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Membranp ump e
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Die Erfindung betrifft eine Membranpumpe, ausgebildet als hydraulisch
betätigte Verdrängungspumpe, insbesondere zum Pumpen eines dickflüssigen und abrasiven
oder mit Festkörpern beladenen sekundären fließfähigen Mediums, mit einem von dem
sekundären Medium durchströmten Pumpteil, welches als integraler Teil in eine Rohrleitung
für das zu pumpende sekundäre Medium einsetzbar ist und saug- und druckseitig mit
je einem Rückschlagventil versehen ist, und mit einem als gesonderte Einheit ausgebildeten
Leistungsteil, welches mit dem Pumpteil über eine ein primäres fließfähiges Arbeitsmedium
führende Verbindungsarmatur gekoppelt ist, wobei das primäre Arbeitsmedium eine
rohrförmig ausgebildete, aus elastomerem Material bestehende Membran, die die Form
eines zylindrischen Schlauchs aufweist, innerhalb beaufschlagt und diese durch einen
pulsierenden Druck betätigt, und sich das sekundäre Medium in einer die Membran
umgebenden Pumpenkammer befindet.
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Aus der US-PS 18 32 259 und der US-PS 20 92 629 sind Membranpumpen
der einleitend gelrennzeichneten Gattung bekannt, bei denen die Membranen, die die
Form eines zylindrischen Schlauches aufweisen, mit ihren bei der seitigen Enden
in im wesentlichen zylinderförmigen Gehäusen eingespannt sind. Aufgrund der besonderen
Geometrieverhältnisse zwischen Schlauchmembran
und zylinderförmigem
Gehäuse sind diese Membranpumpen nicht zur Förderung von Medien geeignet, die mit
mehr oder weniger großen körni-gen Festkörpern beladen sind, da diese, wenn sie
nicht ausweichen können, insbesondere in der relativ engen Pumpenkammer im Bereich
der Schlauchmembran-Einspannstelle in den Schlauchmantel getrieben werden.
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Insofern zeigt der aufgedeckte Stand der Technik, daß zwar die prinzipielle
Arbeitsweise der bekannten Membranpumpen derjenigen der Membranpumpe der einleitend
gekennzeichneten Gattung entspricht, daß aber die konstruktive Ausgestaltung der
bekannten Pumpen die Förderung dickflüssiger und abrasiver oder mit Festkörpern
beladener Flüssigkeiten nicht gestattet.
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Eine Schlauchpumpe für Dickstoffen, Beton oder Schüttgut, bei der
Arbeitsmedium und Fördergut durch einen elastischen Schlauch getrennt sind und sich
das flüssige oder gasförmige Arbeitsmedium in diesem Schlauch das Fördergut in dem
zwischen diesem Schlauch und dem ihn umgebenden Pumpengehäuse gebildeten ringförmigen
Raum befindet, ist in der OE-PS 288 870 beschrieben. Diese allerdings ventillose
Schlauchpumpe ist dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpengehäuse in ansich bekannter
Weise in mindestens drei hintereinander geschaltete Kammern unterteilt ist, in denen
über konzentrischen Innenkörpern elastische Schläuche angeordnet sind und daß die
Schläuche an ihren Enden dichtend auf den Innenkörpern befestigt sind und mit ihrem
mittleren Teil durch das über Kammeranschlüsse und durch Zuführungen in den Innenkörpern
zuströmende Arbeitsmedium gegen die Kammerwände gepreßt werden bzw. nach Entlastung
durch Kontraktion im Wege ihrer Elastizität wieder zum Anliegen gegen die Innenkörper
kommen. Bei dieser bekannten Schlauchpumpe übernimmt jede Schlauchmembran in Verbindung
mit der sie umgebenden zylindrischen Gehäusewand zeitweilig die Aufgabe der fehlenden
Rückschlagventile. Beim Einsatz einer derartigen Pumpe zur Förderung von Medien
mit groben Festkörpern besteht allerdings beim Anpressen der Schlauchmembran an
die sie umgebende zylindrische Gehäusewand die Gefahr, daß einzelne Festkörper'
wenn sie nicht ausweichen können, in den Schlauchmantel getrieben werden und diesen
bald zerstören.
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Eine Lösung der gestellten Förderaufgabe, sowohl im Hinblick auf das
zu fördernde Medium als auch unter dem Gesichtspunkt einer ausreichenden
Lebensdauer,
wird durch eine andere bekannte Membranpumpe erreicht, die dadurch gekennzeichnet
ist, daß anstelle einer rohrförmigen elastomeren Membran eine Flachmembran verwendet
wird. Bei den bekannten Standardbauarten gibt es kaum Probleme hinsichtlich der
Förderung von Medien, die mit Festkörpern beladen sind, noch zeigen sich Lebensdauerprobleme,
da die Flachmembranen ausschließlich ausgewölbt und damit auf Zug beansprucht werden.
In jüngster Zeit werden insbesondere auf dem Gebiet des UmaJeltschutzes Bedarfs-
und Anwendungsfälle für Membranpumpen erschlossen, wobei verlangt wird, daß die
Pumpen dickflüssige und abrasive oder mit Festkörpern beladene Medien fördern können.
Darüber hinaus wird jedoch die Forderung gestellt, daß die Membranpumpen einerseits
leistungsfähigen, andererseits jedoch kostengünstiger als die bisher gefertigten
Bauarten sein sollen. Die Forderung nach höherer Leistung bedingt durchweg bei den
bekannten Bauarten eine Vergrößerung der Abmessungen des Membran gehäuses. Membranpumpen
mit Flachmembranen lassen sich zwar ohne weiteres in ihrer Baugröße nach oben verändern.
Dies führt jedoch bei den in der Regel kurzen zylindrischen Pumpengehäusen mit großen
Durchmessern zu erheblichen Wandstärken, insbesondere im Bereich der kreisförmigen
Deckel flächen. Grauguß-Gehäuse mit einem Durchmesser von etwa 500 - 600 mm haben
beispielsweise Deckelwandstärken von 20 und mehr Millimetern. Mit diesen Gehäuseabmessungen
läßt sich aber die Forderung nach einer gleichermaßen leistungsfähigen wie kostengünstigen
Membranpumpe nicht mehr realisieren.
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Die Forderung des Marktes nach einer kostengünstigen Membranpumpe
mit hoher Förderleistung und hohem Förderdruck läßt sich prinzipiell - dies haben
grundsätzliche Überlegungen ergeben - mit Hilfe der Membranpumpen der einleitend
gekennzeichneten Gattung dann erfüllen, wenn es gelingt, diese Pumpenbauart konstruktiv
so auszubilden, daß dickflüssige und abrasive oder mit Festkörpern beladene Medien
gefördert werden können.
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Ergebnis der vorgenannten grundsätzlichen Überlegungen zum Pumpverhalten
war, daß bei etwa gleichen äußeren Pumpengehäuse-Abmessungen die Schlauchmembranpumpe
mit vom Arbeitsmedium von innen beaufschlagter Schlauchmembran etwa das doppelte
Hubvolumen liefert als die Membranpumpe mit Flachmembran, wobei als Randbedingung
angenommen wurde, daß die jeweils notwendigen Membranauslenlcungen beim Druclchub
etwa gleich groß sind. Die kinematische Umkehr der als besonders vorteilhaft erkannten
Pumpenbauart, die zu einer Pumpe führt, bei der die Schlauchmembran von außen über
das Arbeitsmedium zusammengedrückt wird, ist des halb nicht geeignet, weil zum einen
die heute verwendeten elastomeren
Werkstoffe stauchungsempfindlich
sind und zum anderen höchste Förderleistungen nur mit einem aufgeblähten, gedehnten
und nicht mit einem zusammengedrückten Schlauch realisiert werden können.
