DE69403913T2

DE69403913T2 - Pumpendiaphragma

Info

Publication number: DE69403913T2
Application number: DE69403913T
Authority: DE
Inventors: John Connelly; William Delaney; Fred Sicker
Original assignee: WL Gore and Associates Inc
Current assignee: WL Gore and Associates Inc
Priority date: 1993-06-14
Filing date: 1994-03-22
Publication date: 1997-10-02
Anticipated expiration: 2014-03-23
Also published as: EP0704024A1; WO1994029594A1; AU7136294A; CA2160023C; WO1994029593A1; US5349896A; EP0704024B1; AU6549094A; DE69403913D1; CA2160023A1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Membranen für druckbetätigte Pumpen.

Hintergrund der Erfindung

Membranpumpen werden in großem Umfang zum Pumpen unterschiedlichster Stoffe insbesondere dann eingesetzt, wenn die Stoffe stark abrasiv sind, eine hohe Viskosität besitzen oder aus Schlämmen bestehen, die möglicherweise andere Arten von Pumpen beschädigen. Solche Pumpen werden häufig mit Luft angetrieben, was beim Pumpen von entflammbaren Flüssigkeiten oder beim Pumpen in Umgebungen vorteilhaft ist, in denen ansonsten eine elektrisch angetriebene Anlage gefährlich wäre. Allerdings finden elektrisch oder anderweitig mechanisch angetriebene Ausgestaltungen ebenfalls weite Verbreitung. Aufgrund der vielfältigen Natur diverser Stoffe, zu deren Bewegung diese Pumpen eingesetzt werden, wird eine entsprechend große Vielfalt von Stoffen für ihren Bau verwendet. Diese Stoffe beinhalten Kunststoffe und Metalle. Aus dem gleichen Grund muß das kritische Antriebsglied, das heißt die Pumpenmembran, aus einer Vielfalt von Werkstoffen hergestellt werden.
Die FR-A-2 418 352 und die FR-A-2 482 674 offenbaren Membranpumpen mit Membranen aus Elastomerschichten und Spritzguß-Kunststoffteilen. Die Membranpumpe nach der FR-A-2 418 352 besitzt sich radial erstrekkende Rippen, die auf der Elastomer-Membran ausgebildet sind, um die Dickenverringerung der Membran zwischen benachbarten Rippen zu dem Zweck zu ermöglichen, daß die Membran sich ähnlich wie ein Regenschirm verformen kann. Im Gegensatz dazu ist die Spritzguß-Membran gemäß der FR-A-2 482 674 mit sich radial erstreckenden Nuten auf ihrer Innenseite und ihrer Außenseite ausgestattet, um den Ablauf von gepumpten Fluid zu erleichtern.
In speziellen Fällen werden chemisch beständige Schichten, beispielsweise aus Polytetrafluorethylen (PTFE) als Material für die Pumpenmembran eingesetzt. Diese chemisch beständigen Schichten werden in großem Umfang in der Industrie mit dem Zweck eingesetzt, empfindliche Maschinen- oder Anlagenteile vor korrosiven Einflüssen von Säuren oder anderen Chemikalien zu schützen. Ein derartiger Einsatz von ein- oder zweiteiligen Pumpenmembranen erfolgt üblicherweise bei Luft- oder elektrisch angetriebenen Membranpumpen. Bei den zweiteiligen Membranen wird eine äußere PTFE-Auflagemembran üblicherweise dazu benutzt, eine innere Gummimembran vor solchen Stoffen zu schützen, die ansonsten zu einem raschen Ausfall lediglich des Gummiteils führen würden. In einigen anderen Fällen stellt das PTFE das einzige Baumaterial dar.
In sämtlichen Fällen führt das wiederholte Durchbiegen der Membran schließlich zu einem Ausfall der PTFE- oder der Gummimembran. Weil PTFE leichter ermüdet als üblicherweise verwendete Gummis, beispielsweise Neopren, fällt in solchen Fällen, in denen eine aus zwei Teilen bestehende Membran verwendet wird, als erstes normalerweise die PTFE-Membran aus. Wenn die Membran ausfällt, zeigt sie häufig einen radial verlaufenden Riß.
Es ist deshalb vorteilhaft, den Membranteil in der Weise auszubilden, daß die Spannung in dem Teil minimiert wird, wo sie sich normalerweise beim Betrieb einstellt. Bei einem Versuch zum Minimieren der Spannung lehrt die US-A-4 238 992 von Tuck, daß eine PTFE-Membran derart ausgebildet werden kann, daß sie eine Reihe von konzentrischen Rippen aufweist, die gleichförmig über die Druckaufnahmeseite beabstandet angeordnet sind. Diese Ausgestaltung scheint Spannungen zu verringern. Wünschenswert wäre es jedoch, Pumpenmembranen derart auszugestalten, daß Spannungen mit anderen Mitteln verringert werden.

Offenbarung der Erfindung

Überraschender Weise wurde nun festgestellt, daß, wenngleich flexible Membranen normalerweise durch radiale Rißbildungen ausfallen, die Durchbiege-Lebensdauer beträchtlich dadurch gesteigert werden kann, daß man den Teil so formt, daß er eine Anzahl radialer Rippen oder Kanäle enthält, die über einen im allgemeinen ringförmigen Biegebereich der Membran verlaufen, das heißt von der Nähe des Zentrums zur Nähe des Außenumfangs. Wenngleich von diesen Stellen angenommen wurde, daß sie als Schwachstellen wirken, und obschon die Konstruktion der Lehre des oben erwähnten Patents von Tuck zuwiderläuft, zeigen Membranen mit radialen Rippen oder Rinnen viel geringere Neigung, im Betrieb radialer Risse zu bilden, und besitzen daher im Einsatz eine längere Lebensdauer.
Bei einer flexiblen Pumpenmembran mit einer Mittelöffnung zur Aufnahme einer Kolbenstange und mit einem etwa ringförmigen Biegeabschnitt, der eine konkave Gestalt auf der Druckaufnahmeseite bilden kann, läßt sich die Erfindung also beschreiben als eine Mehrzahl von radial angeordneten Mitteln auf einer Oberfläche der Membran zum Abbauen von auf die Membran einwirkender Biegespannung, wobei diese Mittel über dem ringförmigen Biegeabschnitt angeordnet sind, und wobei die Mittel mehrere im allgemeinen gleichförmig beabstandete Rippen aufweisen, die sich radial über zumindest einen Abschnitt des ringförmigen Biegeabschnitts nach außen erstrecken. Die Rippen befinden sich auf der konvexen Seite.
Bei einer anderen Ausführungsform können anstelle der Rippen die radial verlaufenden Mittel mehrere etwa gleichförmig beabstandete Rinnen aufweisen, die sich über zumindest einen Abschnitt des ringförmigen Biegeabschnitts radial nach außen erstrecken. Allerdings ist diese Ausführungsform nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine dreidimensionale, perspektivische Ansicht einer flexiblen Pumpenmembran gemäß der Erfindung bei Betrachtung von deren konvexer Seite her.
Fig. 2 zeigt eine weitere dreidimensionale, perspektivische Ansicht einer Membran bei Betrachtung von deren konkaver Druckaufnahmeseite her.
Fig. 3 ist eine Querschnittansicht der Membran nach Fig. 1, die im Betrieb sowohl in der Ruhe- als auch in der Biegestellung dargestellt ist.
Fig. 4 ist eine Ansicht von oben einer erfindungsgemäßen Membran, wobei der radiale Verlauf der Rippen dargestellt ist.

Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine Membran 1 gemäß der Erfindung mit einem allgemeinen Biegeabschnitt 10, einer Lippe 11, einem Mittelloch 12 und radial verlaufenden Rippen 13 auf der äußeren konvexen Fläche des Biegeabschnitts 10. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, können die Rippen auf der konvexen Seite oder auf beiden Seiten vorhanden sein.
Bezugnehmend auf eine typische im Betrieb befindliche Pumpenmembran wird auf Fig. 3 verwiesen, in der die Pumpenmembran 1 im Querschnitt von der Seite sowohl in Ruhe- als auch in Biegestellung dargestellt ist. Die Pumpe besitzt Kolben 31 und 32 auf jeder Seite der Membran 1, und sie besitzt eine Kolbenstange 30, die das Mittelloch 12 in der Membran durchsetzt. Die Kolbenstange ist so ausgebildet, daß sie den Kolben mit Hilfe einer Mutter 33 und eines Flansches 34 an der Stange 30 hält.
Der Biegeabschnitt 10 in Fig. 3 besitzt Rippen 13 auf seiner konvexen Seite des Biegeabschnitts. Die Membran ist so ausgebildet, daß ihr Außenumfang mittels eines Wulstes 35 an einem (nicht gezeigten) zugehörigen Gehäuse angebracht wird. Der Biegeabschnitt ist etwa von ringförmiger Gestalt und bildet eine konkave Fläche auf der Luftdruckseite der Membran. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, bei der es sich um eine Draufsicht auf die Membran 1 von der konvexen Seite her handelt, erstrecken sich gemäß Darstellung die Rippen 13 über den Biegeabschnitt in radialer Richtung. Die Rippen sind vorzugsweise gleichmäßig über den Biegeabschnitt beabstandet.
Die Rippen haben etwa gleiche Höhe, und wo sie auf die Fläche der Membran treffen, sind sie üblicherweise abgerundet, um Spannungspunkte abzuschwächen.
Anstatt der Rippen kann die radiale Ausgestaltung auch die Form von Vertiefungen oder Rinnen in den Flächen der Membran haben, obschon dies nicht Bestandteil der Erfindung ist.
Während diese Ausgestaltung bei jeder flexiblen Membran realisiert werden kann, eignet sie sich besonders bei Membranen, die zusammengesetzte Elemente aus einer Vorderschicht aus Polytetrafluorethylen (PTFE) und einer Luftdruckseiten-Schicht aus nachgiebigem Elastomermaterial sind.
Die PTFE-Schicht ist vorzugsweise eine Schicht aus dichtem PTFE, entweder PTFE voller Dichte oder verdichtetem gerecktem PTFE. Ein Beispiel für PTFE voller Dichte ist gespaltenes PTFE. Verdichtetes PTFE kann man herstellen durch Komprimieren von porösem PTFE. Das PTFE-Material verleiht der Verbundstoff-Membran eine inerte Außenfläche und steigert damit die Haltbarkeit und chemische Beständigkeit der Membran. Die massive PTFE-Schicht ist mit einer Innenfläche an dem nachgiebigen Elastomermaterial angeklebt. Optional kann diese Innenfläche zum Beispiel mit Alkali-Naphthanaten behandelt sein, um die Oberflächenenergie des PTFE zu erhöhen und damit dessen Haftvermögen an dem verstärkten flexiblen Verbundmaterial zu steigern.
Die flexible Elastomerschicht kann ein hitzehärtbares Elastomer, ein thermoplastisches Elastomer oder ein thermoplastisches Polymer mit einem Biegeelastizitätsmodul (ASTM D790-84A) von weniger als 1400 MPa sein. Das hitzehärtbare Elastomer kann ein Fluorelastomer sein, einschließlich solche, die Wasserstoff enthalten, sowie solche, die keinen Wasserstoff enthalten, es kann ein Perfluorelastomer und ein Fluorelastomer mit Silikon- Hälften, ein Nitril-Elastomer, Acryl-Elastomer, Olefin-Dien-Elastomer, chlorsulfoniertes Polyetylen-Elastomer, Polychloropren-Elastomer, Butyl- und halogeniertes Butyl-Elastomer, Styrol-Butadien-Elastomer, Polydien- Elastomer oder Silikon-Elastomer sein.
