DE3631746A1 - Membranpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Membranpumpe zur Beförderung vor­ zugsweise von Gasen, insbesondere Rauchgasen, mit einem Mem­ brane und Ventile aufweisenden Pumpenkopf, wobei zumindest wesentliche Teile des Pumpenkopfes vorzugsweise aus Polyte­ trafluoräthylen (PTFE) bestehen.

Solche Membranpumpen sind bekannt. Sie haben jedoch den Nach­ teil, daß sie aufgrund der Wärmeausdehnung des PTFE-Materia­ les und der damit verursachten Funktionsstörungen hohe Tem­ peraturen nicht oder nur bei sehr kurzer Lebensdauer aushal­ ten können. Aus diesem Grunde konnten bisher heiße Gase mit der Pumpe nicht unmittelbar gefördert werden. Es wurde des­ halb vor eine solche Förderpumpe ein Kühler für das Rauchgas gesetzt, so daß das Gas z.B. auf etwa 40° abgekühlt wurde und die Pumpe mit dieser Temperatur durchströmte. Hierbei be­ steht jedoch die Gefahr, daß das Rauchgas für Analysezwecke unbrauchbar wird und vor allem Wasser auskondensiert, wel­ ches gelegentlich in die Pumpe gerät und diese dann stark be­ lastet oder gar beschädigt, z.B. deshalb, weil die Ventile nicht mehr richtig dichten oder die Membrane nicht mehr, wie vorgesehen, schwingen kann.

Da solche Membranpumpen vorzugsweise zur Beförderung von Rauch­ gasen von ca. 200° Celsius, insbesondere von einer Abgasstel­ le zu einem Analysegerät, dienen sollen, wäre es nachteilig, statt PTFE, welches überlicherweise "Teflon" genannt wird, andere Materialien für den Aufbau des Pumpenkopfes zu ver­ wenden. Denn Teflon (PTFE) besitzt für diesen Zweck vorteil­ hafte physikalische und vor allem chemische Eigenschaften. Insbesondere weist dieses Material eine hohe chemische Neu­ tralität auf, so daß die vorbeiströmenden Medien praktisch nicht durch chemische Reaktionen mit dem Pumpenmaterial vor dem Analysegerät verfälscht werden.

Es besteht deshalb die Aufgabe, eine Membranpumpe der ein­ gangs erwähnten Art zu schaffen, vor welcher ein Kühler für ein Förder-Medium, insbesondere für Rauchgas, nicht erforderlich ist, die also ohne Beschädigung bei befriedigender Lebens­ dauer mit heißen Medien, insbesondere heißen Rauchgasen, beaufschlagt werden kann, aber dennoch, zumindest in wesent­ lichen Teilen, aus PTFE bestehen kann.

Die Aufgabe wird insbesondere dadurch gelöst, daß der Pum­ penkopf etwa parallel zur Ventil- bzw. Membranbewegung mit Spannelementen versehen ist, die den Pumpenkopf entgegen seiner thermischen Axialausdehnung beaufschlagen. Durch die Einspannung des Pumpenkopfes entgegen seiner ther­ mischen Axialausdehnung, also entgegen seiner Ausdehnung in den Bewegungsrichtungen der Membrane bzw. der Ventile, wird die bei der Erwärmung des Pumpenkopfes durch hindurchströmende heiße Gase gewöhnlich auftretende Axialausdehnung praktisch unterdrückt. Damit wird eine unerwünschte Ausdehnung des der Membrane zur Ver­ fügung stehenden Hubraumes weitgehend vermieden. Eine sol­ che Vergrößerung des Hubraumes würde die erreichbare Kom­ pression des Gases mindern und somit die Leistungsfähigkeit der Pumpe nicht unwesentlich verringern. Zugleich würde sich das Ventilspiel vergrößern und damit die Ventilfunktion be­ einträchtigen. Folge hiervon wäre eine Abnahme des volume­ trischen Wirkungsgrades der Pumpe, d.h., es könnte in der gleichen Zeit weniger Gasvolumen gefördert werden. Somit würden sich in der Summation beider Effekte sowohl der Pum­ pendruck wie auch die geförderte Gasmenge erheblich verrin­ gern. Diese Nachteile werden durch die bewegungsaxiale Ein­ spannung des Pumpenkopfes weitgehend vermieden.