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Bei den Schlauchmembranpumpen kann das Arbeitsmedium entweder von
außen oder,wie bei der gattungsgemäß ausgebildeten Membranpumpe'von innen auf die
Schlauchmembran wirken. Die von außen mit ArbeitSmedium beaufschlagte Schlauchmembran
wird beim Druckhub gestaucht. Ihre Rückverformung in die ursprüngliche Form erfolgt
während des Saughubes und kann durch Absenkung des Druckes innerhalb der Arbeitsflüssigkeit
beschleunigt werden.
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Die von innen mit Arbeitsmedium beaufschlagte Schlauchmembran wird
beim Druckhub elastisch gedehnt; sie bildet sich während des Saughubes durch elastische
Kontraktion in ihre ursprüngliche Form zurück.
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Die beiden bekannten Schlauchmembranpumpen zeigen bei der bisher üblichen
Betriebsweise während des Saughubes im Hinblick auf die auftretenden Drücke ähnliches
Betriebsverhalten. Der Druck des primären Arbeitsmediums ist in der Regel kleiner
als jener des zu pumpenden sekundären Mediums. Im Falle eines Membrandefektes gelangt
daher während des Saughubes das zu pumpende sekundäre Medium, welches in der Regel
dickflüssig und abrasiv oder mit Festkörpern beladen ist, in den Leistungsteil der
Membranpumpe. Die Verunreinigung des primären Arbeitsmediums kann in kürzester Zeit
zur Zerstörung des Leistungsteils, das in der Regel als Kolbenpumpe ausgebildet
ist, führen und muß unter allen Umstånden verhindert werden. Man führt daher die
Schlauchmembran auch doppelwandig aus und versieht den Zwischenraum zwischen den
beiden Schlauchmembranen mit einem Leckage-Auslauf, der über geeignete Einrichtungen
überwacht wird. Diese Lösung ist konstruktiv sehr aufwendig und daher relativ teuer.
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Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, die Membranpumpe der einleitend
gekennzeichneten Gattung so auszubilden, daß höchstmögliche Hubvolumen bzw. Förderströme
und Förderdrücke bei niedrigstmöglichem Gewicht bzw. kleinstmöglichen Bauabmessungen
erreicht werden können. Dabei soll die Schlauchmembrandehnung zur Realisierung eines
vorgegebenen Hub volumens auf den niedrigstmöglichen Betrag reduziert werden. Die
Forderung nach Maximierung der Leistung bei Minimierung des Bauaufwandes soll sich
darüber hinaus auch auf sämtliche anderen peripheren Bauteile des Pumpenaggregats
im Hinblick auf eine Minimierung der Kosten erstrecken.
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Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäß
ausgebildete Schlauchmembranpumpe derart zu betreiben, daß in jeder Phase des Saughubes
der Membranpumpe der Druck des primären Arbeitsmediums stets größer ist als jender
des zu pumpenden sekundären Mediums, so daß bei einem Membran defekt eine Verschmutzung
des primären Arbeitsmediums durch das zu pumpende sekundäre Medium ausgeschlossen
ist.
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Außerdem soll die Erfindung sicherstellen, daß bei Membranbruch in
Verbindung mit Membranermüdung oder in Verbindung mit nicht erfindungsgemäßem Betrieb
der Schlauchmembranpumpe eine Verunreinigung des primären Arbeitsmediums angezeigt
wird. Weiterhin soll sichergestellt werden, daß der Verlust an primärem Arbeitsmedium
festgestellt und gemeldet wird.
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Der Zweck wird dadurch erfüllt, daß die Pumpenkammer von einem kugelförmigen
Gehäuse und der äußeren Mantelfläche der Schlauchmembran begrenzt ist, die mit ihren
beiden Enden im Gehäuse eingespannt ist.
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Durch die Ausbildung der Pumpenkammer gemäß der Erfindung ist es möglich,
das Gehäuse, das im Idealfall ein Ku gel gehäuse sein wird, als Blechkonstruktion
auszuführen. Bekanntlich erreicht man mit kugelförmigen Gehäusen höchtsmögliche
Stabilität bei geringstem Materialeinsatz. Darüber hinaus ermöglicht das Ku gel
gehäuse die Unterbringung einer Schlauchmembran mit möglichst großem Durchmesser,
was wiederum ein möglichst großes Hubvolumen ergibt Die beiderseitige Einspannung
der Schlauchmembran im Ku gel gehäuse erWeist sich darüber hinaus als vorteilhaft,
da das Kugelgehäuse dadurch über den Deckel geöffnet werden kann, ohne daß dabei
gleichzeitig die Schlauchmembran demontiert werden muß. Das Ku gel gehäuse stellt
darüber hinaus sicher, daß an der Stelle der größten Schlauchmembran-Auslenkung
die größte lichte Weite des Ku gel gehäuses vorhanden ist.
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Dadurch wird eine Anlage der Schlauchmembran an der Wandung des Kugelgehäuses
vermieden und gleichzeitig erreicht, daß sowohl der in diesem Bereich angeordnete
Saug- als auch der Druckstutzen frei zugänglich für das zu fördernde Medium bleiben.
Eine erhöhte Sicherheit gegen Membranbruch und damit Gefährdung des Leistungsteils
insbesondere abrasive Medien wird dadurch erreicht, daß zwei zylindrische Schlauchmembrane,
wobei die äußere die innere ohne Zwischenraum konzentrisch umhüllt, vorgesehen sind.
Die Anordnung von zwei einander umhüllende Schlauchmembrane, die allerdings in im
wesentlichen zylinderförmigen Gehäusen angeordnet sind, sind aus den vorgenannten
US-Patentschriften bekannt.
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Weiter oben bereits erwähnte grundsätzliche Überlegungen hatten zum
Ergebnis, daß bei etwa gleichen äußeren Pumpengehäuse-Abmessungen die Schlauchmembranpumpe
etwa das doppelte Hubvolumen liefert als die vergleichbare Membranpumpe mit Flachmembran.
Diesem ausgezeichneten Verhalten im Hinblick auf das Hubvolumen steht allerdings
eine wesentlich größere maximale Flächendehnung des Schlauchmembran-Werkstoffes
gegenüber. So wird beispielsweise eine das doppelte Hubvolumen gegenüber der Flachmembran
liefernde Schlauchmembran im Bereich ihrer maximalen Dehnung flächenmäßig etwa dreimal
so stark gedehnt, wie die Flachmembran an ihrer entsprechenden höchstbeanspruchten
Stelle. Die Flächendehnung der vorgenannten Schlauchmembran ist noch etwa doppelt
so groß wie die entsprechende Flächendehnung der Flachmembran, wenn die Auslenkung
der Schlauchmembran soweit reduziert wird, daß ihr Hubvolumen halbiert, d.h.
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dem Hub volumen der unverändert ausgelenkten Flachmembran angepaßt
wird.
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Diese gravierenden Unterschiede sind rechnerisch leicht nachweisbar.
