auszugleichen, kann in besonders vorteilhafter Weise das Pumpengehäuse 33 bzw.
der Ringkörper 34 und/oder der Rollkolben 10, vorzugsweise beide Pumpenteile 33
bzw. 34, 10, Spritz- oder Gußteile sein. Insbesondere können sie aus Metallguß,
vorzugsweise aus nicht nachbearbeitetem Druckguß bestehen. Die bei diesem Werkstoff
bzw. bei diesem Herstellungsverfahren meist vorhandenen Maßungenauigkeiten sowohl
des Rollkolbens 10 als auch des Gehäuses, insbesondere aber auch Abweichungen von
der Kreisform,können durch das Kippen des Rollkolbens 10 ausgeglichen werden.
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Es ist somit eine besonders kostengünstige Herstellung möglich, da
aufwendige Nachbearbeitungen von Pumpenteilen vermieden werden können.
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Erwähnt sei noch, daß die vorerwähnten Pumpenteile, nämlich der Rollkolben
10 und das Pumpengehäuse 33, insbesondere dessen Ringkörper 34 auch aus Kunststoff
bestehen können, wobei diese Teile dann vorzugsweise in einem Spritzverfahren hergestellt
werden. Derartige Pumpen können dann insbesondere bei kleineren Bauformen, geringeren
BetriebstemperKituren und/oder Belastungen vorgesehen sein.
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Alle in der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten
Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein.