DE3446914A1

DE3446914A1 - Membranpumpe mit hydaulisch angetriebener rollmembran

Info

Publication number: DE3446914A1
Application number: DE19843446914
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl Ing Fritsch
Original assignee: Lewa GmbH
Current assignee: Lewa GmbH
Priority date: 1984-12-21
Filing date: 1984-12-21
Publication date: 1986-07-03
Also published as: DE3446914C2; EP0188730A2; JPS61197779A; EP0188730A3; JPH0321757B2; US4749342A; EP0188730B1

Description

Membranpumpe mit hydraulisch angetriebener Rollmembran

Die Erfindung betrifft eine Membranpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei den bekannten Membranpumpen werden unterschiedlich geformte und abgestützte Membranen eingesetzt, wobei in Abhängigkeit von der Membranform und der Art der Abstützung ein maximal zulässiger Förderdruck festgelegt werden kann.

Für Hochdruckmembranpumpen, deren Membranen ausschließlich hydraulisch betätigt werden, gelangen ebene oder vorverformte plattenförmige Flachmembranen zur Anwendung. Diese können entweder aus Kunststoff mit einer Einsatzgrenze bis ca. 350 bar Förderdruck oder aus Metall mit einer Einsatzgrenze bis über 3000 bar Förderdruck bestehen.

Bei den verwendeten Flachmembranen aus Kunststoff ist zwar - im Gegensatz zur Metallmembran - der Vorteil einer hohen Elastizität und damit einer großen Auslenkung gegeben, so daß derartige Kunststoff-Flachmembranen relativ kleine Durchmesser aufweisen. Jedoch ergeben sie immer noch wesentlich

als

größere Pumpenkopfdurchmesser/eine leistungsgleichs Kolbenpumpe. Entsprechend groß ist auch der Preisunterschied zwischen Kolbenpumpe und Membranpumpe.

Es ist daher wünschenswert, in Membranpumpen, insbesondere in solchen für hohe Förderdrücke, Membranformen einzusetzen, die größere Auslenkungen und damit kleinere Durchmeser gestatten als Flachmembranen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Membranpumpe der gattungsgemäßen Art zur Beseitigung der geschilderten Nachteile derart auszugestalten, daß die Abmessungen

einer eine übliche Flachmembran aufweisende Membranpumpe weiter verringert werden können und demgemäß hinsichtlich Gewicht, Preisgestaltung und Platzbedarf eine vorteilhafte Annäherung an Kolbenpumpen möglich ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, das obengenannte Ziel dadurch zu erreichen, daß eine solche Membranform, nämlich eine Rollmembran, zum Einsatz gelangt, die wesentlich höhere Auslenkungen als eine Flachmembran erlaubt.

Dies ermöglicht es, wesentlich kleinere Membrandurchmesser einzusetzen, was den l/orteil einer außerordentlich preisgünstigen Konstruktion erbringt, da ein erheblich geringerer Platzbedarf erforderlich ist. Dies beruht nicht zuletzt darauf, daß aufgrund der im Vergleich zu einer Flachmembran wesentlich größeren Auslenkung einer Rollmembran der zum Membranantrieb dienende Hydraulikzylinder ebenfalls einen wesentlich

so

kleineren Durchmesser aufweisen kann,/daß hierdurch die druckbeaufschlagte Fläche kleiner wird. Darüber hinaus werden die bei der Pumpe erforderlichen Schraubenkräfte entscheidend verringert. Auch dies trägt wesentlich zur Verbilligung einer Membranpumpe mit Rollmembran bei.

Wie bekannt, stellt eine Rollmembran grundsätzlich eine strumpfförmige Gummimembran dar, die eine außerordentlich große Lebensdauer aufweist, da sie mit großer Häufigkeit auf- und abrollen kann, ohne zu brechen. Die Rollmembran, die aus einem gummiartigen Material hergestellt sein muß, rollt demgemäß bei der Erfindung abwechselnd auf dem durch die Wand des Druckraums gebildeten äußeren Abrollzylinder und auf dem inneren Abrollzylinder ab, der durch die Außenumfangsflache

des axial verschiebbaren Stützpilzes gebildet ist. Dieses Auf- und Abrollen der Rollmembran vollzieht sich etwa wie die Bewegung eines Strumpfes oder einer Socke beim An- und Ausziehen.