Das thermoplastische Elastomer kann ein Copolyetherester-Elastomer, ein Polyurethan-Elastomer, ein Styrol-Polyolefin-Block-Copolymer-Elastomer, ein Polyamid-Elastomer oder ein Ethylen-Copolymer-Elastomer sein.
Das Thermoplast mit einem biegeelastischen Modul (ASTM-D790-84A) von weniger als 1400 MPa kann ausgewählt werden aus fluorierten Thermoplasten wie zum Beispiel Copolymeren von Tetrafluorethylen, Copolymeren von Vinylidin-Fluorid, Copolymeren von Chlorotrifluorethylen, Polyolefinen oder plastifizierten Polyvinylchloriden.
Die PTFE-Schicht haftet an der nachgiebigen Elastomerschicht über bekannte Mechanismen, beispielsweise durch Aufbringen einer ausreichenden Menge an Wärme und Druck. Die mit Rippen ausgestattete Membran wird dadurch hergestellt, daß das PTFE/Elastomer-Verbundmaterial in eine Form gewünschter Gestalt eingebracht und Wärme und Druck aufgebracht werden.
Die Erfindung schafft eine Möglichkeit zur signifikanten Steigerung der Lebensdauer flexibler Membranen. Diese neue Ausgestaltung sieht radiale Rippen vor, die gleichmäßig über den Biegeabschnitt der Membran verteilt angeordnet sind. Der Zweck der Rippen besteht darin, die Biegewirkung gleichförmig auf den Übergang zwischen jeder Rippe und dem Raum zwischen den Rippen zu verteilen. Jeder Übergang läßt sich als kleines Scharnier denken. In einer Membran, die ohne die radialen Rippen und ohne andere Mittel zum gleichmäßigen Lenken der Faltkräfte, die beim Biegen einer Membran auftreten, ausgestaltet ist, kommt es leicht zu Verformungen im Betrieb der Membran. In den meisten Fällen resultieren diese Kräfte in einer kleinen Anzahl dauerhafter Verformungen auf der Fläche des Teils, üblicherweise zwischen zwei und neun an der Zahl. Nachdem diese Verformungen erst einmal aufgetreten sind, kennzeichnet sich die verbleibende Lebensdauer der Membran durch eine Vertiefung dieser (radialen) Verformungen, wenn sie als Scharniere zum Falten und Entfalten des Teils bei jedem Biegezyklus zu arbeiten beginnen. Bei dicken handelsüblichen Teilen sind die Verformungen möglicherweise nicht leicht zu sehen, sie sind aber meßbar und können betrachtet werden, wenn man die Membrandurchbiegung mit Stroboskoplicht betrachtet. Zu einem Ausfall kommt es, wenn sich die Verformungen bis zu einem Punkt vertiefen, an dem das Material aus dem verformten Bereich ausgewandert ist und der Teil die aus jeder Durchbiegung resultierenden Spannungen nicht mehr aufnehmen kann. An diesem Punkt pflanzt sich ein großer Riß in radialer Richtung entlang einer der ursprünglichen Verformungen fort und führt zu einem Bruch, der die Membran durchsetzt.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung schaft in überraschender Weise eine Membran mit einer derart hohen Anzahl von eventuellen Fehlstellen, daß dies zu einer Verteilung der Kräfte über derart viele "Scharniere" führt, daß die Lebensdauer der Membran beträchtlich gesteigert wird. Tatsächlich ergeben sich in einigen Fällen Ausfälle durch Mechanismen wie zum Beispiel Abrieb, aber nicht durch Rißbildung.

