DE4433068C2 - Mehrverdichter-Pumpe mit einer Pleuelvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mehrverdichter-Pumpe mit einer Pleuelvorrichtung.

Membranpumpen sind in Fachkreisen bekannt und werden vornehmlich als Luftpumpen eingesetzt und kommen in vielen Bereichen des täglichen Lebens zum Einsatz, wie zum Beispiel im Automobilbau, als Reifenfüller, bei Gasanalysegeräten, bei medizinischen Geräten und in der Aquanistik.

In Fig. 6 ist der Aufbau einer herkömmlichen Membranpumpe dargestellt. Diese Membranpumpe umfaßt ein Gehäuse 600 und einen Motor 602, der über seine Motorwelle 604 ein Exzenter 606 antreibt. Exzenter 606 ist in einem Lager 608 des Pleuels 610 aufgenommen. Das vom Lager 608 entfernt angeordnete Ende des Pleuels 610 ist über eine Scheibe 612 und eine Schraube 614 mit einer Membran 616 verbunden. Die Membran 616 definiert mit einem unteren Abschnitt des Gehäuses 600 eine Verdichterkammer 618, die über ein Einlaßventil 620, ein Auslaßventil 622 und eine Anschlußplatte 624 mit der Umgebung in Verbindung steht. Die Anschlußplatte 624 ist über eine Dichtung 626 mit dem unteren Teil des Gehäuses 600 verbunden, wobei die Dichtung 626 das Einlaßventil 620 und das Auslaßventil 622 umfaßt, die mit der Dichtung einstückig hergestellt sind.

Aus Gründen der Gewichts- und Leistungseinsparung oder aufgrund der Anwendung in transportablen Geräten geht ein Trend bei Membranpumpen zu einer Miniaturisierung hin. Bei kleiner werdenden Abmessungen verkleinert sich jedoch auch der mögliche Membrandurchmesser, was durch eine höhere Motordrehzahl oder einen größeren Hub kompensiert werden muß, um gleiche Literleistungen wie zuvor zu erreichen. Der Motordrehzahl und dem Hub sind aber sowohl natürliche als auch praktische Grenzen gesetzt.

Der angestrebte hohe Wirkungsgrad und die bei vielen Anwendungen erstrebte pulsationsarme Förderung führt zu einer sogenannten "Mehrverdichter-Pumpe".

Dies ist eine Pumpe mit zwei oder mehr versetzt zueinander angeordneten Verdichterkammern, Membranen, Pleuel usw.. Ein Vorteil dieser Mehrverdichter-Pumpen besteht darin, daß das Drehmoment für den Motor gleichförmiger wird und folglich besser in einem Bereich des maximalen Wirkungsgrades des Motors gehalten werden kann. Um die Herstellung kostengünstiger Pumpen zu ermöglichen, werden die Funktionen mehrerer Teile in einem Teil zusammengefaßt, wodurch die notwendige Teilezahl und der Montageaufwand sinkt. Dies ist bei Mehrverdichter-Pumpen um so notwendiger, da hier die Anzahl der notwendigen Teile entsprechend schnell anwächst.

Bei bekannten Mehrverdichter-Pumpen werden beispielsweise die Membran und das Pleuel aus einem elastomeren Teil hergestellt, die beiden Ventile werden aus einem Stanzteil hergestellt oder die Ventile hängen an der elastomeren Pleuel/Membran-Kombination.

