DE3631746C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Membranpumpe, insbe­ sondere zur Beförderung von Gasen, mit einem eine Membrane und Ventile aufweisenden Pumpenkopf, wobei Pumpenkopf und Ventile aus PTFE oder dgl. chemisch inertem Werkstoff bestehen und der Pumpenkopf etwa parallel zur Ventil- bzw. Membranbewegungsachse ent­ gegen seiner thermischen Axialausdehnung mit Hilfe von Spannschrauben beaufschlagt ist.

Solche Membranpumpen sind bekannt. Sie weisen jedoch den Nachteil auf, daß sie aufgrund der Wärmeausdehnung des PTFE-Materiales und der damit verursachten Funk­ tionsstörung hohe Temperaturen nicht oder nur bei sehr kurzer Lebensdauer aushalten können. Aus diesem Grunde konnten bisher heiße Gase mit der Pumpe nicht unmittel­ bar gefördert werden. Es wurde deshalb 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 besteht je­ doch die Gefahr, daß das Rauchgas für Analysezwecke un­ brauchbar wird und vor allem Wasser auskondensiert, welches gelegentlich in die Pumpe gerät und diese dann stark belastet oder gar beschädigt, weil z. B. die Ventile nicht mehr richtig dichten oder die Membrane nicht mehr wie vorgesehen schwingen können.

Da solche Membranpumpen vorzugsweise zur Beförderung von Rauchgasen von ca. 200°Celsius, insbesondere von einer Abgasstelle zu einem Analysegerät, dienen sollen, wäre es nachteilig, statt PTFE, welches z. B. unter dem Marken­ namen "Teflon" bekannt ist, andere Materialien für den Aufbau des Pumpenkopfes zu verwenden. Denn Teflon (PTFE) be­ sitzt für diesen Zweck vorteilhafte physikalische und vor allem chemische Eigenschaften. Insbesondere weist dieses Material eine hohe chemische Neutra­ lität auf, so daß die vorbeiströmenden Medien prak­ tisch nicht durch chemische Reaktion mit dem Pumpen­ material vor dem Analysegerät verfälscht werden.

Aus der US-PS 42 52 510 ist eine Membranpumpe zur Beförderung von Gasen mit einem eine Membrane und Ventile aufweisenden Pumpenkopf bekannt, wobei der Pumpenkopf und die Ventile aus PTFE oder dgl. che­ mich inertem Werkstoff bestehen, und der Pumpenkopf etwa parallel zur Ventil- bzw. Membranbewegungsachse entgegen seiner thermischen Axialausdehnung mit Hilfe von Spannschrauben beaufschlagbar ist.

Eine derartige bekannte Membranpumpe weist jedoch den Nachteil auf, daß die Spannschrauben nicht geeignet sind, den im Betriebsbereich zu merkbaren Wärmeaus­ dehnungen neigenden Pumpenkopf an übermäßigen axialen Ausdehnungen zu hindern, um damit eine unerwünscht große Ausdehnung des der Membran zur Verfügung stehenden Hubraumes zu vermeiden und einen dadurch bedingten Lei­ stungsabfall der Pumpe zu verhindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige verbesserte Membranpumpe zur Beförderung von Gas zu schaffen, bei der eine Kühlung nicht erforderlich ist und bei der der zu merkbaren Wärmeausdehnung neigende Pumpenkopf bei Erwärmung gemäß Betriebszustand an einer axialen Ausdehnung weitgehend gehindert wird, so daß der Pumpenkopf seine Form ausreichend beibehält.

Die Aufgabe wird durch die Kennzeichnung der Merkmale des Anspruches 1 gelöst, wobei weitere Ausgestaltungen durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 2 bis 7 gelöst werden.

Durch die Einspannung des Pumpenkopfes entgegen seiner thermischen Axialausdehnung, also entgegen seiner Ausdehnung in den Bewegungsrichtungen der Membrane bzw. der Ventile gemäß Anspruch 1, wird die bei der Erwärmung des Pumpenkopfes durch hin­ durchströmende heiße Gase gewöhnlich auftretende Axialausdehnung praktisch unterdrückt. Damit wird eine unerwünschte Ausdehnung des der Membran zur Verfügung stehenden Hubraumes weitgehend vermieden. Eine solche Vergrößerung des Hubraumes würde die er­ reichbare Kompression des Gases mindern und somit die Leistungsfähigkeit der Pumpe nicht unwesentlich verringern. Zugleich würde sich das Ventilspiel ver­ größern und damit die Ventilfunktion beeinträchtigen. Folge hiervon wäre eine Abnahme des volumetrischen Wirkungsgrades der Pumpe, d. h., es könnte in der gleichen Zeit weniger Gasvolumen gefördert werden. So würden sich in der Summation beider Effekte so­ wohl der Pumpendruck wie auch die geförderte Gasmenge erheblich verringern. Diese Nachteile werden durch die bewegungsaxiale Einspannung des Pumpenkopfes weitgehend vermieden.