Bei der erfindungsgemäß vorgesehenen Anwendung der Rollmembran in der Membranpumpe ist speziell berücksichtigt, daß eine Rollmembran gegen auftretende Druckunterschiede relativ empfindlich ist und daher stets eine ausreichende Abstützung benötigt. Dies gilt besonders für die hintere Begrenzungslage der Rollmembran am Ende des Kolbensaughubes, wobei in dieser hinteren Begrenzungslage üblicherweise die über das Schnüffelventil der Membranpumpe bewirkte Leckergänzung und gegebenenfalls auch Entlüftung bzw. Entgasung erfolgt. In diesem Zustand des Nachschnüffels der Pumpe muß sich aber die Rollmembran in einwandfreier Weise abstützen bzw. an einer geeigneten Stelle anlegen können, da ja das Schnüffelventil erst dann anspricht, wenn eine ausreichende Druckdifferenz zwischen Hydraulikdruckraum und Förderraum vorliegt Das bedeutet aber, daß die Rollmembran in diesem Augenblick relativ stark beansprucht wird, wenn sie nicht einwandfrei abgestützt ist. Im Extremfall kann auf die Membran in der hinteren Begrenzungslage eine Druckdifferenz einwirken, die dem vollen Förderdruck der Pumpe, beispielsweise 350 bar, entspricht. Dieser Fall kann dann eintreten, wenn z.B. bei stillstehender Pumpe durch geringfügige Leckage des Druckventils sich im Pumpenarbeitsraum der Systemdruck gleich Förderdruck der Pumpe einstellt. Aus Sicherheitsgründen muß die Membran diese Beanspruchung aushalten können.

Durch die Erfindung wird es daher erstmals möglich, Rollmembranen in solchen Membranpumpen anzuwenden, bei denen insbesondere höhere Förderdrücke zu bewältigen sind und somit ein hydraulischer Membranantrieb von Vorteil ist, um zu gewährleisten, daß beidseits der Membran ein ausgeglichener Druck herrscht.

Die erfindungsgemäß geschaffene Membranpumpe mit hydraulisch angetriebener Rollmembran eignet sich somit auch für hohe Förderdrücke, wobei in der hinteren Begrenzungslage eine einwandfreie Abstützung der Rollmembran erfolgt und daher bei Druckbeaufschlagung auf der Förderseite eine Beschädi-

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gung der Rollmembran vermieden wird.

Bei der erfindungsgemäßen Membranpumpe ist die Ausgestaltung derart getroffen, daß die Stirnfläche des Stützpilzes mit dem zugeordneten Flächenabschnitt der Rollmembran fest verbunden ist. Der innere Abrollzylinder ist so ausgebildet, daß er in der hinteren Begrenzungslage der Rollmembran zusammen mit dem äußeren Abrollzylinder eine völlig spaltfreie Abstützfläche bildet, die an die natürliche Verformungs- und Abrollgeometrie der Rollmembran angepaßt ist.

Damit ist in der hinteren Totpunktlage der Rollmembran eine eindeutige Lagebegrenzung bzw. Abstützung geschaffen, so daß es in dieser hinteren Begrenzungslage der Membran möglich ist, durch das übliche Schnüffelventil die im Druckraum auftretenden geringen Leckagen zu ergänzen, ohne daß die Gefahr besteht, daß die Rollmembran in dieser Lage aufgrund des dann gerade herrschenden Druckunterschiedes beschädigt wird.

Die erfindungsgemäß vorgesehene völlig spaltfreie Abstützfläche für die Rollmembran in deren hinterer Begrenzungslage bedeutet mit anderen Worten, daß eine vollständig geschlossene Anlagefläche vorgesehen ist, die dann, wenn sich die Rollmembran in der hinteren Begrenzungslage befindet, durch die entsprechenden Flächen des Druckraumes und des Stützpilzes für die Rollmembran gebildet ist. Eine derartige Fläche weist selbstverständlich keinerlei Bohrungen auf, was von besonderer Bedeutung ist, um im Schnüffeizustand der Pumpe ein Anliegen der Rollmembran an solchen Bohrungen bei einem herrschenden Druckunterschied zu verhindern.

Um dieses zu gewährleisten, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Stützpilz in der hinteren Begrenzungslage wenigstens teilweise in einen Druckraumabschnitt kleineren Durchmessers eingetaucht ist, der sich an den den äußeren Abrollzylinder

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bildenden Druckraumabschnitt größeren Durchmessers unter Bildung einer Abstützschulter für die Rollmembran anschließt.