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Wie man ohne weiteres ermitteln kann, ist die Umfangsdehnung der Schlauchmembran
direkt proportional deren radialer Auslenkung, wogegen die entsprechende Auswölbung
der Flachmembran mathematisch gesehen wesentlich schwächer in die Beziehung für
die einachsige Dehnung der ausgewölbten Flachmembran eingeht. Für die Beurteilung
der vom Membran-Werkstoff ertragbaren Dehnungen ist nun, wie die Literatur aufweist,
nicht die auftretende Flächendehnung, sondern die aus ihr ableitbare äquivalente
Längsdehnung maßgebend. Diese äquivalente Längsdehnung ist in erster Näherung etwa
doppelt so groß wie die tatsächlich auftretende Flächendehnung und wird bei der
Dimensionierung der Membran als Bemessungskriterium herangezogen. Zwar verfügen
die heutigen Membran-Werkstoffe, die sogenannten Elastomere-Vulkanisate, über beträchtliche
Bruchdehnungswerte, jedoch können diese Werte bei der Bemessung der Membran nicht
ausgeschöpft werden. Vielmehr sind im praktischen Einsatz Längsdehnungen über 25
% möglichst nicht vorzusehen, da mit zunehmender Dehnung die Gefahr einer bleibenden
Verformung nicht ausgeschlossen werden kann. Dieser Wert wird jedoch von Flachmembranen
in der Regel fast erreicht und von Schlauchmembranen bei Pumpen gemäß der Erfindung
nahezu in jedem vergleichbaren Anwendungsfall beträchtlich überschritten. Die Membran-Werkstoff-Hersteller
sind zwar heute noch nicht in der Lage, quantitative Angaben über die bleibende
Dehnung der infrage kommenden Werkstoffe bei den vorgenannten erheblichen Längsdehnungen
zu machen, doch zeigt die Erfahrung, daB die auftretenden bleibenden Dehnungen nicht
vernachlässigbar sind. Diese Erscheinung hat beispielsweise zur Folge,
daß
nach einer bestimmten Lastwechselzahl die bleibend gedehnte Schlauchmembran im Anschluß
an den Druckhub nicht mehr allseitig auf dem Stützrohr durch elastische Kontraktion
zur Anlage kommt, sondern lebensdauerverkürzend gestaucht und unter Falten- und
ICnitterbildung während des Saughubes auf das Stützrohr gepreßt wird.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Membranpumpe gemäß der Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schlauchmembrane bzw. die -membranen ein kreisförmig
ausgebildetes Stützrohr umschließt bzw. umschließen. Aus dieser Anordnung ergeben
sich relativ einfache und überschaubare Einspannbedingungen für die Schlauchmembrane.
Außerdem wird dadurch am Ende des Saughubes eine annähernd faltenfreie Auflage der
Schlauchmembrane auf dem Stützrohr erreicht.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Membranpumpe gemäß der Erfindung
erlaubt es nun, ein notwendiges Hubvolumen, welches bisher die Schlauchmembran nach
einer bestimmten Lastwechselzahl bleibend dehnte, mit einer erheblich verhinderten
Dehnung zu realisieren.
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Dies wird dadurch erreicht, daß die Pumpwirkung der Schlauchmembran
bzw.
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der Schlauchmembranen durch deren Formänderung und Formveränderung
auf einem modulierten, von der Kreisform abweichenden Stützrohr zustande kommt.
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Dabei weist das modulierte Stützrohr in jedem achssenkrechten Querschnitt
mehrere, vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang verteilte, von den Stützrohrenden
zur längsmitte hin sich zunehmend in Relation zum dehnungsneutralen Formveränderungsvermögen
der Schlauchmembrane vertiefende, stetig geformte Einbuchtungen auf, die so ausgebildet
sind, daß die Länge der Utnfangkontur des modulierten Stützrohres an jeder betrachteten
Stelle genauso groß ist, wie die UmEangslänge des ursprünglich kreisförmigen, nicht
modulierten Stützrohres. Das Pumpvolumen eines Schlauchelementes von bestimmter
Länge setzt sich demnach aus zwei Anteilen zusammen, einem Anteil aus der Formänderung
und einem weiteren Anteil aus der Formveränderung der Schlauchmembran auf dem Stützrohr.
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Unter Formänderung ist die gleichmäßig radial gerichtete konzentrische
Dehnung der Schlauchmembran um das Stützrohr herum zu verstehen. Der Mechanismus
der Pumpwirkung allein durch Formanderung der Schlauchmembran ist aus der US-PS
30 62 153 bekannt. Der Mechanismus der Formveränderung bezeichnet eine längsdehnungsneutrale
Deformation der Schlauchmembran gegenüber der kreisförmigen Ursprungslage im drucklosen
System. Die
Schlauchmembran klappt, ohne ihre Umfangslänge an der
entsprechenden Stelle zu ändern, in den Innenbereich des Stützrohres. Zu diesem
Zweck muß das Stützrohr über vorzugsweise gleichmäßig an seinem Umfang verteilte
Einbuchtungen verfügen. Da dadurch zu Beginn des Druckhubes die Ausgangslage der
Schlauchmembran weiter radial nach innen verlegt ist, braucht letztere zur Realisierung
eines vorgegebenen Hubvolumens nicht mehr in dem Maße gedehnt zu werden, wie dies
ohne das Einklappen der Fall ist. Bei der Benutzung des längsdehnungsneutralen "Klappeffektes"
der Schlauchmembran zur Volumenlieferung sind zwei Fälle zu unterscheiden.
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1. Die Schlauchmembran wird ohne Spiel auf dem modulierten Stützrohr
montiert. In dem Maß, wie im Laufe ihrer Lebenszeit die bleibend gedehnte Schlauchmembran
ihre Umfangslänge vergrößert, kann sie durch Einklappen in die Einbuchtungen des
Stützrohres von der Volumenlieferung durch längsdehnungsneutralen Klappeffekt profitieren.
Die maximale Dehnung der Schlauchmembran wird in dem Maß reduziert, wie die bleibende
Dehnung wächst und die Einbuchtung des Stützrohres zunehmend ausgenutzt wird.
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2. Die Schlauchmembrane wird bei der Montage mit ausreichendem Spiel
auf das modulierte Stützrohr aufgezogen. Bereits mit dem ersten Hub wirkt dieses
radiale Spiel faktisch wie eine bleibende Schlauchmembrandehnung und kann durch
längsdehnungsneutralen Klappeffekt innerhalb der Einbuchtung des Stützrohres zur
Volumenlieferung beitragen. Von Förderbeginn an wird die Schlauchmembran weniger
stark gedehnt, was sich in jedem Fall lebensdauerverlängernd auswirkt.
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Selbstverständlich kann der längsdehnungsneutrale Klappeffekt der
Schlauchmembran auch zur Leistungssteigerung des Pumpenaggregates beitragen, wenn
der Aspekt der Lebensdauer im Rahmen einer bestimmten Pumpaufgabe eine untergeordnete
Rolle spielt.
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Es soll in diesem Zusammenhang erwähnt werden, daß die Herstellung
des modulierten Stützrohres ohne weiteres durch Umformen realisiert werden kann.
Erfindungsgemäß ist die Länge der Umfangskontur des modulierten Stützrohres an jeder
betrachteten Stelle genauso groß wie die Umfangslänge des ursprünglich kreisförmigen
nicht modulierten Stützrohres. Der
Umformvorgang vom kreisförmigen
Stützrohr zum modulierten Stützrohr erfolgt daher ohne Faltenbildung und Verwerfungen
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Membranpumpe gemäß der Erfindung
ist die Umfangslänge des modulierten Stützrohres in jedem achssenkrechten Querschnitt
gleich oder größer als die infrage kommende Umfangslänge der das Stützrohr unmittelbar
umhüllenden Schlauchmembran, und zwar zu jedem Zeitpunkt.
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Durch diese Abstimmung der Um fan gslän gen zwischen Schlauchmembran
und Umfangskontur des modulierten Stützrohres ist zu jedem Zeitpunkt der Membranlebensdauer
sichergestellt, daß ein lebensdauerverkürzendes Stauchen der Schlauchmembran während
der Saugphase vermieden wird. Dies bedeutet für die neue, noch nicht in Betrieb
gegangene Membranpumpe, daß die Schlauchmembran mit Spiel auf das modulierte Stützrohr
aufgezogen wird und daß in der Anfangsphase der Betriebszeit ein Iängsdehnungsneutrales
Ausfüllen der Einbuchtungen des Stützrohres noch nicht vollständig erfolgt.
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Mach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Membranpumpe
gemäß der Erfindung setzt sich die Außenkontur des modulierten Stützrohres in jedem
achssenkrechten Ouerschnitt aus jeweils gleichgroßen, bezogen auf die Stützrohrachse
abwechselnd konvexen bzw. konkaven, an der Übergangsstelle über jeweils eine gemeinsame
Tangente verfügende Kreisbogen mit einem Durchmesser d zusammen.
