DE3018687C2

DE3018687C2 - Membran für Hochdruckförderpumpen, Kompressoren oder dgl.

Info

Publication number: DE3018687C2
Application number: DE3018687A
Authority: DE
Inventors: Fritz Ing.(grad.) 7990 Friedrichshafen Bachschmid; Wilfried Ing.(grad.) 7759 Immenstaad Goes
Original assignee: J Wagner GmbH
Current assignee: J Wagner GmbH
Priority date: 1980-05-16
Filing date: 1980-05-16
Publication date: 1986-10-30
Also published as: JPH0421072B2; US4785719A; IT8121669A0; DE3018687A1; IT1137015B; FR2482674A1; FR2482674B1; JPS578379A

Description

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umsetzbar sind, wobei k einen Faktor von 1,1 bis 5 darstellt.

4. Membran nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialstärke (Λ2) der Membran (21) an deren Obergang (b)von der Walkzone (24) in den Einspannbereich (22) etwa 0,5 bis 2 mm beträgt.

5. Membran nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 und angenommenem Durchmesser der Walkzone im Übergang in den Einspannbereich sowie vorgegebenem Verdrängervolumen, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (d\) der WalkzDne (24) im Übergang (a) in die Verdickung (27) aus dem Verlauf einer Kurve gewählt ist, die sich aus der trigonometrischen Funktion des Tangens des Auslenkwinkels (/) zu dem angenommenen Durchmesser (d\) ergibt.

6. Membran nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (di) der Walkzone (24) im Übergang (a) in die Verdickung (27) im Übergangsbereich der Kurve zwischen dem flachen und dem steilen Anstieg liegt.

7. Membran nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (21) auf der dem zu fördernden Medium zugekehrten Stirnseite (25) mit radial gerichteten Einschnitten (30) in Form von Nuten versehen ist.

8. Membran nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnitte (30) sich etwa bis auf einen der Verdickung (27) entsprechenden Durchmesser erstrecken.

9. Membran nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der dem zu fördernden Medium zugekehrten Stirnseite (25) der Membran (21) eine konzentrische, vorzugsweise dem Einlaßventil (9) in der Formgebung angepaßte Freisparung (31) vorgesehen ist

10. Membran nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser der Freisparung (31) derart bemessen ist, daß diese von der Verdickung (27) überdeckt ist

11. Membran nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdickung (27) im Querschnitt trapezförmig ausgebildet ist

IZ Membran nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdickung (27) auf der dem Antriebsmittel (Kolben 11) zugekehrten Stirnseite und/oder der Kegelmanteifläche mit radial gerichteten Einschnitisn (32) in Form von Nuten versehen ist

Die Erfindung bezieht sich auf eine Membran für Hochdruckförderpumpen, Kompressoren od. dgl., die einen äußeren Einspannbereich, eine sich an diesen anschließende nngfönaige Walkzone und einen mit einer Verdickung versehenen zentrischen Mittelbereich aufweist und die auf der dem zu fördernden Medium zugekehrten Stirnseite im Bereich des Arbeitsraumes als nahezu ebene Fläche ausgebildet ist

Derartige Membranen, bei denen zur Erhöhung der Festigkeit auf beiden Seiten eine Verdickung angeformt ist, sind bereits bekannt und werden mit Erfolg, insbesondere bei Pumpen, mittels denen abrasive Medien gefördert werden, verwendet um den Pumpenkolben von diesen zu trennen. Zum Antrieb der am äußer sn Rand zwischen zwei Bauteilen fest eingespannten Membran, die bei jedem Fördervorgacf in gehäuseartige Ausnehmungen aus einer hinteren in eine vordere Anlageposition und zurückbewegt werden und dabei die Null-Lage durchschwingen dient meist ein hydraulisches Gestänge, d. h. eine unter Druck stehende und durch einen Druckkolben bewegte Flüssigkeitssäule. Es ist aber auch möglich, die Membran mechanisch durch einen Stößel, mittels eines Schaftes oder unmittelbar durch einen Kolben anzutreiben.

Diese aus Kunststoff-Spritzgußteil hergestellte Membranen sind vor allem bei einem Einbau in Hochdruckförderpumpen starken Beanspruchungen ausgesetzt, so daß deren Lebensdauer verhältnismäßig gering ist. Insbesondere in der Walkzone, die im Betrieb durch das Schwingen nach beiden Seiten einen ständigen Lastwechsel unterworfen ist, treten mitunter schon nach kurzer Zeit Beschädigungen auf. Ein zeitaufwendiger Ausbau der Membran bzw. ein Austauschen der Pumpe und die damit verbundenen Betriebsunterbrechungen sind die zwangsläufige Folge.