Beispiele

Beispiel 1

Es wurde eine Membran hergestellt aus einer oberen (konvexseitigen) Schicht aus expandiertem Polytetrafluorethylen, welches verdichtet worden war (beziehbar von W.L. Gore & Associates, Inc.) und einer luftdruckseitigen (konkavseitigen) Schicht aus nicht ausgehärtetem Neoprengummi.
Die beiden Schichten wurden mit Polyurethankleber Chemlock 250 unter Erhitzung auf eine Temperatur unterhalb der Aushärtetemperatur des Gummis verklebt. Das verdichtete PTFE war mit einem Natriumammoniat- Ätzmittel vorbehandelt worden. Das erhaltene Verbund-Bauteil wurde in die Form für eine kreisrunde Membran eingegeben, die zur Bildung von 90 radialen Rippen auf der PTFE-Seite im Durchbiegeabschnitt ausgestattet war. Die Form wurde 4 Minuten lang bei einem Druck von 7580 MPa auf 191ºC erhitzt. Die verdichtete PTFE-Ausgangsschicht betrug 35 mil (0,89 mm) in der Dicke, das Neopren war 90 mil (2,28 mm) dick. Das Neopren besaß eine dünne Schicht aus Nylon als Verstärkungsschicht auf ihrer Oberseite. Der Durchmesser der erhaltenen Membran betrug 8 Zoll (21 cm).
Die Membran wurde in eine luftbetriebene Membranpumpe eingebaut und pumpte Wasser mit 120 Zyklen pro Minute. Der Einlaß-Luftdruck wurde auf 110 psi (7,6 bar) eingestellt, das Wasser wurde durch Ventileinsatz so gedrosselt, daß ein Gegendruck von 50 psi (3,44 bar) aufgebaut wurde. Die Membran wurde über 19,5 Millionen Zyklen betrieben, anschließend entnommen und inspiziert. Die Membran besaß zwei kleine Falten mit jeweils einer Länge von 1 Zoll an den "Scharnier"-Stellen. Keine Falte hatte sich bis zu einem Punkt vertieft, an dem das Gummi freigelegen hätte.

Vergleichsbeispiel

Es wurden mehrere Sätze von Membranen, identisch jenen aus dem obigen Beispiel, mit der Ausnahme, daß sie eine glatte PTFE-Fläche ohne radiale Rippen aufwiesen, unter den gleichen Bedingungen getestet, wie sie oben angegeben sind, und es zeigte sich, daß diese durch Bildung tiefer radialer Falten ausfielen, welche die Gummi-Rückseite freilegten. Der Ausfall erfolgte in sämtlichen Fällen zwischen 12 und 15 Millionen Zyklen.

Beispiel 2

Es wurden Membranen wie im Beispiel 1 hergestellt, jedoch mit einem größeren Durchmesser von 12 Zoll (28 cm), wobei das Gummi 153 mil (3,89 mm) dick war. Diese Membranen wurden in eine luftbetriebene Membranpumpe eingebaut und durch Pumpen von Wasser mit 120 Zyklen pro Minute betrieben. Der Eingangs-Luftdruck wurde auf 100 psi (6,9 bar) eingestellt, und das Wasser wurde mittels Ventilen so gedrosselt, daß es einen Gegendruck von 40 psi (2,76 bar) aufbaute. Die Membranen wurden bei 8,5 Millionen Zyklen betrieben, dann entnommen und inspiziert. Die Membranen hatten keinerlei tiefe Falten gebildet (waren jedoch durch das PTFE hindurch an verschiedenen Stellen abgescheuert, wo sie in Berührung mit dem Metall-Antriebskolben gestanden hatten.

Vergleichsbeispiel

Ein Satz von Membranen identisch denen nach Beispiel 2, jedoch mit einer glatten PTFE-Fläche, wurden hergestellt und in exakt der gleichen Weise geprüft. Die Membranen fielen bei weniger als 4 Millionen Zyklen aufgrund der Ausbildung von drei tiefen Falten, die das Gummi-Stützmaterial freilegten, aus.

Claims

1. Pumpenmembran (1) mit einem kreisförmig ausgebildeten Körper, der eine konvexe Vorderseite und eine konkave Druckaufnahmeseite aus einem Verbundstoff aufweist, wobei die konvexe Vorderseite aus Polytetrafluorethylen und die konkave Druckaufnahmeseite aus nachgiebigem Elastomermaterial besteht, wobei der Körper eine Mittelöffnung (12) zur Aufnahme einer Kolbenstange (30) aufweist und einen etwa ringförmigen Biegeabschnitt (10) besitzt, der sich im Betrieb durchbiegt, wobei der Körper auf seiner konvexen Vorderseite mehrere radial angeordnete und gleichmäßig beabstandete Rippen (13) enthält, die sich über den Biegeabschnitt (10) radial nach außen erstrecken.