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Diese Ausführungsform des modulierten Stützrohres ist zum einen noch
relativ einfach herzustellen, zum anderen ist dadurch eine homogene Verformung der
Schlauchmembran über den gesamten Stützrohrumfang sichergestellt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Membranpumpe gemäß der
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die innere und äußere Schlauchmembrane
an ihrem hinteren Ende gemeinsam und die innere Schlauchmembran an ihrem vorderen
Ende kraft- und formschlüssig zwischen einem hinteren Aufnahmering bzw. einem Deckel
außenseits und jeweils einem geteilten oder radial dehnfähigen Zwischenring innenseits
eingespannt sind, wobei jeweils ein axial zur Kugelgehäusemitte verschiebbarer konischer
Spannring in jeweils einem Zwischenring angeordnet ist.
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Diese Ausführungsform ermöglicht ein relativ kurzes Spannen der Schlauchmembrane
in ihren Enden, so daß von der installierten Schlauchmembranlänge relativ wenig
für das Einspannen verloren geht. Die radiale Aufweitung der Zwischenringe durch
konische Spannringe, die gegensinnig axial zur Kugelgehäusemitte verschoben werden,
ist ebenso einfach wie wirkungsvoll.
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Um die Einspannzone der Schlauchmembrane von ihrer Biegezone räumlich
zu trennen, damit lebensdauerverkürzende mehrachsige Spannungszustände weitgehend
vermieden werden, sind nach einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Membranpumpe
gemäß der Erfindung ein Stützring und der Zwischenring in einem axialen Abstand
voneinander angeordnet, der um ein mehrfaches größer als die Wanddicke der Schlauchmembrane
ist.
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Die axiale Verschiebung der konischen Spannringe erfolgt nach einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Membranpumpe gemäß der Erfindung ausschließlich
durch auf Zug beanspruchte Zuganker, wobei deren Verstellbewegung von außerhalb
der Pumpe bei jedem Betriebszustand vorgenommen werden kann. Dies ermöglicht beispielsweise
ein Nachspannen der Schlauchmembrane während des Pumpbetriebes.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Membranpumpe gemäß der
Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß eine Deckelzunge die Enden der Schlauchmembrane
aufspaltet und eine am äußersten Ende der Deckelzunge ausmündende Leckagebohrung
einen dreieckförmigen Ringspalt zwischen innerer und äußerer Schlauchmembrane mit
einer Einschrauböffnung verbindet.
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Diese sogenannte Leckkontroll-Einrichtung ermöglicht es, einen Membranbruch
rechtzeitig festzustellen und für ein Stillsetzen der Pumpe bzw.
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Ersatz der defekten Schlauchmembran zu sorgen.
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Eine andere vorteilhafte Ausführungsform gemäß der Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, daß vier kugelförmige Gehäuse, in denen jeweils eine Schlauchmembran
oder zwei einander umhüllende Schlauchmembrane mit ihren beiderseitigen Enden eingespannt
ist bzw. sind, ein Pumpenaggregat bilden, wobei die Gehäuse bezogen auf die Achse
der Schlauchmembrane nahezu sternförmig in einer waagrechten Ebene angeordnet sind
und von jeweils zwei von jeweils einem der beiden doppeltwirkenden Leistungsteile
abwechselnd
mit primärem Arbeitsmedium beaufschlagt werden.
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Diese Lösung faßt vier mit zylindrischen Schlauchmembranen ausgestattete
Ku gel gehäuse zu einem gleichermaßen leistungsfähigen wie kompakten Pumpenaggregat
zusammen, wobei durch die sternförmige Anordnung der einzelnen Ku gel gehäuse in
einer Ebene äußerst kurze verbindungswege von den Ku gel gehäusen zu den beiden
Leistungsteilen erreicht werden. Das gleiche gilt für den Verbindungsweg zwischen
der Verbindungsarmatur und dem Verlust- und Nachholventil, das innerhalb des Vorratsbehälters
für Arbeitsflüssigkeit angeordnet ist. Durch die vorgeschlagene Lösung ist es weiterhin
möglich geworden, den Vorratsbehälter für Arbeitsflüssigkeit relativ klein zu halten
und unmittelbar auf die Verbindungsarmatur aufzusetzen.
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Durch eine andere Weiterbildung gemäß der Erfindung wird eine Vereinfachung
und Verbilligung der gesamten Sicherheitseinrichtung erreicht, ohne daß dadurch
sicherheitstechnische Zugeständnisse gemacht werden müssen. Diese vorteilhafte Weiterbildung
zeichnet sich dadurch aus, daß jede von vier Verbindungsarmaturen über eine separate
Sicherheitsleitung, die in jeweils ein federbelastetes Rückschlagventil mündet,
mit einem Sammelraum, der von einer Sammelglocke und einem Boden eines Vorratsbehälters
gebildet wird, verbunden ist, und daß der Sammelraum mit einem einzigen Sicherheitsventil
ausgerüstet ist.
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Bei bekannten mehrzylindrigen Pumpenaggregaten ist es üblich, jedes
einzelne Pumpengehäuse mit einem eigenen Sicherheitsventil zu versehen. Die Reduzierung
auf ein einziges Sicherheitsventil ergibt zum einen eine beträchtliche Kosten ersparnis
und senkt zum anderen darüber hinaus den bei Sicherheitsventilen notwendigen Wartungsaufwand.
Die vorgeschlagene Lösung wird insbesondere auch dadurch erreicht, daß durch die
sternförmige Anordnung der Pumpengehäuse die einzelnen Verbindungsarmaturen auf
engstem Raum angeordnet sind, so daß die einzelnen Sicherheitsleitungen relativ
kurz gehalten und in einer Sammelglocke zusammen qe führt werden können.
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Es werden durch die vorgeschlagene Lösung zwar vier Rückschlagventile
notwendig, jedoch ist der Wartungs- und Pflegeaufwand für vier Rückschlagventile
wesentlich geringer als für die drei eingesparten Sicherheitsventile.
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Die der Erfindung weiterhin zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine
gattungsgemäß ausgebildete Schlauchmembranpumpe derart zu betreiben, daß in jeder
Phase des Saughubes der Membranpumpe der Druck des primären Arbeitsmedium
stets
größer ist als jener des zu pumpenden sekundären Mediums, so daß bei einem Membrandeffekt
eine Verschmutzung des primären Arbeitsmediums durch das zu pumpende sekundäre Medium
ausgeschlossen ist, wird dadurch gelöst, daß in jeder Phase des Saughubes der Membranpumpe
die zeitliche Volumenverminderung des Arbeitsmediums innerhalb der Schlauchmembran
derart über den Leistungsteil verändert wird, daß diese Volumenverminderung ohne
zeitlichen Verzug durch Rückverformung der elastisch gedehnten Schlauchmembran,
die eine gleichsinnige Volumenverminderung des von ihr umschlossenen Arbeitsmediums
durch eigengesetzliche Kontraktionsgeschwindigkeit bewirkt, unter Ausübung von Druck
auf das Arbeitsmedium nachvollzogen werden kann, so daß der Druck des primären Arbeitsmediums
stets größer ist als jener des zu pumpenden sekundären Mediums.
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Die dritte einleitend formulierte Teilaufgabe wird durch das Kennzeichen
der Unteransprüche 16 - 18 gelöst.
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Durch den erfindungsgemäßen Betrieb der gattungsgemäß ausgebildeten
Schlauchmembranpumpe wird in jeder Phase des Saughubes erreicht, daß sich die in
ihre ursprüngliche Form zurückbildende Schlauchmembran quasi unter Ausübung von
Druck auf dem primären Arbeitsmedium abstützt.
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Dadurch ist es, wie später noch im einzelnen gezeigt wird, nach den
Gesetzen der Mechanik möglich, daß sich die Schlauchmembran unter Verdrångung von
primärem Arbeitsmedium zusammenzieht, obwohl der Druck des primären Arbeitsmediums
innerhalb der Schlauchmembran größer ist als jener in der die Schlauchmembran umgebenden
Pumpenkammer.