Durch die US-PS 29 81 197 ist des weiteren eine Membran der vorgenannten Gattung für eine im Niederdruckbereich einzusetzende Förderpumpe bekannt. Die Walkzone ist bei dieser Membranausgestaltung jedoch nicht bestimmt, diese Membran walkt vielmehr bereits vom Mittelteil weg in dem noch gleichmäßigen dicken Bereich. Das Fördervolumen einer mit einer solchen Membran bestückten Pumpe ist somit beeinträchtigt und im Vergleich zu einer Pumpe, die mit einer Membran mit starrem Mittelteil versehen ist, geringer. Außerdem ist hierbei an der Verdickung kein sich achs-

senkrecht zu der Membran erstreckender Schaft als Führungsglied für eine Rückstellfeder angebracht.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Membran für Hochdruckforderpumpen, Kompressoren od. dgl. der vorgenannten Art zu schaffen, die auch bei hohen Beanspruchungen gegenüber den bisher verwendeten Membranen eine wesentlich höhere Lebensdauer aufweist, so daß über einen langen Zeitraum ein störungsfreier Betrieb einer mit einer solchen Membran bestückten Pumpe gewährleistet ist und die eine optimale Ausnutzung des Fördervolumens ermöglicht Außerdem soll erreicht werden, daß die Walkzone der Membran trotz großem Fördervolumen nur minimal gedehnt wird.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Verdickung auf der dem Antriebsmittel zugekehrten Stirnseite der Membran an dieser angeformt ist, daß die Walkzone eine zur Verdichtung hin sich stetig vergrößernde Querschnittsfläche aufweist und daß an der Verdickung ein sich senkrecht zu der Membran erstreckender Membranschaft vorgesehen ist.

Zur Bestimmung des Steigungswinkels der Walkzone ist es ansgebracht, an deren Übergang in die Verdickung ein Widerstandsmoment zu wählen, das etwa um den Faktor 1,1 bis 5 höher ist als das Widerstandsmoment am Übergang der Walkzone in den Einspannbereich, wobei die Verhältnisse der Widerstandsmomente in die Materialstärken der Walkzone am Übergang der Verdickung in die Walkzone und von dieser in den Einspannbereich nach der Formel

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umsetzbar sind; hierbei stellt k einen Faktor in der Grö-

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uc tun 1,1 Lila J uai. i-mc lviaici iaiaiai ivc Gci lviciuui au au deren Übergang von der Einspannzone in den Eirispannbereich sollte etwa 0,5 bis 2 mm betragen.

Bei angenommenem Durchmesser der Walkzone im Übergang in den Einspannbereich sowie vorgegebenem Verdrängervolumen ist dieser Durchmesser aus dem Verlauf einer Kurve wählbar, die sich aus der trigonometrischen Funktion des Tangens des Auslenkwinkels γ zu dem angenommenen Durchmesser ergibt Zweckmäßigerweise wird dieser Durchmesser im Übergangsbereich der Kurve zwischen dem flachen und dem steilen Anstieg gelegt Der Auslenkwinkel der Walkzone ist hierbei nach der Formel

s · 2

d₂ - di variabel

aus dem Hub der Membran und der Differenz der halben Durchmesser der Walkzone bestimmbar.

Die Membran kann ferner auf der dem zu fördernden Medium zugekehrten Stirnseite, um dessen Abfluß zu begünstigen, mit radial gerichteten Einschnitten in Form von Nuten versehen sein, wobei es angebracht ist, daß sich diese etwa bis auf einen der Verdickung entsprechenden Durchmesser erstrecken.

In der dem zu fördernden Medium zugekehrten Stirnseite der Membran kann des weiteren eine konzentrische, vorzugsweise dem Einlaßventil in der Formgebung angepaßte Freisparung vorgesehen werden, deren Außendurchmesse· derart zu bemessen ist, daß die Freisparung von der Verformung überdeckt wird.