Die Unterdrückung der Wärmeausdehnung in der Bewegungsrich­ tung von Membrane und Ventilen kann unter Umständen dazu führen, daß praktisch die gesamte Wärmeausdehnung quer zur Bewegungsrichtung von Membrane und Ventilen stattfindet.

Es ist deshalb vorteilhaft, wenn der Pumpenkopf auch noch etwa paral­ lel zur Bewegungsachse der Membrane bzw. der Ventile von ei­ nem äußeren Stützmantel in einem Abstand umgeben ist, der in kaltem Zustand kleiner oder gleich ist als die quer zur Bewegungsrichtung auftretende maximale Wärmeausdehnung des Pumpenkopfes.

Die Ummantelung des Pumpenkopfes verhindert hier eine vor allem nach längerer Betriebsdauer mögliche Verformung des Pumpenkopfes durch übermäßige radiale Ausdehnung bei gleich­ zeitig axialer Schrumpfung. Der Stützmantel dient also da­ zu, einem gegebenenfalls übermäßigen radialen Ausweichen des Pumpenkopfes unter dem axialen Einspanndruck zu begeg­ nen. Denn durch eine solche Verformung bestände die Gefahr, daß sowohl der für die Membrane verfügbare Hubraum wie auch das notwendige Ventilspiel verkürzt würde. Im Extremfall könnte die Pumpe hierdurch, z.B. durch ein Anschlagen des Pleuels bzw. der Membrane im Verdichtungsraum oder durch einen Ausfall der Ventilfunktion, funktionsunfähig werden. Der Stützmantel sichert somit die Funktionsfähigkeit des Pumpenkopfes auch über eine längere Betriebsdauer hinweg.

Dabei ist es zweckmäßig, wenn der Stützmantel im kalten Be­ triebszustand der Pumpe zu den von ihr umgebenden Außenwän­ den des Pumpenkopfes ein Spiel aufweist, derart, daß der Pumpenkopf bei Betriebstemperatur am Stützmantel vorzugs­ weise drucklos oder mit geringem Druck anliegt.

Eine völlige Unterbindung der Dehnung in Querrichtung würde bei dem vorgesehenen Werkstoff PTFE dazu führen, daß sich dieser aufgrund der Wärmekompression in die Ventil- und Förderräume verformen und die Pumpe in ihrem inneren Aufbau Schaden nehmen könnte. Es ist deshalb vor­ teilhaft, die Wärmeausdehnung zumindest zu einem gewissen Teil in radialer Richtung und damit in praktisch gleich­ mäßiger, radialer Streckung der inneren Struktur des Pum­ penkopfes zuzulassen. Diese Verformung wird jedoch so be­ grenzt, daß sie funktionsbeeinträchtigende, bleibende Ver­ formungen mit den oben bezeichneten Folgen praktisch nicht verursachen kann. Durch diese axiale und radiale Verfor­ mungsbegrenzung, die auch die Verformung nach innen in Gren­ zen hält, können sich beim Heiß-Betrieb verursachte Verfor­ mungen, vor allem im Inneren der Pumpe, beim Abkühlen wieder so weit zurückbilden, daß der PTFE-Pumpenkopf trotz zahlrei­ cher Wärmebelastungswechsel eine lange Lebensdauer hat.

Es ist vorteilhaft, wenn die Spannelemente, vorzugsweise Spannschrauben, den Pumpenkopf zwischen Kurbelgehäuse und einer den Pumpenkopf - an seinem dem Kurbelgehäuse in axia­ ler Richtung gegenüberliegenden Ende - zumindest teilweise überdeckenden Spannplatte einspannen. Durch diese ergibt sich ein gleichmäßiger axialer Einspanndruck, so daß un­ gleichmäßige Verformungen des Pumpenkopfes durch Art und Weise der Einspannung zumindest weitgehend vermieden werden. Der Pumpenkopf ist damit auch praktisch allseitig ummantelt und somit vor Beschädigungen von außen gut ge­ schützt.