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

Es gehört deshalb noch zur Erfindung, daß der Pumpen­ kopf auch noch etwa parallel zur Bewegungsachse der Membrane bzw. der Ventile von einem äußeren Stützmantel in einem Abstand umgeben ist, der in kaltem Zustand kleiner oder gleich ist als die quer zur Bewegungsrichtung auftretende maximale Wärme­ ausdehnung des Pumpenkopfes.

Die Ummantelung des Pumpenkopfes verhindert hier eine vor allem nach längerer Betriebsdauer mögliche Verformung des Pumpenkopfes durch übermäßige radiale Ausdehnung bei gleichzeitig axialer Schrumpfung. Der Stützmantel dient also dazu, einem gegebenenfalls übermäßig radialem Ausweichen des Pumpenkopfes unter dem axialen Einspanndruck zu begegnen. Denn durch eine solche Verformung bestände die Gefahr, daß sowohl der für die Membrane verfügbare Hubraum wie auch das not­ wendige Ventilspiel verkürzt würde. Im extremen Fall könnte die Pumpe hierdurch, z. B. durch ein Anschlagen des Pleuels bzw. der Membrane im Verdichtungsraum oder durch einen Ausfall der Ventilfunktion, funktionsun­ fähig werden.

Eine zweckmäßige Weiterbildung besteht darin, daß der Pumpenkopf bei etwa 200°C am Stütz­ mantel gegebenenfalls drucklos oder bei geringem Druck anliegt. Eine völlige Unterbindung der Dehnung in Quer­ richtung würde bei dem vorgesehenen Werkstoff PTFE da­ zu 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 vorteilhaft, die Wärmeausdehnung zumindest zu einem gewissen teil in radiale Richtung und damit in praktisch gleichmäßiger, radialer Streckung der inneren Struktur des Pumpenkopfes zuzulassen. Diese Verformung wird jedoch so begrenzt, daß funktionsbeeinträchtigen­ de, bleibende Verformungen mit den oben bezeichneten Folgen praktisch vermieden werden. Durch diese axiale und radiale Verformungsbegrenzung, die auch die Verformung nach innen in Grenzen hält, können sich beim Heiß-Betrieb verursachte Verformungen, vor allem im Inneren der Pumpe, beim Abkühlen wieder soweit zurück­ bilden, daß der PTFE-Pumpenkopf trotz zahlreicher Wärmebelastungswechsel eine lange Lebensdauer hat.

Es ist vorteilhaft, wenn gemäß den Merkmalen des Anspruches 3 die Spannelemente den Pumpenkopf axial gegen das Kurbelgehäuse verspannen. Dadurch ergibt sich ein gleichmäßiger axialer Einspanndruck, so daß ungleichmäßige Verformungen des Pumpenkopfes durch die Art und Weise der Einspannung zumindest weit­ gehend vermieden werden. Der Pumpenkopf ist damit auch praktisch allseitig ummantelt und somit vor Beschädigungen von außen gut geschützt.

Die Spannplatte kann zweckmäßigerweise hierbei gemäß den Merkmalen des Anspruches 4 unter Zwischenschaltung von Federn an den Pumpenkopf angedrückt sein. Damit wird un­ abhängig von einer sich ergebenden axialen Verformung der Einspanndruck weitgehend konstant gehalten. Die Verformungsstabilität und damit 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 ist hierbei zweckmäßig, wenn die Spannelemente ge­ mäß den Merkmalen des Anspruches 5 nachspannbar sind und insbesondere - vorzugsweise aus Spannschrauben aus­ gebildet - in ihren Lochungen in Schraubrichtung gegen­ über dem Boden der Lochung ein ausreichendes Spiel auf­ weisen.

Auf diese Weise kann die Verspannung auch bei einer gewissen, sich über längere Betriebsdauer hinweg erge­ benden Verkürzung des Pumpenkopfes nachjustiert werden.

Damit die Einspannung des Pumpenkopfes durch die Spannplatte nicht durch den Stützmantel blockiert wird, ist es gemäß den Merkmalen des Anspruches 6 zweckmäßig, wenn die Spannplatte den äußeren Stütz­ mantel radial überragt und dieser an seinem spann­ plattenseitigen Ende einen Spannabstand zur Spann­ platte aufweist.