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Eine vorteilhafte Verfahrensvariante zeichnet sich dadurch aus, daß
der maximale Förderstrom einer Membranpumpe über die Wahl des Elastizitätsmoduls
des Schlauchmembran-Werkstoffes und über die auf die Kontraktionsgeschwindigkeit
der Schlauchmembran abgestimmte Pumpfrequenz des Leistungsteils in Grenzen veränderbar
ist. Da in der Regel bei einer gegebenen Membranpumpe der Förderstrom nur über die
Fördermenge des Leistungsteils oder dessen Pumpfrequenz veränderbar ist, können
bei Erhöhung des Förderstromes durch Steigerung der Pumpfrequenz des Leistungsteils
die erwünschten Druckverhältnisse an der Schlauchmembran während des Saughubes durch
entsprecliende Wahl des Elastizitätsmoduls des Schlauchmembran-Werkstoffes sichergestellt
werden.
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Eine Ausführungsform eines kompletten Ku gel gehäuses gemäß der Erfindung
und
eine Membranpumpe mit vier Kugelgehäusen gemäß der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden nach Aufbau und Wirkungsweise im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen Fig. 1 einen Mittelschnitt durch das Ku gel gehäuse, Fig.
2a einen schematisierten Querschnitt durch das Stützrohr an der in Fig. 3 gekennzeichneten
Schnittstelle C-D, Fig. 2b einen schomatinlerton Quer@@hnitt durch das modulierte
Stützrohr an der in Fig. 3 gekennzeichneten Schnittstelle C-D, Fig. 3 einen Längsschnitt
durch das modulierte Stützrohr an der in der Fig. 2b gekennzeichneten Schnittstelle
E-F, Fig. 4 einen Mittelschnitt durch das Kugelgehäuse im Bereich der Linken Kinspannslelle
der Schlauchmembrane, Fig. 4a einen Mittelschnitt durch das Ku gel gehäuse im Bereich
der rechten Einspannstelle der Schlauchmembrane, Fig 5 einen Mittelschnitt durch
das Kugelgehäuse im Rereich der Vorrichtung zur Erzeugung der Einspannkräfte für
die Schlauchmembrane, Fig. 6 eine Übersichtsskizze eines Pumpenaggregates gemäß
der Erfindung mit vier Ku@elgehäusen und zwei doppliwirkenden Leistungsteilen und
Fig. 7 einen Mittelschnitt durch die Verteilerarmatur mit den angrenzenden Bauteilen.
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Das mit der Membranpumpe erfindungsgemäß durchführbare Verfahren soll
anhand der Fig. 8 - 10 der Zeichnung erläutert werden.
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Es zeigen
Fig. 8 einen schematischen Mittelschnitt
durch eine gattungsgemäß ausgebildete Schlauchmembranpumpe während des Saughubes
zwecks Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig. 9 die schematisierte und
vergrößerte Darstellung (Einzelheit X aus Fig. 8) eines infinitesimalen Schlauchmembran-Elementes
während des Saughubes zur Erläuterung der an diesem Element angreifenden Kräfte
und Fig. 10 die Drücke innerhalb und außerhalb der Schlauchmembran im Verhältnis
zum Umgebungsdruck der Pumpe.
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Das in der Fig. 1 dargestellte Ku gel gehäuse 1 ist als Schweißkonstruktion
ausgeführt. Es ist in einer Ebene geteilt, die senkrecht auf der Zeichenebene steht
und durch die Symmetrieachsen von Saug- und Druckstutzen S, D verläuft. Saug- und
Druckstutzen S, D werden von Vorschweißflanschen la gebildet, die an einer Aushalsung
des Kugelgehäuses 1 unmittelbar angeschweißt sind. Die in der Zeichnung links dargestellte
Kugelhälfte ist mit einer kreisförmigen Öffnung versehen, die von einem ringförmigen
Gehäuseflansch 1f berandet wird und der mehrere über den Umfang verteilte gehäuseseitige
Verbindungsmittel 12 aufnimmt. Auf dem Gehäuseflansch 1f ist der Deckel 2 zentriert
und über die deckelseitigen Verbindungsmittel 13 in Verbindung mit den gehäuseseitigen
Verbindungsmitteln 12 befestigt. Die in der Zeichnung rechts dargestellte Kugelhälfte
hat ebenfalls eine kreisrunde Öffnung, in der der scheibenförmige Anschlußflansch
Ib mit seiner zentrischen Durchlaßöffnung 1c eingeschweißt ist. Die Symmetrielinien
vom Deckel 2 und dem Anschlußflansch 1b fallen mit der waagrechten Symmetrielinie
des Ku gel gehäuses 1 zusammen. Im Innern des Ku gel gehäuses 1 befinden sich die
einander konzentrisch umhüllenden innere und äußere Schlauchmembrane 3, 4, wobei
im Innern der inneren Schlauchmembran 3 ein Stützrohr 5 mit kreisförmigem Querschnitt
angeordnet ist. Letzteres ist mit einer Vielzahl von vorzugsweise zylindrischen
Durchbrüchen 5a versehen, deren Gesamtguerschnitt gleich oder größer ist als der
lichte Querschnitt der Durchlaßöffnung 1c. Anstelle des in der Zeichnung dargestellten
Stützrohres 5 läßt sich auch ein unter den Figuren 2a bis 3 näher beschriebenes
moduliertes Stützrohr 5' anordnen. Die Pumpenkammer P, die das zu fördernde Medium
aufnimmt und von diesem durchströmt wird, wird von der Innenfläche des Ku gel gehäuses
1 und der äußeren Mantelfläche der Schlauchmembran 4 begrenzt. Die rechte Kugelgehäusehälfte
nimmt in ihrem Innern den hinteren Aufnahmenring le auf, in dem die rechtsseitigen
Enden der
Schlauchmembrän 3, a eingespannt sind. Das linksseitige
Ende der äußeren Schlauchmembran b ist zwischen dem Deckel 2 und dem Gehäuseflansch
If eingespannt, wogegen das linksseitige Ende der inneren Schlauchmembran 3 mit
einer unter Fig. 4 noch näher erläuterten Spanneinrichtung im Deckel 2 befestigt
ist. Über symmetrisch zur waagrechten Symmetrieachse des Kugelgehäuses 1 angeordnete
Stützringe Ig, die sich in einem bestimmten Abstand von der Einspannstelle der Schlauchmembrane
befinden, wird der Aus wölbungsbereich letzterer begrenzt. Weitere konstruktive
Einzelheiten werden anhand der angeführten Detailzeichnungen 4, 4a und 5 näher erläutern
Durch den pulsierenden Druck des über die Durchlaßöffnung 1c in das Stützrohr 5
eintretendenprimärenArbeitsmediumswerden die Schlauchmembrane 3, 4 im Bereich zwischen
den Stützringen 1g in Richtung der Kugelgehäusewandung elastisch aus gewölbt. Die
Auswölbung liegt symmetrisch zwischen den Stützringen Ag und hat ihre größte Auslenkung
in der Mitte. In dem Maße, wie in dem primären Arbeitsmedium der Druck abgesenkt
wird, kontraktieren die Schlauchmembrane 3, 4 aufgrund ihrer Eigenelastizität und
legen sich schließlich wieder auf das Stützrohr 5.
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Auf diese Weise wird das Pumpenkammervolumen abwechselnd verkleinert
und vergrößert, so daß das zu fördernde Medium einerseits über den Saugstutzen S
angesaugt und andererseits über den Druckstutzen D verdrängt werden kann. Das Stützrohr
5 ist über eine Vielzahl von vorzugsweise zylindrischen Durchbrüchen 5a perforiert
und setzt dem primären Arbeitsmedium keinen wesentlichen Druckverlust entgegen.