Angebracht ist es ferner, die Verdickung im Querschnitt trapezförmig auszubilden und in diese auf der dem Antriebsmittel zugekehrten Stirnseite und/oder der Kegelmantelfläche mit radial gerichteten Einschnitten in Form von Nuten zum verbesserten Abfluß der Antriebsdruckflüssigkeit einzuarbeiten.
Wird eine Membran gemäß der Erfindung gestaltet indem die Verdickung einseitig auf der dem Antriebsmittel zugekehrten Stirnseite angeformt ist die Walkzone eine sich zur Verdickung hin stets vergrößernde Querschnittsfläche aufweist und an der Verdickung ein ίο Membranschaft vorgesehen ist, ist es möglich, die Lebensdauer der Membran gegenüber den bisher verwendeten Ausführungen in einem erheblichen Maße zu verlängern. Eine derartige Membran schwingt nämlich nicht mehr nach beiden Seiten aus, sondern nur nach der dem Antriebsmittel zugekehrten Seite bzw. diese kann unabhängig oder in Verbindungmit der ebenen Fläche entsprechend den gegebenen Belastungen dimensioniert werden. Auch ist kein überschüssiges Material zu verdrängen. Die Walkzone wird demnach nur minimd gedehnt, eine hohe Standzeit ist d' 3v.it gewährleistet

Des weiteren wird durch die vorscblagsgemäße Ausgestaltung insbesondere bei nur einseitiger Ausbiegung der Membran erreicht daß auf der Seite des zu fördernden Mediums keine das Förderverhalten beeinträchtigenden Toträume auftreten. Die Membran kann sich vielmehr völlig plan an dem zugeordneten Gehäuseteil anlegen, so daß Lufteinschlüsse im Fördergut nahezu ausgeschlossen sind. Es wird somit nicht nur die Lebensdauer einer mit einer derartigen Membran bestückten Pumpe verlängert, sondern auch deren Förderleistung wesentlich verbessert.

Die gemäß der Erfindung ausgebildete Membran ist in dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel nachfolgend im einzelnen erläutert. Hierbei zeigt
F i g. 1 eine mit einer Membran bestückte HochuruCivpünipe, ic«weise im odiniit

F i g. 2 die Membran nach F i g. 1 als Einzelteil, teilweise in Ansicht und einem Schnitt, in Runelage,

F i g. 3 die Membran nach F i g. 2 in Ansicht von unten,

F i g. 4 die Membran nach F i g. 2 in Draufsicht,

F i g. 5 die Membran nach F i g. 2 im Schnitt in ausgebogenem Zustand,

F i g. 6 einen vergrößerten Teilschritt der Walkzone der Membran nach F i g. 1 und

F i g. 7 eine trigonometrische Funktion.

Die Membranpumpe 1 nach F i g. 1 besteht im wesentlichen aus einer zwischen zwei mit Anlagescheiben 4 bzw. 5 versehenen Gehäuseteilen 2 und 3 eingespannten angetriebenen Membran 21, durch die ein Druckraum 6 von einem Arbeitsraum 7 getrennt ist Zum Antrieb der Membran 21 dient hierbei ein in einem Zylindei lü verschiebbar eingesetzter Kolben 11, der von einem nicht gezeigten Antriebsmittel, z. B. einem Exzenter, angetrieben wird. Über eine Flüssigkeitssäule, die sich in dem Druckraum 6 befindet, wirkt der Kolben 11 auf die Membran 21 ein. Zu diesem Zweck ist die Scheibe 4 mit Bohrungen 14 versehen, durch die somit der Raum 13 zwischen der Membran 21 und der Scheibe 4 mit dem Druckraum 6 verbunden ist Mittels eines Überdruckventils 15, das über eine Leitung 16 an den Druckraum 6 angeschlossen ist, können Druckspitzen abgebaut werden.

An der Membnn 21 ist ein mit einem Gewindeabschnitt 29 versehener Schaft 28 angeformt, auf den eine Mutter 17 aufgeschraubt ist. Und zwischen der Scheibe 4 und der Mutter 17 ist eine Druckfeder 18 eingesetzt, durch die die Membran 21 somit stets in die Ausganesla-

ge zurückgedrückt wird, in der diese an der Scheibe 4 anliegt. Bei einem Saughub wird über eine Saugleitung 8, die mit einem Einlaßventil 9 ausgestattet ist, das zu fördernde Medium in den Arbeitsraum 7 gesaugt und bei einem Druckhub bei geschlossenem Einlaßventil 9 in s eine Druckleitung 10 gefördert.