Die Spannplatte und der Stützmantel bestehen gemäß den Merkmalen des Anspruches 7 vorzugsweise aus star­ rem Material, insbesondere aus Edelstahl oder aus Aluminium mit ausreichender Wandstärke.

Nachstehend ist die Erfindung mit den ihr als wesent­ lich zugehörenden Einzelheiten anhand eines Ausführungs­ beispieles in der Zeichnung näher beschrieben.

Die einzige Figur zeigt eine schematisierte Längsschnitt­ darstellung einer Membranpumpe.

Eine Membrampumpe 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 Antriebs­ verbindung steht. Oberhalb der Membrane 7 befindet sich ein Hubraum 8, der einerseits durch die Membrane 7 und andererseits durch eine Auswölbung 9 des Pumpen­ kopfes 4 begrenzt ist. Der Hubraum weist Verbindungskanäle 10 zu den Ventil­ räumen 11 und 12 auf. Diese Ventilräume 11 und 12 bil­ den zusammen mit den Ventilkörpern 13 und 14 die Ven­ tile 15 und 16.

Die inneren hubraumseitigen Mündungsflächen der Ventil­ räume 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 begrenzt. Dabei bilden die inneren Stirnflächen 21, 22 der Anschlußstopfen 19, 20 die entsprechenden Anschlag­ flächen für die Ventilkörper 13, 14. Die Anschlußstopfen 19, 20 weisen zentrale Durchgangsbohrungen 23, 24 als Fördermediumeinlaß bzw. Fördermediumauslaß auf.

Die Ventile 15 u. 16 sind als Plattenventile jeweils mit einer im wesentlichen flachen Dichtseite 25 ausgebildet.

Die Zeichnung zeigt dabei den Pumpenkopf 4 in Saug­ stellung. 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 Polytetrafluoräthylen (PTFE), auch mit den Handels­ namen "Teflon" bezeichnet. Aufgrund der hohen Wärmeaus­ dehnung des Teflons ergäbe sich bei sehr heißen Gasen z. B. von über 200°, eine funktionsbeeinträchtigende Vergrößerung der inneren Hohlraumabmessungen. So würde z. B. der Abstand zwischen der Innenfläche 28 der Mem­ brane 7 und der etwa parallelen Gegenfläche 29 bei hoher Betriebstemperatur vergrößert. Die dadurch bedingte Hubraumvergrößerung würde zu einer Verringerung des Förderdruckes führen. Den gleichen Effekt hätte eine temperaturbedingte Verlängerung der Kanäle 10 des Pum­ penkopfes 4. Die Leistungsfähigkeit der Pumpe 1 würde damit wesentlich verringert. Zugleich würden sich die Ventilräume 11, 12 axial verlängern. Folge hiervon wäre eine Abnahme des volumetrischen Wirkungsgrades der Pumpe 1, d. h. es könnte in der gleichen Zeit weniger Gasvolumen gefördert werden.

Es gehört mit zur Erfindung, daß zum Verhindern dieser Effekte der Pumpenkopf 4 mittels Spannschrauben 30 zwischen einer Spannplatte 31 an seinem axialseitigen Ende 41 und dem Kurbelgehäuse 3 eingespannt ist. Hierdurch wird die bewegungsaxiale Ausdehnung des Pumpenkopfes 4 weitgehend unterdrückt. Ein gleich­ mäßiger Druck wird durch Tellerfedern 32 erzielt, die die Spannplatte 31 beaufschlagen.