Die Spannplatte wird hierbei zweckmäßigerweise mittels Fe­ dern, vorzugsweise Tellerfedern, an den Pumpenkopf ange­ drückt. Damit wird unabhängig von einer sich ergebenden axialen Verformung der Einspanndruck weitgehend konstant gehalten. Die Verformungsstabilität und somit auch die Lebensdauer des Pumpenkopfes werden hierdurch vergrößert.

Zugleich begünstigt die Federeinspannung einen dauernd festen Sitz des Pumpengehäuses auf dem Kurbelgehäuse, unabhängig von sich ergebenden Verformungen.

Es erweist sich hierbei auch als zweckmäßig, wenn die Spann­ elemente nachspannbar sind, insbesondere Spannschrauben in ihren Lochungen in Schraubrichtung gegenüber dem Boden der Lochung ein ausreichendes Spiel aufweisen. Auf diese Weise kann die Verspannung auch bei einer gewissen, sich über län­ gere Betriebsdauer hinweg ergebenden Verkürzung des Pumpen­ kopfes, nachjustiert werden.

Damit die Einspannung des Pumpenkopfes durch die Spannplatte nicht durch den Stützmantel blockiert wird, ist es zweck­ mäßig, wenn der äußere Stützmantel an seinem spannplatten­ seitigen Ende einen Abstand zur Spannplatte aufweist.

Spannplatte und Stützmantel bestehen vorzugsweise aus star­ rem Material, insbesondere aus Edelstahl oder aus Aluminium mit ausreichender Wandstärke.

Nachstehend ist die Erfindung mit den ihr als wesentlich zu­ gehörenden Einzelheiten anhand eines Ausführungsbeispieles und der Zeichnungen noch näher beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 eine zum Teil schematisierte Längsschnittdarstellung einer Membranpumpe.

Eine Membranpumpe 1 mit einem Antriebsteil, einem Kurbelgehäuse 3 und einem Pumpenkopf 4, weist einen im Kurbelgehäuse 3 befindlichen Kurbeltrieb 5 auf, der über ein Pleuel 6 mit einer Membrane 7 in Antriebsverbindung steht. Ober­ halb der Membrane 7 befindet sich ein Hubraum 8, der einerseits durch die Membrane 7 und andererseits durch eine Auswölbung 9 des Pumpenkopfes 4 begrenzt ist.

Der Hubraum 8 weist Verbindungskanäle 10 zu den Ventilräumen 11 und 12 auf. Diese Ventilräume 11 und 12 bilden zusammen mit den Ventilkörpern 13 und 14 die Ventile 15 und 16.

Die Kanäle 10 sind so kurz wie möglich, um den Totraum mög­ lichst klein zu halten. Die inneren hubraumseitigen Mündungs­ flächen der Ventilräume 11 und 12 bilden Anschlagflächen 17, 18 für die Ventilkörper 13, 14. Auf den gegenüberliegenden Seiten sind die Ventilräume 11, 12 durch Anschlußstopfen 19, 20 be­ grenzt. Dabei bilden die inneren Stirnflächen 21, 22 der Anschluß­ stopfen 19, 20 die entsprechenden Anschlagflächen für die Ven­ tilkörper 13, 14. Die Anschlußstopfen 19, 20 weisen zentrale Durchgangsbohrungen 23, 24 als Fördermediumeinlaß bzw. Förder­ mediumauslaß auf.

Die Ventile 15 u. 16 sind als Plattenventile ausgebildet. Sie weisen jeweils gleiche plattenförmige Ventilkörper 13 u. 14 mit jeweils einer im wesentlichen flachen Dichtseite 25 auf. Im Randbereich sind zinnenartig auf der jeweils gegenüberlie­ genden Seite Abstandhalter 26 am Umfang gleichmäßig verteilt angeordnet.

Die zinnenartigen Abstandhalter 26 sind so bemessen, daß sich bei Anlage dieser Abstandhalter 26 an einer einen Anschlag bildenden Begrenzungsseite der Ven­ tilräume 11, 12 noch ein genügend großer Durchlaßquerschnitt für das Fördermedium ergibt. Auch der Außendurchmesser der Ventilkörper 13, 14 ist im Vergleich zu dem lichten Quer­ schnitt der Ventilräume 11, 12 so bemessen, daß in jeweili­ ger Durchlaßstellung auch seitlich genügend Durchlaßquer­ schnitt vorhanden ist.

