DE8424759U1 - Membranpumpe, insbesondere zum Dosieren von Flüssigkeiten - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTe " '·-' ··· '.·"..'

DRiNQ. HANS LICHTI
DiPL-INQ. HEINER LICHTI d-tmo Karlsruhe 41

OUNLACHERtTRAUESl DIPL.-PHY6.DR.RER.NAT. JOST LEMPERT m.:(orti)4Mii

G 84 24 759.2 _7n ,....,_ _1QAA

ALLDOS E1ch1<er KG ²⁰* ^{Januar 1986}

8011/86-Lj/js

Membranpumpe, Insbesondere zum Dosleren von Flüssigkeiten

Die Erfindung betrifft eine Membranpumpe, insbesondere zum Dosieren von Flüssigkeiten mit einer einerseits einen Dosierraum mit Saug- und Druckventil, andererseits einen hydraulischen Arbeitsraum mit Antriebskolben und Oberdruckventil begrenzenden Membran, die eine mit dem Arbeitsraum über wenigstens einen Oberströmkanal verbundene Kammer abgrenzt, wobei im Bereich des Oberströmkanal ein Stößel mit je einem Ventilteller für die gegenüberliegenden Offnungen des Oberströmkanals geführt ist und daß die aus dem Stößel und den Ventiltellern bestehende Ventileinheit in Wirkverbindung ■it der Membran steht.

Membranpumpen dieser Art, die auch als Kolbenmembranpumpen bezeichnet werden, sind in einer Vielzahl von Ausführungsformen bekannt. Ihr Arbeitsprinzip besteht darin, daß die «lastisch verformbare Membarn unter wechselndem hydraulischem Druck im Arbeitsraum ihren Hub ausführt, wobei sie die zu fördernde Flüssigkeit beim Saughub, bei dem sie den Dosierraum vergrößert, über das Saugventil ansaugt und beim Druckhub, bei dem sie sich in den Dosierraum hinenbewegt, über das Druckventil abdrückt. Der Druckwechsel im Arbeitsraum wird durch einen diesen abschließenden Kolben erzeugt, der von einem oszillierenden Antrieb, beispielsweise einem Exzenter betätigt wird.

.-...2 ν. . ......... 8011/86-Lj

Ds die Membran aufgrund der von ihr geforderten Elastizität und dem notwendigen Arbeltshub eine vergleichsweise geringe Wandstärke besitzt, 1st sie gegen Oberbeanspruchung empfindlich, Eine solche Oberbeanspruchung kann beispielsweise bei zu großer Saughöhe oder bei verschlossener bzw. blockierter Saugleitung oder aber auch bei Undichtheiten im Saug- oder Druckventil auftreten. Sie äußert sich darin, daß die Membran tiberdehnt und gegebenenfalls bleibend verformt wird oder gar Im Extremfall reißt. Damit wird die Membranpumpe nicht nur funktionsuntüchtig, sondern es können sich auch hydraulisches Arbeitsmedium und Dosiermedium mischen, was zu entsprechenden Folgeschäden führt.

Um eine zu starke Auslenkung der Membran und die dadurch gegebene Gefährdung zu vermeiden, sind gesonderte Stützein? richtungen vorgesehen, die den Membranhub begrenzen. Diese Stützeinrichtungen bestehen im allgemeinen aus kalottenähnlich geformten Scheiben, die mit mehreren Kanälen versehen sind, um - je nach Anordnung der Stützeinrichtungen - den Durchtritt des Arbsitsmediums bzw. Dosiermediums zu ermöglichen. Die Membran legt sich beim Hubmaximum an die Kalotte an. Auch hierbei kann es aber noch zu Schaden kommen, indem bei zu hoher Druckdifferenz die Membran in die Kanäle hineinverformt wird, so daß sich wiederum bleibende Verformungen oder gar Risse einstellen.

Bei einer bekannten Vorrichtung (GB-PS 887 774) ist zwischen dem Dosierraum und dem Arbeitsraum eine Kammer vorgesehen, die zum Dosierraum über die Membran angrenzt und über einen Oberströmkanal mit dem Arbeitsraum verbunden ist. Im Bereich des Oberströmkanals ist eine Ventilstange geführt, die je einen Ventilteller für die gegenüberliegenden öffnungen des Oberströmkanals aufweist. An diese aus Ventilstange und Ventilteilern bestehende Ventileinheit ist über eine Schraubverbindung die Membran festgelegt.