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Mit Fig. 2a ist die oberhalb der waagrechten strichpunktierten Linie
angeordnete Schemaskizze gekennzeichnet. Von dem schematisch dargestellten Querschnitt
des Stützrohres 5 ist lediglich ein Viertelkreisausschnitt dargestellt. Auf dem
Stützrohr 5 mit seiner Umfangslänge (L) sind die Schlauchmembrane 3, 4 aufgebracht.
Es soll zunächst vorausgesetzt werden, daß sich die Schlauchmembrane 3, 4 bei einer
neuen Pumpe ohne Spiel auf dem Stützrohr 5 befinden. Nach einer bestimmten Lastwechsel
zahl werden die Schlauchmembrane 3, o aufgrund der weiter oben beschriebenen Vorgänge
eine bleibende Umfangsdehnung 6 erfahren, die zu einer Umfangslänge ( 1 +).L führt.
Dieser Betriebszustand ist in Fig. 2a dargestellt. Zur Realisierung eines bestimmten
Hubvolumens b V (A) ist eine bestimmte maximale Auslenkung c der Schlauchmembrane
3, 4 wie dargestellt erforderlich. Das schraffiert dargestellte Hubvolumen
tV
(A) wird allerdings nur dann realisierbar sein, wenn beim Saughub die Schlauchmembrane
3, 4 gestaucht werden, damit sie auf dem Stützrohr 5 mit einem Durchmesser D zur
Anlage kommen. Da es aus Gründen der einfacheren Montage geboten erscheint, die
Schlauchmembrane 3, 4 von vornherein mit etwas Spiel auf das Stützrohr 5 aufzuziehen,
sind die beschriebenen Nachteile selbst bei einer neuen Pumpe von Anfang an in Kauf
zu nehmen. Die in Fig. 2a als Pumpvariante A dargestellte Volumenlieferung erfolgt
ausschließlich durch Formänderung, d.h. durch kreisförmiges, konzentrisches Aufblähen
der elastischen Schlauchmembrane um das kreisförmige Stützrohr herum.
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In Fig. 2b ist eine Pumpvariante B dargestellt, bei der die Volumenlieferung
der Schlauchmembrane 3, 4 auf zwei Pumpmechanismen beruht. Der eine Pumpmechanismus
wurde bereits unter Pumpvariante A beschrieben und ergibt sich aus der Formänderung
der Schlauchmembrane 3, 4 infolge Aufblähung derselben um das Stützrohr herum. Dabei
erreichen die Schlauchmembrane 3, 4 allerdings nur eine maximale Auslenkung, die
durch die Endlage b gekennzeichnet ist. Die Lage a bezeichnet beispielhaft, ebenso
wie in Fig. 2a, die spannungsfreie Einbaulage der Schlauchmembrane 3, 4 innerhalb
einer neuen Pumpe. Wird nun das Stützrohr 5, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen,
beispielsweise durch kreisbogenförmige Einbuchtungen moduliert (Stützrohr-Umfangskontur
5'), dann werden sich die Schlauchmembrane 3, 4 beim Saughub des primären Arbeitsmediums
durch radiales Einklappen der modulierten Stützrohr-Umfangskontur 5' anpassen. Dieses
Einklappen erfolgt beispielsweise längsdehnungsneutral, wenn dafür gesorgt wird,
daß die umfangslänge der spannungsfreien Einbaulage a bzw. die UmEangslänge der
bleibend gedehnten Schlauchmembran (1 +e)L durch eine längengleiche Umfangskontur
des modulierten Stützrohres 5' aufgenommen werden kann. Die in Fig. 2b entgegengesetzt
schraffierten Bereiche repräsentieren etwa gleiche Volumenanteile t27(B). Dies zeigt
andererseits, daß bei den gewählten Abmessungsverhältnissen durch den soeben beschriebenen
längsdehnungsneutralen "Klappeffekt" ein beachtlicher Anteil an der Volumenlieferung
erbracht werden kann. Der an zweiter Stelle beschriebene Pumpmechanismus kommt durch
Formveränderung der Schlauchmembrane 3, 4 zustande.
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Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß durch Ausnutzung des
längsdehnungsneutralen Klappeffektes zur Volumenlieferung die Schlauchmembrane 3,
4 von Anfang an weniger stark gedehnt werden (max. Auslenkung b). Werden die Schlauchmembrane
3, 4 ohne Spiel auf das modulierte Stützrohr 5r aufgezogen, dann erfolgt allerdings
das Einklappen derselben in die vorzugsweise
kreisförmigen Ausbuchtungen
des Stützrohres 5' nicht längsdehnungsneutral. Mit zunehmender bleibender Dehnung8
klappen die Schlauchmembrane 3, 4 spannungsfrei in das Stützrohr 5' ein. Es sind
noch weitere Variationsmöglichkeiten denkbar, die allerdings nicht näher beschrieben
werden sollen. So ist es beispielsweise denkbar, daß die Umfangslänge einer noch
nicht bleibend gedehnten Schlauchmembrane3, 4 kleiner ist als die Umfangskontur
des modulierten Stützrohres 5' und daß am Anfang der Betriebszeit der Membranpumpe
auf ein vollständiges Einklappen der Schlauchmembrane in das modulierte Stützrohr
5' verzichtet wird. Dies kann beispielsweise durch entsprechende Regulierung des
Unterdruckes beim Saughub erreicht werden. Erst mit zunehmender Alterung und der
damit einhergehenden bleibenden Dehnung6 der Schlauchmembrane 3, 4 wird das Einklappen
zunehmend in Anspruch genommen, so daß bei vorgegebener konstanter Förderleistung
die älter werdenden Schlauchmembrane 3, 4 weniger stark gedehnt werden müssen. Dies
kann zu einer Verlängerung ihrer Lebensdauer führen.
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Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch das modulierte Stützrohr 5'
an der in Fig. 2b gekennzeichneten Schnittstelle E-F. Das Hubvolumen eines Schlauchelementes
X l für die Pumpvariante A ist zwischen den Membranlagen a und c dargestellt. Die
Membranlage a kennzeichnet die spannungsfreie Einbaulage und die Membranlage c kennzeichnet
die maximale Auslenkung der Schlauchmembrane 3, 4 infolge Formänderung. Ein gleichgroßes
Hubvolumen e9V(B) des gleichen Schlauchelementes dl kommt zustande, wenn die Volumenlieferung
durch Formänderung und Formveränderung der Schlauchmembrane 3, 4 betrieben wird.
Dabei bewegen sich die Schlauchmembrane 3, 4 zwischen dem modulierten Stützrohr
5' und der Membranlage b, die zwischen den Membranlagen a und c angesiedelt ist.
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Fig. 4 gibt Aufschluß über die erfindungsgemäß gewählte linksseitige
Schlauchmembran-Einspannung und die Leckageanzeige. Oberhalb der waagrecht verlaufenden
Mittellinie M-M sind die Schlauchmembrane 3, 4 im eingespannten Zustand dargestellt
und unterhalb derselben in der spannungsfreien Einbaulage nach der Montage. Fig.
4a zeigt die rechtsseitige Schlauchmembran-Einspannung. Während die rechtsseitige
Einspannung dadurch gekennzeichnet ist, daß der geteilte oder dehnbare Zwischenring
8 die Schlauchmembrane 3, 4 gemeinsam in die Spannut 1k des hinteren Aufnahmeringes
le einpreßt, werden die Schlauchmembrane 3, 4 linksseitig getrennt eingespannt.