Hierdurch ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht, radial verlaufende Strömungskanäle, die in der Umfangswand des Stützpilzes vorgesehen sind und zur Verbindung zwischen Druckraum und Schnüffelventil dienen, derart anzuordnen, daß sie in der hinteren Begrenzungslage vollständig in den Druckraumabschnitt kleineren Durchmessers eingetaucht sind.

Zweckmäßigerweise ist der Anschlag zur Begrenzung der hinteren Lage des Stützpilzes durch eine Ringschulter im Gehäusekörper gebildet, die am Ende des Druckraumabschnittes kleineren Durchmessers vorgesehen ist.

Bei einer praktischen Ausführungsform der Erfindung weist der Stützpilz eine Führungsstange auf, die eine exakt zentrische Axialbewegung des Stützpilzes sicherstellt.

Aufgrund der vorgesehenen hydraulischen Betätigung der Rollmembran weist der Stützpilz bzw. dessen Führungsstange keinerlei mechanische Verbindung mit dem Hydraulikkolben auf. Dies bedeutet, daß der Stützpilz lediglich durch die Rollmembran hin- und herbewegt wird. Der Stützpilz, der demgemäß von der Kinematik des Hydraulikkolbens unabhängig ist, erfüllt zwei Funktionen. Zum einen erlaubt er das Abrollen der Rollmembran, die beim Abrollen einen äußeren Abrollzylinder, gebildet durch die Wand des Druckraums, sowie einen inneren Abrollzylinder benötigt, der durch die Außenumfangsfläche des Stützpilzes gebildet ist. Zum anderen erfüllt der Stützpilz die Funktion der Abstützung der Rollmembran.

Insgesamt ist daher die erfindungsgemäße Ausgestaltung derart getroffen, daß in der hinteren Begrenzungslage der Rollmembran eine solche Gesamtkontur von Stützpilz einschließlich Druck-

raum gebildet ist, daß eine spaltfreie Fläche entstanden ist und damit die Rollmembran bei einer auftretenden Druckdifferenz nur an völlig glatte Flächen gedrückt wird und demgemäß nicht der Gefahr einer Beschädigung unterliegt.

Damit ist es durch die Erfindung möglich geworden, bei Membranpumpen, die insbesondere für hohe Förderdrücke vorgesehen sind, hydraulisch angetriebene Rollmembranen einzusetzen, was eine erhebliche Durchmesserverringerung der Membranpumpe erlaubt. Der Durchmesser der Rollmembran kann hierbei in der Größenordnung des Durchmessers des Hydraulikkolbens liegen, so daß auch die er forderlichen Schraubenkräfte für die Membranpumpe sehr viel kleiner werden. So hat z.B. die Verringerung des Membrandurchmessers auf die Hälfte des vorherigen Durchmessers eine Reduzierung der Schraubenkräfte auf ein Viertel des vorherigen Kraftaufwandes zur Folge.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 im Schnitt eine erfindungsgemäß ausgestaltete Membranpumpe mit der Rollmembran in der vorderen Begrenzungslage;

Fig. 2 mit der Rollmembran in einer mittleren Lage und

Fig. 3 mit der Rollmembran in der hinteren Begrenzungslage.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, weist die dargestellte Membranpumpe ein Pumpengehäuse in Form eines durch einen Pumpendeckel 1 stirnseitig verschlossenen Gehäusekörper 2 auf, in dem als hydraulischer Membranantrieb ein oszillierender Hydraulikkolben 3 arbeitet. Dieser ist in einer Bohrung des Gehäusekörpers hin- und herverschiebbar und trennt einen Druckraum 5 von einem Hydraulikvorratsraum 6.

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Zwischen dem Gehäusekörper 2 und dem Pumpendeckel 1 ist mit ihrem Umfangsrand fest eine Rollmembran 7 eingespannt, die in der aus der Zeichnung ersichtlichen Weise den Druckraum von einem Förderraum 8 trennt. Der Druckraum 5 ist vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt, so daß beim Hin- und Herverschieben des Hydraulikkolbens 3 auch die Rollmembran 7 in entsprechender Weise betätigt wird und im Sinne eines Saughubes bzw. Druckhubes auf den Förderraum 8 einwirkt;

Der Pumpendeckel 1 weist ein federbelastetes Saugventil 9 sowie ein federbelastetes Druckventil 10 auf. Diese Ventile 9, 10 sind derart über einen Einlaßkanal 11 bzw. einen Auslaßkanal 12 mit dem Förderraum 8 verbunden, daß das Fördermedium bei dem nach rechts gemäß der Zeichnung erfolgenden Saughub der Rollmembran 7 in Richtung des Pfeiles A über das Saugventil 9 und den Einlaßkanal 11 in den Förderraum 8 angesaugt wird. Demgegenüber wird dann bei dem nach links gemäß der Zeichnung erfolgenden Druckhub der Rollmembran 7 das Fördermedium über den Auslaßkanal 12 und das Druckventil 10 in Richtung des Pfeils B dosiert aus dem Förderraum 8 herausgedrückt .