:- 3· r: : -: . '·'[>· 80ii/86-Lj

Eine weitere bekannte Vorrichtung (US-PS 2 303 597) zeigt ebenfalls eine Ventileinheit die mit der Membran fest verbunden ist. Dabei benutzt das eine Ende der an der Membran festgelegten Ventileinheit diese als Stütze und Führung, wobei das andere Ende der Ventileinheit in einem Schublager geführt wird. Im Bereich des Oberströmkanals erfährt die Ventileinheit keinerlei Unterstützung, so daß die Membran neben den Suag- und Druckkräften zusätzlich noch den von der Festlegung der Ventileinheit herrührenden Kräften ausgesetzt wird. Diese und die vorgenannte Vorrichtung haben zudem den Nachteil, daß durch das Festlegen des einen Endes der Ventileinheit die Homogenität ur,d die elastische Struktur der Membran gestört ist und diese deshalb bei höheren Druckdifferenzen leicht einreißen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Membranpumpe zu schaffen, die mit einem funktionssicheren und gegen jede Art von überbelastung wirksamen Membranschutz ausgestattet ist.

Ausgehend von einer Membranpumpe des zuvor geschilderten Aufbaus wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Ventileinheit unter Wirkung einer schwachen Feder über eine Stützscheibe der Membran lose anliegt.

Die Funktionsweise der Membranpumpe ist folgende: Bei normalem Dosierbetrieb, bei dem die Membran durch das hydraulische Arbeitsmedium hin und her bewegt wird, folgt der Stößel mit der Venti1 einheit dieser Bewegung, wobei das Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum über die Oberströmkanäle in die Kammer gelangt und rückseitig an der Membran ansteht. Der Abstand der Ventilteller voneinander bzw. ihr Abstand zu den gegenüberliegenden öffnungen der Oberströmkanäle ist so bemessen, daß die Ventileinheit zumindest beim Druckhub nicht in die Schließlage gelangt, da anderenfalls die

-"•.'-Λ t": ·: .·!>:'.; 8on/86-Lj

Förderleistung beeinträchtigt würde, Erst dann, wenn die Membran in der einen oder anderen Richtung über den Maxim'alhub hinaus ausgelenkt wird, gelangt - je nach Richtung der Auslenkung - der eine oder andere Ventilteller in die Schließlage, so daß die Kammer und damit die Membran vom Arbeitsmedium abgekoppelt ist, eine weitere Druckerniedrigung also nicht mehr stattfinden kann. Erfindungsgemäß ist die Membran demzufolge nicht - wie beim gattungsgemäßen Stand der Technik - in ihren Grenzlagen durch mechanische Stützeinrichtungen gehalten, sondern liegt der Ventileinheit über die Stützscheibe lose an, so daß jegliche Oberbeanspruchung ausgeschlossen ist. Dieser Membranschutz ist in jeder Betriebssituation absolut funktionssicher.

Vorzugsweise liegt die Ventileinheit der Membran unter Wirkung einer schwachen Federkraft an, die mit Vorteil so gering bemessen ist, daß sie keinen aktiven Beitrag zur Auslenkung der Membran leistet. Die Federkraft soll bei hydraulischem Gleichgewicht auf beiden Seiten der Membran lediglich die Reibungskräfte der Stößelführung und die Trägheitskräfte des Systems überwinden, also beim Druckhub stets für eine Anlage der Ventileinheit an der Membran sorgen. Andererseits stellt sie beim Saughub der Bewegung der Membran keinen bzw. keinen nennenswerten Widerstand entgegen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist zwischen der Kammer und dem hydraulischen Arbeitsraum ein Einsatz vorgesehen, in dem einerseits der Stößel der Ventileinheit geführt, andererseits der Oberströmkanal angeordnet ist. Dabei sind vorzugsweise in dem Einsatz mehrere den Stößel bzw. seine Führung umgebende Oberströmkanäle vorgesehen, deren gegenüberliegende Offnungen an beiden Seiten der Trennwand von jeweils einem der Ventilteller der Ventileinheit überdeckt sind. Jeder Ventilteller verschließt also sämtliche öffnungen an der einen Seite der überströmkanal.