Unter der hohen Einspannkompression kann es bei längerem Betrieb der Pumpe 1 zu einer bleibenden axialen Verkürzung der Ventilräume 11, 12 bzw. des Hubraumes 8 kommen. Da­ durch würde einerseits die Ventilfuntion beeinträchtigt, andererseits bestände die Gefahr, daß die Membrane 7 bzw. der Pleuel 6 an die Gegenfläche 29 des Pumpenkopfes 4 anstößt. Deshalb gehört weiterhin mit zur Erfindung, daß der Pumpenkopf 4 einen äußeren Stützmantel 33 aufweist, der den Umfang des Pumpenkopfes 4 bewegungslängsseitig umfaßt. Quer zur Bewegungsachse 40 ist ein Dehnungsspiel 34 zwischen Innenwand 35 des Stützmantels 33 und Außen­ wand 36 des Pumpenkopfes 4 erkennbar. Der Stützmantel 33 hat die Aufgabe, das Ausweichen des Pumpenkopfmate­ rials 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 Ventilräu­ me 11, 12 sowie in den Hubraum 8 hinein verformen würde. Dies könnte z. B. zu einem Verklemmen der Ventilkörper 13, 14 in den Ventilräumen 11, 12 führen. Hier schafft das Dehnungsspiel 34 den notwendigen Ausgleich. In einem gewissen Maße wird eine gleichmäßige radiale Aus­ dehnung des Pumpenkopfes ermöglicht, jedoch nicht so weit, daß sich hierdurch eine wesentliche bleibende Verformung einstellt. Gleichzeitig wird dadurch prak­ tisch verhindert, daß sich im Inneren des Pumpenkopfes funktionsschädliche Verformungen ergeben. Äußere und innere Verformungen werden somit auf ein Maß begrenzt, welches eine Rückbildung der Verformungen des Pumpen­ kopfes 4 bei seiner Abkühlung zuläßt. Eine funktionsge­ fährdende axiale Verkürzung des Pumpenkopfes wird so­ mit auch bei längerer Betriebsdauer weitgehend vermieden. Um die Einspannung des Pumpenkopfes 4 nach längerer Be­ triebsdauer nachjustieren zu können, weisen die Spann­ schrauben 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 Pumpenkopfes 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 geforderten Festigkeit aus Edelstahl. Möglich wäre hier aber auch eine Verwendung beispielsweise von Aluminium ausreichender Stärke. Die Kombination der Einspannung des Pumpenkopfes 4 entgegen seiner ther­ mischen Axialausdehnung einerseits in Verbindung mit einem Stützmantel 33, der die radiale Ausdehnung des Pumpenkopfes 4 in Grenzen hält ist besonders vorteil­ haft.

Die Seitenquerschnittsabmessungen von Pumpenkopf 4 und Stützmantel 33 sind so aufeinander abgestimmt, daß der Pumpenkopf 4 bei 200°C drucklos oder nur mit geringeren Druck zur Anlage kommt. Die axialen Spannelemente für den Pumpenkopf 4, die als Spannschrauben 30 ausgebildet sind und nachgespannt werden können, haben in ihren Lochungen 37 ein ausreichendes Spiel 39, das entsprechende Querbewegungen beim Werkstoff des Pumpenkopfes zuläßt. Die Spannplatte 31 überragt den äußeren Stützmantel 33 radial. Außerdem überragt der Pumpenkopf 4 seinen Stütz­ mantel 33 in axialer Richtung, so daß sich am spann­ plattenseitigen Ende 42 des Pumpenkopfes 4 ein Spann­ abstand 43 zur Spannplatte 31 ergibt.

Claims (7)

1. Membranpumpe, insbesondere zur Beförderung von Gasen, mit einem eine Membrane und Ventile aufweisenden Pumpen­ kopf, wobei Pumpenkopf und Ventile aus PTFE oder dgl. chemisch inertem Werkstoff bestehen und der Pumpenkopf (4) etwa parallel zur Ventil- bzw. Membranbewegungsachse (40) entgegen seiner thermischen Axialausdehnung mit Hilfe von Spannschrauben beaufschlagt ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Pumpenkopf mittels einer ihn zumindest teilweise überdeckenden Spannplatte (31) einge­ spannt sowie etwa parallel zur Membranbewegungsachse (40) von einem äußeren Stützmantel (33) in einem Abstand (34) umgeben ist, der in kaltem Betriebszustand kleiner oder etwa gleich als die im Betriebszustand quer zur Bewegungs­ achse (40) auftretende maximale Wärmeausdehnung des Pum­ penkopfes (4) ist.

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

3. Membranpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spannplatte (31) den Pumpenkopf (4) axial gegen das Kurbelgehäuse (3) verspannt.

4. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannplatte (31) unter Zwischenschaltung von Federn (32), vorzugsweise Tellerfedern, an den Pumpenkopf (4) angedrückt ist.

5. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannelemente (30) nachspannbar sind und insbesondere - vorzugsweise als Spannschrauben ausgebildet - in ihren Lochungen (37) in Schraubrichtung gegenüber dem Boden (38) der Lochung (37) ein ausreichendes Spiel (39) aufweisen.

6. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannplatte (31) den äußeren Stützmantel (33) radial überragt und dieser an seinem spannplattenseitigen Ende (42) einen Spann­ abstand (43) zur Spannplatte (31) aufweist.

7. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Spannplatte (31) und Stützmantel (33) aus starrem Material, vorzugsweise aus Edelstahl oder Aluminium bestehen.