Innerhalb des Druckraumes 5 ist axial verschiebbar ein Stützpilz 13 angeordnet, der eine axial nach hinten in Richtung des Hydraulikkolbens 3 ragende Führungsstange 14 aufweist. Diese ist derart in einem mittig im Druckraum 5 angeordneten Auge 15 geführt, daß eine exakt zentrische Axialbewegung des Stützpilzes 13 gewährleistet ist-

Der Stützpilz 13 ist an seiner Stirnfläche mit dem zugeordneten Flächenabschnitt der Rollmembran 7 verbunden, so daß dadurch der Stützpilz 13 der Axialverschiebebewegung der Rollmembran 7 folgt.

Die für die Rollmembran 7 erforderliche Abrollfläche ist durch einen äußeren Abrollzylinder sowie einen inneren Ab-

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rollzylinder gebildet. Hierbei stellt die Umfangswand 16 des Druckraumes 5 den äußeren Abrollzylinder dar, während der innere Abrollzylinder durch die Außenumfangsflache 17 des Stützpilzes 13 gebildet wird.

Wie ersichtlich, schließt an den eigentlichen Druckraum 5 axial nach hinten in Richtung des Hydraulikkolbens 3 ein Druckraumabschnitt 5' kleineren Durchmessers an, wobei zwischen den beiden Druckabschnitten 5, 5' eine Abstützschulter 18 für die Rollmembran 7 gebildet ist. Diese Abstützschulter

18 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel konkav ausgebildet und weist einen Krümmungsradius auf, der dem Krümmungsradius der Rollmembran 7 in deren Abrollbereich entspricht.

Der Durchmesser und die Tiefe des kleineren Druckraumabschnittes 5' sind derart gehalten, daß der Stützpilz 13 in der hinteren Begrenzungslage gemäß Fig. 3 zum überwiegenden Teil in diesen kleineren Druckraumabschnitt 5' eingetaucht ist. Hierbei ragt das vordere Teil des Stützpilzes 13 lediglich derart weit aus dem kleineren Druckraumabschnitt 5' heraus, daß sich nur derjenige abgerundet ausgebildete Flächenabschnitt

19 des Stützpilzes 13, der den Übergang zwischen Stirnfläche und Außenumfangsfläche 17 des Stützpilzes 13 bildet, im größeren Druckraumabschnitt 5 befindet.

Hierdurch ist in der aus Fig. 3 ersichtlichen hinteren Begrenzungslage der Rollmembran 7 eine völlig spaltfreie Abstützfläche 16, 18, 19 {und gegebenenfalls 17) gebildet, die an die natürliche Verformungsgeometrie bzw. Abrollcharakteristik der Rollmembran 7 angepaßt ist. Diese spaltfreie Abstützfläche setzt sich beim dargestellten Ausführungsbeispiel aus dem äußeren Abrollzylinder, gebildet durch die Umfangswand 16 des Druckraumes 5, aus der Abstützschulter 18 und aus dem abgerundeten Flächenabschnitt 19 bzw. dem inneren Abrollzylinder 17 des Stützpilzes 13 einschließlich der Stützpilzstirnfläche zusammen.

Als Anschlag zur Begrenzung der hinteren Lage des Stützpilzes 13 ist eine Ringschulter 20 vorgesehen, die im Gehäusekörper 2 am axial hinteren Ende des Druckraumabschnittes 5' kleineren Durchmessers gebildet ist.

Wie ersichtlich, steht mit dem Hydraulikvorratsraum 6 ein kombiniertes Gasausschleus- und Druckbegrenzungsventil 21 in Verbindung, das seinerseits über einen Kanal 22 in den Druckraumabschnitt 5' kleineren Durchmessers mündet. Zu diesem Zweck sind in der Umfangswand 25 des Stützpilzes radiale Strömungskanäle 26 vorgesehen. Diese sind derart angeordnet, daß sie in der hinteren Begrenzungslage der Rollmembran 7 bzw. des Stützpilzes 13 gemäß Fig. 3 vollständig in den Druckraumabschnitt 5' kleineren Durchmessers eingetaucht sind. Dadurch ist ebenfalls gewährleistet, daß in der hinteren Begrenzungslage der Rollmembran 7 eine vollständig spaltfreie Abstützfläche gebildet ist.