Die äußere Schlauchmembran 4 ist zwischen
dem Deckel 2 und dem
Gehäuse flansch If eingespannt. Sowohl der Deckel 2 als auch der Gehäuseflansch
if sind mit einer gezahnten Spannfläche 2b bzw. 1j versehen. Die innere Schlauchmembran
3 wird über den Zwischenring 8 in die Spannut 2a des Deckels 2 eingepreßt. Das radiale
Aufweiten sowohl des rechtsseitigen als auch des linksseitigen Zwischenringes 8
erfolgt über eine später erläuterte axiale Verschiebung des hinteren bzw. vorderen
mit einer Kegelfläche 6c versehenen konischen Spannringes 6b bzw. 6a. Der sich auswölbende
Bereich der Schlauchmembrane 3, 4 wird durch den Abstand des Stützringes Ig begrenzt,
die jeweils über einen Distanzring 1h mit dem Gehäuse flansch 1f bzw. dem hinteren
Aufnahmering le verbunden sind. Unabhängig von der zwischen Gehäuseflansch 1f und
dem Deckel 2 eingespannten äußeren Schlauchmembran 4 erfolgt die Abdichtung zwischen
den vorgenannten Gehäusebauteilen durch eine in der Nut im angeordnete Gehäusedichtung
26. Zur Ableitung von Leckageflüssigkeit beim Bruch einer der beiden Schlauchmembrane
3 oder 4 ist die die innere und äußere Schlauchmembrane 3, 4 aufspaltende Deckelzunge
2c mit einer Leckagebohrung 2d versehen, die den dreieckförmigen Ringspalt 9 zwischen
innerer und äußerer Schlauchmembrane 3, 4 mit einer Einschrauböffnung 10 innerhalb
des Deckels 2 verbindet.
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In der Schrauböffnung 10 ist ein Einschraubteil mit Schlauchtülle
11 angeordnet. Alle übrigen mit Kennzeichen versehenen Bauteile wurden bereits oder
werden noch in den folgenden Figuren näher erläutert.
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Die gegensinnige axiale Spannbewegung der Spannringe 6a bzw. 6b (Fig.
5) erfolgt durch Zuganker 7, die jeweils einerseits mit den Spannringen 6a, 6b und
andererseits mit einem Verstellring 14 vorzugsweise stoffschlüssig verbunden sind.
Ein Verstellring 14 ist mit links- und der andere mit rechtsgängigem Innengewinde
versehen. Beide befinden sich auf einem einerseits mit Links- und andererseits mit
Rechtsgewinde ausgestatteten Verstellbolzen 15, der auf der waagrechten Kugelgehäuseachse
im Bereich der Kugelgehäusemitte angeordnet ist. Oberhalb der waagrechten Mittellinie
M-M sind die beiden Verstellringe 14 in der Lage dargestellt, die sie einnehmen
müssen, wenn die Schlauchmembrane 3, 4 eingespannt sind.
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Unterhalb der waagrechten Mittellinie M-M befinden sich die Verstellringe
14 in ihrem größtmöglichen Abstand voneinander, der die spannungfreie Einbaulage
der Schlauchmembrane 3, 4 nach deren Montage ermöglicht.
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Der Verstellbolzen 15 ist über den Stift 16 mit der Stange 17 verbunden,
die nach außen durch den Deckel 2 hindurchgeführt und im Lagerteil 20 gelagert und
abgedichtet ist. Die Abdichtung der Stange 17 innerhalb
der Lagerbohrung
20b erfolgt über einen in der Nut 20a angeordneten Dichtring 23. Damit die Spannringe
6a, 6b gleichmäßig und gleichzeitig axial gegensinnig verschoben werden können,
ist die Stange 17 und der von ihr getragene Verstellbolzen 15 mit den Verstellringen
14 innerhalb des Lagerteils 20 außerdem noch axial fixiert. Diese axiale Fixierung
erfolgt über den inneren und äußeren Begrenzungsring 18 bzw. 22. Der innere Begrenzungsring
18 ist über einen Stift 19 mit der Stange 17 verbunden, wogegen der äußere Begrenzungsring
22 mit der Stange 17 beispielsweise stoffschlüssig verbunden ist. Der äußere Begrenzungsring
22 ist darüber hinaus entweder mit Nuten oder Schlüsselflächen versehen, die eine
Verdrehung beim Anziehen bzw Lösen der gesamten Einspannvorrichtung erleichtern.
Eine Schutzkappe 21 deckt den äußeren Begrenzungsring 22 vollständig ab. Die Dichtungen
24 und 25 verhindern den Austritt von Arbeitsflüssigkeit aus dem Ku gel gehäuse
1.
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Fig. 6 zeigt eine Übersichtsskizze eines Pumpenaggregates mit vier
Kugelgehäusen 1, die bezogen auf die Achse der Schlauchmembrane 3, 4 nahezu sternförmig
in einer waagrechten Ebene angeordnet sind und von denen jeweils zwei von jeweils
einem der beiden doppeltwirkenden Leistungsteile 27 abwechselnd mit primärem Arbeitsmedium
beaufschlagt werden. Jedes Ku gel gehäuse 1 ist über eine Verbindungsarmatur 28,
die über drei Anschlußflansche und einen -stutzen verfügt, einmal über den unteren
Anschlußflansch mit einem Leistungsteil 27, über den oberen mit dem Vorratsbehälter
für Arbeitsflüssigkeit 35,mit dem seitlichen mit dem Ku gel gehäuse 1 und mit dem
seitlichen Anschlußstutzen mit der Sicherheitsleitung 29 verbunden. Die Leistungsteile
27 werden in bekannter Weise von einem Antriebsmotor 31 über einen Riementrieb 32
und ein Kurbelgetriebe 30 angetrieben. Druckseitig sind jeweils zwei benachbarte
Ku gel gehäuse 1 mit einer Druckleitung 34 verbunden, die in den Windkessel 33 einmündet.
Saug- und druckseitig sind die Ku gel gehäuse 1 mit jeweils einem Saugventil 43
bzw. Druckventil 42 versehen.
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Die Verbindungsarmatur 28 (Fig. 7) verfügt, wie bereits unter Fig.
6 erwähnt, über drei Anschlußflansche, die mit dem Leistungsteil 27, dem Kugelgehäuse
1 und dem Boden des Vorratsbehälters 35a verbunden sind und über einen Anschlußstutzen
für die Sicherheitsleitung 29. In der Verbindungsöffnung zwischen der Verbindungsarmatur
28 und dem Vorratsbehälter für Arbeitsflüssigkeit 35 ist ein in seinem Aufbau und
seiner Wirkungsweise ansich bekanntes Verlust- und Nachholventil 41 angeordnet.
Beim
mit D gekennzeichneten Druckhub des primären Arbeitsmediums
wird eine über bestimmte Verlustmenge an Arbeitsmedium/die hohl geb ohrte Stange
des Ventils 41 durchgesetzt, die beimSaughub S zunächst nicht zur Verfügung steht,
dadurch einen bestimmten Unterdruck im System erzeugt und bei der Unterschreitung
eines einstellbaren Grenzwertes das federbelastete Nachholventil 41 kurzzeitig öffnet.
Erfindungsgemäß ist jede der vier Verbindungsarmaturen 28 über eine separate Sicherheitsleitung
29, die in jeweils ein federbelastetes, in seinem Aufbau ansich bekanntes Rückschlagventil
36 mündet, mit dem Sammelraum 38, der von der Sammelglocke 37 und dem Boden des
Vorratsbehälters 35 gebildet wird, verbunden. Die Sammelglocke 37 ist stirnseitig
mit einer Dichtung 40 versehen und wird über Verbindungsmittel 37a, 37b gegen den
Boden des Vorratsbehälters 35a gepreßt. In der Oberseite der Sammelglocke 37 ist
ein einziges Sicherheitsventil 39 angeordnet.
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Nach Fig. 8 besteht die s:hematisiert dargestellte Schlauchmembranpumpe
aus dem vorzugsweise kugelförmig ausgebildeten Membran gehäuse 1 mit seinem Saug-
und Druckanschluß la. Rechtwinklig zu der durch den Saug- und Druckanschluß la festgelegten
Symmetrielinie ist mittig im Membran gehäuse 1 ein mit Durchtrittsöffnungen 5a versehenes
Stützrohr 5 angeordnet, welches von der Schlauchmembran 3 konzentrisch umschlossen
wird. Die Schlauchmembran 3 ist jeweils an ihren Enden im Membran gehäuse 1 eingespannt.