Fig. 7 zeigt eine Darstellung einer bekannten Zweiverdichter-Pumpe. Die in Fig. 7a in einer Querschnittsdarstellung dargestellte Zweiverdichter-Pumpe stellt im Prinzip zwei der in Fig. 6 gezeigten Einfachverdichter dar, die um 180 Grad versetzt auf einer gemeinsamen Motorwelle angeordnet sind. In Fig. 7 sind Elemente der Zweiverdichter-Pumpe, die den Elementen der Pumpe aus Fig. 6 entsprechen, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Die Zweiverdichter- Pumpe in Fig. 7a umfaßt ein Gehäuse 600 und einen Motor 602. Der Motor treibt über seine Welle 604 das Exzenter 606, das in einem ersten und in einem zweiten Lager 708, 710 eines ersten bzw. eines zweiten Pleuels 712, 714 aufgenommen ist. Die dem Motor abgewandten Enden des ersten und zweiten Pleuels 712, 714 sind mit einer ersten bzw. einer zweiten Membran 716, 718 verbunden. Diese Membranen 716, 718 definieren mit dem Gehäuse 600 eine erste und eine zweite Verdichterkammer 720, 722. Eine erste und eine zweite Anschlußplatte 724, 726 sind über eine erste und eine zweite Dichtung 728, 730 mit dem Gehäuse 600 verbunden. Wie bei der Pumpe aus Fig. 6 sind die Eingangs- bzw. Ausgangsventile einstückig mit der Dichtung ausgeführt. Fig. 7b zeigt eine Draufsichtdarstellung der in Fig. 7a beschriebenen Pumpe. Die entsprechenden Elemente dieser Pumpe sind mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 7a bezeichnet.

Wie in Fig. 7 zu sehen ist, werden pro Verdichterkammer 720, 722 Pleuel 712, 714, Membranen 716, 718, Steuerventile und Pleuellager 708, 710 benötigt. Hierdurch wird die Längenabmessung der Pumpe um die Breite der Pleuelkombination vergrößert und der Kraftangriffspunkt für den weiteren Verdichter 714 wandert vom Motorlager weg. Dies führt zu einer höheren Motorlagerbelastung und Biegebelastung der Motorwelle, was sich negativ auf die Lebensdauer des Motors auswirkt und eventuell ein überbestimmtes drittes Motorwellenlager notwendig macht. Ferner nehmen die beiden Pleuel 712, 714 aufgrund des Exzenterhubs während jeder Umdrehung einen sich ständig ändernden Winkel zueinander ein. Aus diesem Grund ist für jedes Pleuel 712, 714 ein Lager 708, 710 notwendig.

In Fig. 8 ist eine weitere Zweiverdichter-Membranpumpe dargestellt, die eine Kurbelschleife aufweist. Diese Pumpe umfaßt ein Gehäuse 600 und einen Motor 602. Ein rotierender, exzentrisch zu der Motorwelle 602 angeordneter Stift 800 bewegt eine Kurbel "hin und her" und gleitet dabei in einer Kurbelschleife 802. Die übrigen Elemente dieser Pumpe entsprechen den Elementen der Pumpe, die anhand von Fig. 7 beschrieben wurde. Pumpen mit Kurbelschleife sind zum Beispiel aus der FR 23 30 884 oder der US-A-1,689,179 bekannt.

Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß auf ein zweites Pleuellager verzichtet werden kann. Allerdings ist eine präzise Passung des Stiftes 800 und der Kurbelschleife 802 notwendig, was zu erhöhten Kosten führt.

Durch die Bewegung des Stiftes in der Kurbelschleife ergibt sich eine Gleitreibung, durch die es zu Verschleißerscheinungen kommt. Hierdurch vergrößert sich das Spiel, wodurch eine höhere Geräuschentwicklung hervorgerufen wird, und sich die pneumatischen Parameter verändern, das heißt, der maximale Druck, die Förderleistung usw. wird abnehmen.

Die DE-37 18 967 A1 beschreibt eine sogenannte Taumelscheiben-Pumpe. Bei dieser bekannten Pumpe rotiert ein schräg gestellter Stift außermittig zur Motorwelle und bewegt dabei ein Pleuel derart, daß zwei oder mehrere im Kreis angeordnete Membranen auf und ab bewegt werden. Der kleine Stiftdurchmesser bei dieser bekannten Pumpe ruft eine große Flächenpressung im Lager hervor, wodurch dieses sehr verschleißanfällig ist.

Die DE 33 40 817 C2 beschreibt eine Pleuel-Kolben-Anordnung für Zylinder­ kolben-Motoren, bei der ein Pleuel, das einen Bereich aufweist, in dem eine Ausnehmung zur Aufnahme einer Achse vorgesehen ist. Dieser Bereich ist über einen Pleuelschaft mit einem Kolbenboden verbunden.