Fig. 1 zeigt dabei den Pumpenkopf in Saugstellung. Das Ventil 16 befindet sich in Offenstellung, während der Ventilkörper 13 des Ventiles 17 mit seiner Dichtseite 25 einen Durchtritt von Fördermedium durch die Durchgangsbohrung 23 verhindert.

Der gesamte Pumpenkopf 4 besteht samt Ventilen 16, 17 aus Polytetra­ fluoräthylen (PTFE), üblicherweise mit "Teflon" bezeichnet. Aufgrund der hohen Wärmeausdehnung des Teflons ergäbe sich bei sehr heißen Gasen, z.B. von über 200°, eine funktions­ beeinträchtigende Vergrößerung der inneren Hohlraumabmes­ sungen. So würde z.B. der Abstand zwischen der Innenfläche 28 der Membrane und der etwa parallelen Gegenfläche 29 bei ho­ her Betriebstemperatur vergrößert. Die dadurch bedingte Hub­ raumvergrößerung würde zu einer Verringerung des Förderdruckes führen. Den gleichen Effekt hätte eine temperaturbe­ dingte Verlängerung der Kanäle 10 des Pumpenkopfes 4. Die Leistungsfähigkeit der Pumpe würde damit wesentlich ver­ ringert. Zugleich würden sich die Ventilräume 11, 12 axial verlängern. Folge hiervon wäre eine Abnahme des volumetri­ schen Wirkungsgrades der Pumpe 1, d.h., es könnte in der gleichen Zeit weniger Gasvolumen gefördert werden.

Um diese Effekte zu verhindern, ist der Pumpenkopf mittels Spannschrauben 30 zwischen einer Spannplatte 31 an seinem axialseitigen Ende 41 und dem Kurbelgehäuse 3 eingespannt. Hierdurch wird die be­ wegungsaxiale Ausdehnung des Pumpenkopfes 4 weitgehend unter­ drückt. Ein gleichmäßiger Druck wird durch Tellerfedern 32 erzielt, die die Spannplatte 31 beaufschlagen.

Unter der hohen Einspannkompression kann es bei längerem Be­ trieb der Pumpe 1 zu einer bleibenden axialen Verkürzung der Ventilräume 11, 12 bzw. des Hubraumes 8 kommen. Dadurch wür­ de einerseits die Ventilfunktion beeinträchtigt, anderer­ seits bestände die Gefahr, daß die Membrane 7 bzw. das Pleuel 6 an die Gegenfläche 29 des Pumpenkopfes 4 anstößt. Aus die­ sem Grunde weist der Pumpenkopf 4 einen äußeren Stützmantel 33 auf, der den Umfang des Pumpenkopfes 4 bewegungslängsseitig umfaßt. Quer zur Bewegungsachse 40 ist ein Dehnungsspiel 34 zwischen Innenwand 35 des Stützmantels 33 und Außenwand 36 des Pum­ penkopfes 4 erkennbar. Der Stützmantel 33 hat die Aufgabe, das Ausweichen des Pumpenkopfmaterials in Querrichtung zu begrenzen und damit einem "Plattdrücken" des Pumpenkopfes 4 durch seine axiale Einspannung entgegenzuwirken. Bei einem unmittelbaren Anliegen des Stützmantels 33 an der Außenwand 36 des Pumpenkopfes bestände jedoch die Gefahr, daß sich das Pumpenkopfmaterial aufgrund des Kompressionsdruckes in die inneren Hohlräume, insbesondere die Ventilräume 11,12 sowie in den Hubraum 8 hinein verformen würde. Dies könnte z.B. zu einem Verklemmen der Ventilkörper 13, 14 in den Ven­ tilräumen 11, 12 führen. Hier schafft das Dehnungsspiel 34 den notwendigen Ausgleich. ln einem gewissen Maße wird eine gleichmäßige radiale Ausdehnung des Pumpenkopfes ermöglicht, jedoch nicht so weit, daß sich hierdurch eine wesentliche bleibende Verformung einstellt. Gleichzeitig wird dadurch praktisch verhindert, daß sich im Inneren des Pumpenkopfes funktionsschädliche Verformungen ergeben. Äußere und inne­ re Verformungen werden somit auf ein Maß begrenzt, welches eine Rückbildung der Verformungen des Pumpenkopfes 4 bei sei­ ner Abkühlung zuläßt. Eine funktionsgefährdende axiale Ver­ kürzung des Pumpenkopfes wird somit auch bei längerer Be­ triebsdauer weitgehend vermieden. Um die Einspannung des Pum­ penkopfes 4 nach längerer Betriebsdauer nachjustieren zu können, weisen die Spannschrauben 30 in ihren Lochungen 37 in Schraubrichtung gegenüber dem Boden 38 der Lochungen ein ausreichendes Spiel 39 auf.