Weiterhin ist auch ein Schnüffelventil 23 vorgesehen, das den Hydraulikvorratsraum 6 über einen Kanal 24 mit dem Druckraumabschnitt 5¹ kleineren Durchmessers verbindet. Dadurch kann in der hinteren Begrenzungslage der Rollmembran 7, d.h. am Ende des Saughubes des Hydraulikkolbens 3, die erforderliche Leckergänzung aus dem Hydraulikvorratsraum über das Schnüffelventil 23 und den Kanal 24 erfolgen. Dieser Kanal ist hierbei so angeordnet, daß die Verbindung zum Hydraulikvorratsraum 6 über eine Ringnut 27 und eine Bohrung 28 in der Stützpilzführungsstange 14 erst dann hergestellt wird, wenn der Stützpilz 13 die hintere Begrenzungslage erreicht hat, wie aus Fig. 3 ersichtlich. Dadurch ist in der erwünschten Weise eine Leckergänzung des Druckraumes 5 nur in dieser Lage des Stützpilzes 13 möglich, was mit anderen Worten bedeutet, daß eine vorzeitige Leckergänzung nicht stattfinden kann.

Claims

PATENTANWALTjGi. ^EITLER

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POSTFACH 260251-8000 MÜNCHEN 26 TELEFON: 089/221806 HERRNSTRASSE 15 -8000 MÜNCHEN 22

LEWA Herbert Ott GmbH + Co., Ulmer Str. 10, 7250 Leonberg

Membranpumpe mit hydraulisch angetriebener Rollmembran

Patentansprüche;

Membranpumpe mit einer Membran, die einen Förderraum von einem mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten Druckraum trennt und mit ihrem Umfangsrand fest zwischen einem Gehäusekörper sowie einem Pumpendeckel eingespannt ist, und mit einem oszillierenden Hydraulikkolben, der in einer Bohrung des Gehäusekörpers zwischen dem Druckraum und einem Hydraulikvorratsraum zur Membranbetätigung verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran als Rollmembran (7) ausgebildet ist, die sich abwechselnd auf einem durch die Wand des Druckraums (5) gebildeten äußeren Abrollzylinder (16) und einem inneren Abrollzylinder ab- bzw. aufrollt, der durch die Außenumfangsfläche (17) eines axial im Druckraum verschiebbaren Stützpilzes (13) für die Rollmembran gebildet ist, dessen Stirnfläche mit dem zugeordneten Flächenabschnitt der Rollmembran (7) fest verbunden ist, und daß der innere Abrollzylinder (17) so ausgebildet ist, daß er in der hinteren Begrenzungslage der Rollmembran (7) zusammen mit dem äußeren Abrollzylinder (16) eine völlig spaltfreie Abstützfläche (16, 18, 17, 19) bildet, die an die natürliche Verformungsund Abrollgeometrie der Rollmembran (7) angepaßt ist.

Z/Br.
2. Membranpumpe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Stützpilz (13) in der hinteren Begrenzungslage wenigstens teilweise in einen Druckraumabschnitt (5¹) kleineren Durchmessers eingetaucht ist, der sich an den den äußeren Abrollzylinder (16) bildenden Druckraumabschnitt (5) größeren Durchmessers unter Bildung einer Abstützschulter (18) für die Rollmembran (7) anschließt.
3. Membranpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß radial verlaufende Strömungskanäle (26) in der Umfangswand (25) des Stützpilzes (13) so angeordnet sind, daß sie in der hinteren Begrenzungslage der Rollmembran (7) vollständig in den Druckraumabschnitt (5¹) kleineren Durchmessers eingetaucht sind.
4. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag zur Begrenzung der hinteren Lage des Stützpilzes (13) durch eine Ringschulter (20) im Gehäusekörper (2) gebildet ist.
5. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützpilz (13) eine Führungsstange (14) aufweist, die eine exakt zentrische Axialbewegung des Stützpilzes (13) sicherstellt.
6. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die im Druckraum (5) vorgesehene Abstützschulter (18) konkav ausgebildet ist und einen Krümmungsradius aufweist, der dem Krümmungsradius der Rollmembran (7) in deren Abrollbereich entspricht.