Die Veröffentlichung "Konstruktionselemente der Feinmechanik", Prof. Dr. Werner Krause, 2, Auflage, 1993, Carl-Hanser Verlag München-Wien, zeigt Ausführungen von verschiedenen bekannten Gelenken.

Die DE 30 49 733 C2 beschreibt einen Hubantrieb einer Flüssigkeitskolbenpumpe, bei der ein Steg mittig ein Lagerteil für eine Exzenterwelle bildet. Dieser Steg ist über elastische Arme mit einem Rahmen verbunden, an dem eine Kolbenstange befestigt ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Mehrverdichter-Pumpe mit einer kostengünstigen, klein bauenden Pleuelvorrichtung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Mehrverdichter-Pumpe-Pleuel nach Anspruch 1 gelöst.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß eine Mehrverdichter-Pumpe realisiert wird, die einen guten Wirkungsgrad aufweist und durch die Zusammenfassung von verschiedenen Funktionen eine minimierte Anzahl von Teilen hat.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Abmessungen erfindungsgemäßen Pumpe mit der Pleuelvorrichtung klein gehalten werden können, und daß die Belastung der Motorwelle und des Lagers geringer sind, was sich positiv auf die Lebensdauer der Pumpe auswirkt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung schafft die vorliegende Erfindung eine einstückige Pleuel/Membran-Kombination, durch die die Anzahl der notwendigen Bauteile erheblich gesenkt werden kann, was zu einem einfacheren Montageprozeß, geringeren Montagezeiten und zu geringeren Teilekosten führt. Durch den einfacheren Montagevorgang ergeben sich weniger Fehlermöglichkeiten und das Qualitätsniveau steigt. Weiterhin reduziert sich dadurch der Aufwand für die Logistik (Einkauf, Lagerhaltung usw.), wodurch sich ein kostengünstiges Produkt ergibt.

Bevorzugte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Anhand der beiliegenden Zeichnungen werden im folgenden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung des Funktionsprinzips der Pleuelvorrichtung;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Pleuelvorrichtung;

Fig. 3 eine Schnittdarstellung einer Zweiverdichter-Pumpe, die die Pleuelvorrichtung verwendet;

Fig. 4 eine Auslenkung der Pleuelvorrichtung im Betrieb;

Fig. 5a bis 5c verschiedene Ausführungsbeispiele des Scharnierbereichs;

Fig. 6 eine herkömmliche Membranpumpe;

Fig. 7a und 7b eine Querschnitts- bzw. Draufsichtdarstellung einer bekannten Zweiverdichter-Pumpe; und

Fig. 8 eine Draufsichtdarstellung einer Zweiverdichter-Pumpe mit Kurbelschleife.

Bevor im folgenden anhand der beiliegenden Figuren ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben wird, wird anhand von Fig. 1 das Funktionsprinzip der vorliegenden Erfindung näher erläutert.

In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Pleuelvorrichtung gezeigt. Die Pleuelvorrichtung weist einen Mittelbereich 100 sowie Schubbereiche 102, 103 auf. Zwischen dem Mittelbereich 100 und den Schubbereichen 102, 103 sind Bereiche 104 gebildet, die als Scharniere wirken und eine erforderliche Auslenkung ermöglichen. Hierdurch ist lediglich ein Lager 106 auf der Motorwelle zur Aufnahme eines Exzenters erforderlich. Die Drehrichtung ist durch den Pfeil 108 angezeigt.

Eine erste Membran 110 des ersten Verdichters V1 und eine zweite Membran 112 des zweiten Verdichters V2 stellen im wesentlichen eine Geradführung dar.

Beim Verdichten (dargestellt durch den Pfeil 114) im Verdichter V1 wird durch eine Kraft F über den Schubbereich 102 und den wirksamen Hebelarm h ein Drehmoment M erzeugt. Der zweite Verdichter V2 saugt an (dargestellt durch den Pfeil 116), so daß über den Schubbereich 103 eine Zugkraft FZ wirkt, die ein Drehmoment mit gleichem Drehsinn erzeugt.