80ii/86-Lj

In besonders vorteilhafter Ausführung ist an den beiden Seiten des Einsatzes ein Kegelsitz eingearbeitet, dessen kleiner Durchmesser etwa dem Durchmesser des Süßeren Hüllkreises der Öffnungen der Oberströmkanäle entspricht. Damit ist eine einzige zentrische Dichtfläche für sämtliche Oberströmkanäle geschaffen. Mit Vorteil weisen bei dieser Ausführung auch die Ventilteller als Dichtfläche eine Kegelfläche auf.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die die Federkraft erzeugende Feder zwischen den beiden Ventiltellern angeordnet und stützt sich einerseits innerhalb des Einsatzes, andererseits an dem der Membran zugekehrten Ventilteller ab.

Bei einer anderen Ausführungsform ist die Feder eine sich einerseits an der Stützscheibe, andererseits an der ihr gegenüberliegenden Seite des Einsatzes abstützende, den Stößel umgebenden Schraubenfeder.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Membranschutzes, der auch bei extremen Betriebszuständen eine Oberbeanspruchung oder Beschädigung der Membran verhindert, ist es möglich, eine sehr dünnwandige Membran und damit auch eine solche aus Kunststoff, insbesondere aus PTFE, zu verwenden. Dadurch lassen sich einerseits auch hoch agressive Medien fördern, was bisher nicht oder nur mit sehr teueren Verbundwerkstoffen möglich war, andererseits auch beliebig hohe Drücke realisieren, die nicht durch die Membrdnfestigkeit begrenzt sind.

Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben: In der Zeichnung zeigen:

Figur 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer Membranpumpe;

80ii/86-Lj

Figur 2 einen vergrößerten Detailschnitt der Ventileinheit in der einen Grenzlage;

Figur 3 die Ventileinheit gemäß Figur 1 in der anderen Grenzlage und

Figur 4 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform der Ventileinheit.

Die Membranpumpe gemäß Figur 1 weist ein mehrteiliges Gehäuse auf, das aus einem Tank 1 für das hydraulische Arbeitsmedium, einem Kolbengehäuse 2, einem Ventilkopf 3 und einem Dosierkopf 4 besteht, die axial hintereinander montiert sind. Auf dem Tank 1 sitzt ein Antriebsmotor 5 mit einem Schneckengetriebe 6, das einen Exzenter 7 antreibt. Der Exzenter 7 wirkt auf einen Hohlkolben 8, der im Kolbengehäuse 2 geführt und 1m Bereich seiner Antriebsseite mit einer Querbohrung 9 für den Obertritt d?s Hydraulikmediums aus dem Tank 1 in den Hohlraum des Kolbens versehen ist. Im Bereich der Antriebsseite 1st der Kolben 8 ferner von einem Steuerschieber 10 übergriffen, der als Anschnittsteuerung eine Einstellung des Arbeitshubs ermöglicht. Der Kolben 8 steht schließlich unter Wirkung einer Feder 11, die ihn in Anlage am Exzenter 7 hält. Der Hohlraum des Kolbens 8 sowie ein ihm vorgelagerter Raum im Kolbengehäuse 2 und eine im Ventilkopf 3 angeordnete Kammer 13 bilden den Arbeitsraum der Dosierpumpe, wobei der Raum 12 über ein Oberdruckventil 27 mit dem Tank 1 verbunden 1st.

Die Kammer 13 wird vorderseitig von der Dosiermembran 14 begrenzt, die zugleich den rückseitigen Abschluß des Dosierraums 15 bildet. Der Dosierraum 15 ist über ein Saugventil an das zu fördernde Medium angeschlossen und weist ferner •in Druckventil 17 auf. Schließlich ist die Kammer 13 noch mit einem Entlüftungsventil 18 ausgestattet.