Damit die Einspannung nach einer gewissen Abflachung des Pum­ penkopfes 4 nicht durch den Stützmantel 33 blockiert wird, weist dieser an seinem spannplattenseitigen Ende 42 einen Spannabstand 43 zur Spannplatte 31 auf.

Spannplatte 31 und Stützmantel 33 bestehen wegen der geforder­ ten Festigkeit aus Edelstahl. Möglich wäre hier aber auch eine Verwendung beispielsweise von Aluminium ausreichender Stärke. Die Kombination der Einspannung des Pumpenkopfes 4 entgegen seiner thermischen Axialausdehnung einerseits in Verbindung mit einem Stützmantel 33, der die radiale Ausdehnung des Pumpenkopfes 4 in Grenzen hält, ist besonders vorteilhaft.

Alle vorbeschriebenen und in den Ansprüchen aufgeführten Ein­ zelmerkmale können einzeln oder in beliebiger Kombination mit­ einander erfindungswesentlich sein.

Claims (8)

1. Membranpumpe, insbesondere zur Beförderung von Gasen, mit ei­ nem Membrane und Ventile aufweisenden Pumpenkopf, wobei Pum­ penkopf und Ventile vorzugsweise aus PTFE bestehen, da­ durch gekennzeichnet, daß der Pumpenkopf (4) etwa parallel zur Ventil- bzw. Membranbewegungsachse (40) mit Spann­ elementen (30) versehen ist, die den Pumpenkopf (4) entgegen seiner thermischen Axialausdehnung beaufschlagen.

2. Membranpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenkopf (4) etwa parallel zur Bewegungsachse (40) von einem äußeren Stützmantel (33) vorzugsweise in einem Deh­ nungsabstand (34) umgeben ist, der in kaltem Betriebszustand kleiner oder gleich ist als die im Betriebszustand quer zur Bewegungsachse (40) auftretende maximale Wärmeausdehnung des Pumpenkopfes (4).

3. Membranpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenkopf (4) bei etwa 200° Celsius am Stützmantel (33), gegebenenfalls drucklos oder bei geringem Druck, anliegt.

4. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Spannelemente (30), vorzugsweise Spann­ schrauben, den Pumpenkopf (4) zwischen Kurbelgehäuse (3) und einer den Pumpenkopf (4) an seinem axialseitigen Ende (41) zumindest teilweise überdeckenden Spannplatte (31) ein­ spannen.

5. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Spannplatte (31) mittels Federn (32), vorzugsweise Tellerfedern, an den Pumpenkopf (4) ange­ drückt wird.

6. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Spannelemente (30) nachspannbar sind, insbesondere - vzw. als Spannschrauben ausgebildet - in ihren Lochungen (37) in Schraubrichtung gegenüber dem Bo­ den (38) der Lochung (37) ein ausreichendes Spiel (39) auf­ weisen.

7. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der äußere Stützmantel (3) an seinem spannplattenseitigen Ende (42) einen Spannabstand (43) zur Spannplatte (31) aufweist.

8. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Spannplatte (31) und Stützmantel (33) aus starrem Material, vorzugsweise aus Edelstahl oder Alu­ minium bestehen.