Die Membran 21 besteht, wie dies im einzelnen den F i g. 2 bis 6 zu entnehmen ist, aus einem Einspannbereich 22, der zwischen den Gehäuseteilen 2 und 3 bzw. den Scheiben 4 und 5 eingespannt wird, einem Arbeitsbereich 23 und einer zwischen diesen vorgesehenen Walkzone 24. Des weiteren ist die dem Arbeitsraum 7 zugekehrte Stirnseite 25 der Membran 21 als plane Fläche ausgebildet, an der dem Druckraum 6 zugekehrten Stirnseite 26 dagegen ist eine Verdickung 27 angeformt, die in den Membranschaft 28 übergeht.

In die plane Stirnseite 25 sind radial gerichtete Einschnitte 30 in Form von Nuten eingearbeitet, damit das zu fördernde Medium leicht abfließen kann. Des weiteren ist eine konzentrische Freisparung 31 zur Aufnahme des Einlaßventils 9 vorgesehen. Auch die andere Stirnseite 26 der Membran 21 ist mit radial gerichteten Einschnitten 32, um die Antriebsdruckflüssigkeit abzuführen, versehen, und zwar sind die Einschnitte in die Stirnfläche der im Querschnitt trapezförmig gestalteten Verdickung 27 und auch in deren Kegelmantelfläche eingearbeitet.

Die Walkzone 24 weist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine sich zur Verdickung 27 hin stetig vergrößernde Querschnittsfläche auf, wobei diese auf der Stirnseite 26 unter einem Steigungswinkel β ansteigt. Die Größe des Steigungswinkels/?wird aus den Widerstandsmomenten an den Übergängen a und feder Walkzone 24 in die Verdickung 27 bzw. den Einspannbereich 22 bestimmt Und das Widerstandsmoment am Übergang b wird unter Zugrundelegung der Höchstbelastung für einen angenommenen Winkelausschnitt α, durch den die Breite 62 für den äußeren Durchmesser cfe bestimmt ist und der auf Biegung beansprucht wird, errechnet. Da das Widerstandsmoment für den Übergang a um einen Faktor von 1,1 bis 5 höher sein sollte, als das Widerstandsmoment am Übergang b, ist dieses und damit der Steigungswinkel β ohne weiteres festzulegen.

Das Verhältnis der Widerstandsmomente wird analog umgesetzt in die Verhältnisse der Dicken Λΐ und Λ2 am Übergang a von der Verdickung 27 in die Walkzone 24 und am Übergang b von dieser in den Einspannbereich 22. Dieses Verhältnis ist gekennzeichnet durch die vorstehend angegebene Formel.

Der maximale Hub s der Membran 21 soll bis 5 mm betragen. Da sich der Durchmesser <h des Übergangs b aus dem gewünschten Fördervolumen ergibt und da der zulässige Hub bekannt ist, kann di, um die Pumpe 1 auszulegen, hinreichend genau gewählt werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Membran für Hochdruckförderpumpen, Kompressoren od. dgl-, die einen äußeren Einspannbereich, eine sich an diesen anschließende ringförmige Walkzone und einen mit einer Verdickung versehenen zentrischen Mittelbereich aufweist und die auf der dem zu fördernden Medium zugekehrten Stirnseite im Bereich des Arbeitsraumes als nahezu ebene Fläche ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdickung (27) auf der dem Antriebsmittel (Kolben 11) zugekehrten Stirnseite (26) der Membran (21) an dieser angeformt ist, daß die Walkzone (24) eine zur Verdickung (27) hin sich stetig vergrößernde Querschnittsfläche aufweist und daß an der Verdickung (27) ein sich senkrecht zu der Membran (21) erstreckender Membranschaf·; (28) vorgesehen, ist

2. Membran nach Anspruch J. dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Steigungswinkels (ß) der Walkzone (24) an deren Obergang (a) in die Verdickung (27) ein Widerstandsmoment gewählt ist, das etwa um den Faktor 1,1 bis 5 höher ist als das Widerstandsmoment am Übergang (b) der Walkzone (24) in den Einspannbereich (22).

3. Membran nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die Verhältnisse der Widerstandsmomente in die Materialstärken der Walkzone (24) am Obergang (x bzw. k) der Verdickung (27) in die Walkzone (24) und von dieser in den Einspannbereich (22) nach der Formel