Um zu verhindern, daß sich das Mittelstück 100 um das Lager 106 dreht, müssen die Scharniere 104 bei einer Auslenkung Rückstellkräfte erzeugen.

Will sich das Mittelstück 100 drehen, dann wird auf der Verdichterseite 114 ein Winkel α 118 und die Rückstellkraft größer, wohingegen auf der Ansaugseite 116 der Winkel β 120 und die Rückstellkraft kleiner wird. Dies wirkt der Drehung des Mittelbereichs 100 entgegen und führt dazu, daß das Pleuel bestrebt ist, auf beiden Seiten gleiche Winkel 118, 120 einzustellen. Dies ist für die Verdichtungsverhältnisse sehr wichtig, da sich, wenn sich das Mittelstück 100 drehen würde, der Totpunkt verschieben würde, so daß das Verdichtungs­ verhältnis und damit die Förderleistung und der maximale Druck sinken würden.

Zusätzlich kann die maximale Auslenkung der Schubstücke 102, 103 auf ein für die Funktionalität notwendiges Maß derart begrenzt sein, daß die Rückstellkräfte überproportional mit der Auslenkung anwachsen, was das Bestreben, gleiche Winkel einzustellen, unterstützt.

Es wird darauf hingewiesen, daß der Einfluß der Drehmomente, die aufgrund der Rückstellkräfte auf den Antrieb der Pumpe wirken, unerheblich ist, da die größten Kräfte dann auftreten, wenn der entsprechende wirksame Hebelarm bezüglich der Motorwelle Null ist.

Ein solches Verhalten kann zum Beispiel durch die Wahl eines entsprechenden Werkstoffs, der Formgebung oder beidem erreicht werden.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dient als Werkstoff zum Beispiel Kautschuk, der aufgrund seiner elastomeren Eigenschaften die Funktion der Membran, der Ventile, der Dichtung und der Scharniere ermöglicht, aber entsprechend dimensioniert steif genug ist, um als Pleuel Kräfte zu übertragen.

Gemäß dem vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das Pleuel bzw. die Membran/Pleuel-Kombination einstückig ausgeführt werden, was zu einer erheblichen Reduzierung der Teilezahl und der Kosten führt.

Anhand der Fig. 2 und 3 wird nun ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. In den Fig. 2 und 3 sind Elemente, die denen aus Fig. 1 entsprechen, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.

In Fig. 2 ist eine Pleuel/Membran-Kombination für eine Zweiverdichter-Pumpe dargestellt.

Die Kombination umfaßt den Mittelbereich 100, die Schubbereiche 102, 103 und die Scharniere 104.

Wie zu erkennen ist, sind bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Scharnierbereiche durch Stege 122 gebildet.

Der Mittelbereich weist eine Aufnehmung 124 zur Aufnahme des Pleuellagers für das Exzenter der Zweiverdichter-Pumpe auf.

Ferner umfaßt die Pleuel/Membran-Kombination die erste Membran 110, die zweite Membran 112, die ersten Steuerventile 126 und die zweiten Steuerventile 128. Hier sind das Pleuel, die Membranen und die Steuerventile einstückig ausgeführt.

Es ist offensichtlich, daß abhängig von einer Anzahl von verwendeten Verdichtern die Schubbereiche 102, 103, die Scharnierbereiche 104, die Membranen 110, 112 und die Steuerventile 126, 128 mehrfach vorhanden sein können.

Fig. 3 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Zweiverdichter-Pumpe, die die in Fig. 2 beschriebene Pleuel/Membran-Kombination verwendet.

Diese Zweiverdichter-Pumpe umfaßt ein Gehäuse 130, das die entsprechenden Ausnehmungen zur Aufnahme der Pleuel/Membran-Kombination und des Motors 132 aufweist.

Der Motor umfaßt eine Welle, auf der ein Exzenter 136 angeordnet ist, das in dem Lager 106 der Pleuel/Membran-Kombination aufgenommen ist.

Verdichterkammern sind durch jeweils einen auf dem Gehäuse 130 angeordneten Verdichterdeckel 137, 138 und durch die Membranen 110, 112 gebildet.