Ihr Innenraum ist über die Durchlaßöffnung lc im Membran gehäuse 1 mit dem Gehäuse
des Leistungsteils 27, das einen vorzugsweise oszillierend bewegten Kolben 27a aufnimmt,
verbunden. Dem Sauganschluß la (unten) ist das Saugventil 43 vor- und dem Druckanschluß
la (oben) ist das Druckventil 43 nachgeordnet.
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Die Schlauchmembranpumpe ist während ihres Saughubes dargestellt.
Der Kolben 27a bewegt sich im Gehäuse des Leistungsteils 27 nach rechts und saugt
somit primäres Arbeitsmedium I aus der Schlauchmembran 3 ab.
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Diese Volumenverminderung wird ohne zeitlichen Verzug durch Rückverformung
der elastisch gedehnten Schlauchmembran 3 unter Ausübung von Druck auf das primäre
Arbeitsmedium I nachvollzogen. Das durch Kontraktion der Schlauchmembran 3 im Membran
gehäuse 1 vergrößerte Volumen der Pumpenkammer P wird durch Nachströmen von sekundärem
Medium II über den Sauganschluß la aufgefüllt.
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Das Kräftespiel aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens ist anhand
eines beliebig herausgegriffenen Schlauchmembran-Elementes in Fig. 9
dargestellt
(Einzelheit X aus Fig. 8). Auf der Seite des sekundären Mediums II greift die Kraft
P2 A2 und auf der Seite des primären Arbei tsmedi ums I die Kraft P1 A1 an. Es handelt
sich um einander entgegengesetzt gerichtete Druckkräfte. Die Seitenflächen Aq des
gedanklich frei gemachten Schlauchmembran-Elementes bilden einen Winkel 2α
zueinander. An den Querflächen Aq greifen die aus der Dehnung der Schlauchmembran
resultierenden Zugkräfte 6Aq an. Sie stehen senkrecht auf den Querflächen Aq und
bilden somit mit der auf der Wirkungslinie der Druckkräfte p1 A1 bzw. pa A2 errichteten
Senkrechten den Winkel oc Während des gesamten Saughubes erfahren die in Fig. 9
dargestellten Kräfte keine Vorzeichenumkehr, so daß aufgrund der Kräftebilanz im
Gleichgewichtsfall gilt: p1.A1 - p2.A2 -2.6Aq . sinα = 0 Eine Kontraktion
der elastisch gedehnten Schlauchmembran ist gegeben, wenn gilt: P1 A1 <(P2 A2
t 2.#.A1 sino ).
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Aufgrund des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens ist sicherzustellen,
daß während des Saughubes stets gilt: p1 >p2. Selbst bei Druckgleichheit, d.h.
pl = p2 (ein Fall, der aus Sicherheitsgründen auszuschließen ist) steht als die
Schlauchmembran rückbildende Kraft die Komponente 2.#.Aq sinα zur verfügung,
wenn man näherungsweise = = A2 annimmt. Für den Fall, daß der Kolben 27 zu schnell
primäres Arbeitsmedium I ansaugt, geht die Zugkraftkomponente 2.#.Aq sinoc ins Leere,
d.h. die Schlauchmembran erfährt keinen Gegendruck über den Druck p1. Eine so weitgehende
Druclcabsenkung innerhalb des primären Arbei tsmedi ums I soll allerdings erfindungsgemäß
ausgeschlossen werden, da in diesem Fall (p1 < P2J bei einem Membrandefekt eine
Verunreinigung des primären Arbeitsmediums I durch das zu pumpende sekundäre Medium
II erfolgt.
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Große Kontraktionsgeschwindigkeit v (vgl. auch Fig. 8) der Schlauchmembran
wird durch große Zugkräfte 6SAq, d.h. durch große Zugspannungen 6 erreicht. Da die
Dehnungen und die Schlauchmembrandicke (damit Aq) vorgegeben und begrenzt sind,
läßt sich eine hohe Zugkraft nur über eine hohe Zugspannung und letztere aufgrund
des Hook'schen Gesetzes nur über einen hohen Elastizitätsmodul E des Schlauchmembran-Werkstoffes
realisieren. Über die Wahl eines entsprechenden Elastizitätsmoduls E ist erfindungsgemäß
die Möglichkeit gegeben, die Kontraktionsgeschwindigkeit v zu erhöhen, um dadurch
die Schlauchmembran ohne zeitlichen Verzug unter
Ausübung von Druck
auf das Arbeitsmedium letzterem nachzuführen.
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In Fig. 10 sind die Drücke p1 und p2 in Relation zum Umgebungsdruck
pu der Pumpe dargestellt. Unter Wahrung der Bedingung p1 > P2 ist eine Druckdifferenz
(Unterdruck) gegenüber dem Umgebungsdruck gegeben. Der Unterdruck ZP2 als Differenz
zwischen dem Umgebungsdruck und dem Druck Pu des sekundären Mediums II ist verantwortlich
für das Ansaugen der Scnlauchmembranpumpe über den Sauganschluß la.
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Beim druckhub muß die Druckkraft pl Al sowohl die Druckkraft p2 A2
als auch die Zukkraftkomponente 2-o-Aq sinoc überwinden, so daß stets und unter
allen denkbaren Betriebsbedingungen der Druck pj des Arbeitsmediums I größer ist
als der Druck p2 des sekundären Mediums II. Im Falle eines Membrandefektes besteht
daher beim Druckhub niemals die Gefahr, daß das sekundäre das primäre Medium verschmutzt.
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Die für den Betrieb einer Schlauchmembranpumpe aufgrund des erfindungsgemäßen
Verfahrens im konkreten Fall infrage kommenden optimalen Betriebsdaten werden in
der Praxis empirisch ermittelt Aus Sicherheitsgründen kann die Verschmutzung des
primären Arbeitsmediums I durch geeignete, die elektrische Leitfähigkeit des Arbei
tsmediums messende Einrichtungen angezeigt werden. Diese Einrichtungen, vorzugsweise
Meßfühler und Geräte zur Auswertung der Meßwerte, sind in der Zeichnung nicht näher
bezeichnet.
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Eine Möglichkeit der Überwachung besteht darin, den Meßfühler im Gehäuse
des Leistungsteils 27 anzuordnen. Bei mehrzylindrigen Schlauchmembranpumpen, d.h.
bei mehreren Leistungsteilen kann der Meßfühler innerhalb eines Vorratsbehälters
angeordnet werden, der sämtliche Leistungsteile mit Arbeitsmedium versorgt. Wird
bei Schlauchmembranpumpen mit mehreren Leistungsteilen in jedem Leistungsteil ein
Meßfühler angeordnet, so ist es im Hinblick auf eine Reduzierung des Aufwandes sinnvoll,
die einzelnen Meßfühler über einen Wählschalter mit einem den Meßwert auswertenden
Zentralgerät bei Bedarf wahlweise zu verbinden.
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Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens tritt im Falle eines
Membrandefektes ein Verlust an primärem Arbeitsmedium auf. Aufgrund der Druckverhältnisse
tritt sowohl beim Druck- als auch beim Saughub primäres Arbeitsmedium in den Pumpenbereich
des sekundären Mediums über. Der sämtliche Leistungsteile mit Arbeitsmedium versorgende
Vorratsbehälter entleert sich. Im Falle einer vollständigen Entleerung vermindert
sich die
Pumpfähigkeit der Leistungsteile, bis deren Pumpwirkung
vollständig zum Erliegen kommt. Es ist dann auch nicht auszuschließen, daß sekundäres
Medium in das primäre Arbeitsmedium gelangt und zu einer Beschädigung oder vollständigen
Zerstörung der Leistungsteile führt.
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Um den letztgenannten Störfall rechtzeitig anzuzeigen, ist im Vorratsbehälter
für das primäre Arbeitsmedium eine Einrichtung vorgesehen, die den Leerzustand ermittelt
und als Meldung weitergibt.
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L e e r s e i t e