Fig. 4 zeigt die Pleuel/Membran-Kombination aus Fig. 2 und 3 bei einer maximalen Auslenkung. In dieser Fig. ist die Wirkungsweise der Scharniere 104 und die oben beschriebene Begrenzung des Auslenkwinkels deutlich zu erkennen. Neben der Werkstoffwahl (Härtegrad), die einen entscheidenden Einfluß auf die Funktion der Membran 110, 112 und der Steuerventile 126, 128 hat, und durch die keine allzugroßen Freiheitsgrade hergeleitet werden können, kann durch eine entsprechende Gestaltung der Form der Scharniere 104 die Rückstellkraft und deren Verlauf eingestellt werden.

Diese Ausgestaltung der Form der Scharniere wird nun anhand der Fig. 5a bis 5c genauer beschrieben.

In Fig. 5a ist der Scharnierbereich 104 mit einem schmalen Steg 122 ausgeführt, wodurch sich ein flacher Verlauf der Rückstellkräfte ergibt.

In Fig. 5b ergibt sich aufgrund der breiteren Ausgestaltung des Steges 122 ein steilerer Verlauf der Rückstellkräfte.

In Fig. 5c sind zusätzlich zu dem Steg 122, der durch sogenannte Kerbbereiche definiert ist, Anschläge 140 in diesen Kerbbereichen vorgesehen, die bewirken, daß ab einem bestimmten Auslenkwinkel eine zusätzliche Kraft zur elastischen Verformung notwendig wird, da sich die Anschläge 140 berühren und der Verlauf der Rückstellkräfte überproportional anwächst.

Es ist offensichtlich, daß anstelle des für das bevorzugte Ausführungsbeispiel verwendeten Kautschukmaterials andere elastomere Materialien verwendet werden können, die die oben beschriebenen Eigenschaften aufweisen.

Weiterhin ist es offensichtlich, daß die Anzahl der Schubbereiche und die Anzahl der damit verbundenen Scharnierbereiche nicht auf zwei beschränkt ist, sondern daß mehrere dieser Schubbereiche und Scharnierbereiche vorgesehen sein können.

Claims (6)

1. Mehrverdichter-Membranpumpe, mit zumindest zwei Membranbereichen (110, 112), die über eine Pleuelvorrichtung miteinander verbunden sind, wobei die Pleuelvorrichtung folgende Merkmale umfaßt:

• 1. - einen Mittelbereich (100), der in seiner Hauptoberfläche eine Ausnehmung zur Aufnahme eines Exzenter-Lagers (106) für einen Antrieb der Mehrverdichter-Membranpumpe aufweist;
• 2. - zumindest zwei Schubbereiche (102, 103), die jeweils mit einem der Membranbereiche verbunden sind; und
• 3. - jeweils einen zwischen dem Mittelbereich (100) und einem der Schubbereiche (102, 103) angeordneten Scharnierbereich (104), der derart angeordnet ist, daß bei einer Auslenkung des Schubbereichs (102, 103) gegenüber dem Mittelbereich (100) durch den Scharnierbereich (104) Rückstellkräfte erzeugt werden.

2. Mehrverdichter-Membranpumpe nach Anspruch 1, bei der der Mittelbereich, die Schubbereiche und der Scharnierbereich aus einem elastomeren Material hergestellt ist.

3. Mehrverdichter-Membranpumpe nach Anspruch 2, bei der das elastomere Material Kautschuk ist.

4. Mehrverdichter-Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Scharnierbereich (104) als Steg (122) ausgebildet ist.

5. Mehrverdichter-Membranpumpe nach Anspruch 4, bei der Kerbbereiche, die den Steg (122) festlegen, Anschläge (140) zur Begrenzung der Auslenkung des Schubbereichs (102, 103) gegenüber dem Mittelbereich (104) aufweisen.

6. Mehrverdichter-Membranpumpe mit Steuerventilbereichen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Membranbereiche (110, 112) und die Steuerventilbereiche (124, 126) aus demselben Material wie der Mittelbereich, die Schubbereiche und der Scharnierbereich bestehen und mit den Schubbereichen einstückig hergestellt sind.