eoii/86-u

Zwischen dem Raum 12 und der Kammer 13 sind in einer vom Ventilkopf 3 gebildeten Trennwand mehrere Oberströmkanäle 19 konzentrisch um eine gemeinsame Achse angeordnet, wie insbesondere aus Figur 2 und 3 ersichtlich. Achsgleich ist innerhalb des Ventilkopfs ein Stößel 20 geführt, der im Bereich der Führung von den Oberströmkanälen 19 konzentrisch umgeben ist. Der Stößel 20 weist beiderseits der vom Ventilkopf 3 gebildeten Trennwand je einen Ventilteller 21, 22 auf, die mit einem entsprechenden Kegelsitz 23 bzw. 28, die in die Trennwand eingearbeitet sind und die Oberströmkanäle 19 nach außen hin erweitern, zusammenwirken. Der Stößel 20 mit den tfentiltellern 21, 22 und dea Kegelsitzen 23, 28 bilden die dem Schutz der Membran 14 dienende Ventileinheit 30.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Stößel 20 an dem dem Ventilteller 21 gegenüberliegenden Ende einen Ansatz mit einer Stützscheibe 24 auf, die sich über eine Distanzbüchse 25 an dem anderen Ventilteller 22 abstützt. Die Stützscheibe 24 liegt unter Wirkung einer Feder 26, die sich an der Wandung der Kammer 13 abstützt, der Membran 14 lose an.

In Figur 2 ist die Extremlage der Membran 14 beim Druckhub erkennbar, bei der der Ventilkegel 21 die Oberströmkanäle 19 gegenüber dem Arbeitsraum 12 des Kolbens 8 verschließt, während in Figur 3 die andere Grenzlage beim Saughub gezeigt ist, bei der der Ventilkegel 21" die Oberströmkanäle 19 verschließt. In beiden Grenzlagan ist die Membran also vom Arbeitsraum hydraulisch abgekoppelt, so daß sie über die Grenzlagen hinaus nicht belastet werden kann.

Figur 4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Ventileinheit 30, die insbesondere fertigungs- und montagetechnische Vorteile hat. Sie weist wiederum einen Stößel 20 auf, an dessen beiden Enden je ein Ventilteller 21, 22 befestigt ist, die wiederum mit Kegelsitzen 23, 28 zusammenwirken. Die Kegelsitze 23, 28 sind wie auch die überströmkanal 19 an einem

80ii/86-Lj

Einsatz 31 angeordnet, der seinerseits wiederum dicht in den Ventilkopf 3 (Figur 1) eingesetzt ist. Der Einsatz 31 weist zwischen den Überströmkanäle 19 und dem der Membran 14 (Figur 1) zugewandten Ventilteller 22 eine Bohrung größeren Durchmessers auf, in der die Feder 26 angeordnet ist, die sich einerseits im Einsatz 31, andererseits am Ventilteller 22 abstützt und somit die Ventileinheit 30 in Richtung zur Membran 14 drängt.

Claims (10)

1. Membranpumpe, insbesondere zum Dosieren von Flüssigkeiten mit einer einerseits einen Dosierraum mit Saug- und Druckventil, andererseits einen hydraulischen Arbeitsraum mit Antriebskolben und Oberdruckventil begrenzenden Membran, die eine mit dem Arbeitsraum über wenigstens einen überströmkanal verbundene Kammer abgrenzt, wobei im Bereich des Obferstrdmkanals ein Stößel mit je einem Ventilteller für die gege überliegenden öffnungen des Oberströmkanals geführt ist und daß die aus dem Stößel und den Ventiltellern bestehende Ventileinheit in Wirkverbindung mit der Membran steht,

dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinheit (30) unter Wirkung einer schwachen Feder (26) über eine Stützscheibe (24) der Membran lose anliegt.

2. Membranpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (26) eine bei hydraulischem Gleichgewicht auf beiden Seiten der Membran (14) lediglich die Reibungskräfte der Stößelführung und die Trägheitskräfte überwindende Federkraft aufweist.

3. Membranpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinheit (30) einen die Kammer (13) durchgreifenden Ansatz (29) und dieser die der Membran (14) anliegende Stützscheibe aufweist.

4. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kammer (13) und dem hydraulischen Arbeitsraum (12) ein Einsatz (31) vorgesehen ist, in dem einerseits der Stößel (20) der Ventileinheit (30) geführt, andererseits der Oberströmkanal (19) angeordnet ist.

5. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Einsatz (31) mehrere den Stößel (20) bzw. seine Führung umgebende Oaerströmkanäle (19) angeordnet sind, deren gegenüberliegende Öffnungen an beiden Seiten der Trennwand von jeweils einem der Ventilteller (21 b2w. 22) der Ventileinheit (30) überdeckt sind.

6. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Seiten des Einsatzes (31) ein Kegelsitz (23, 28) eingearbeitet ist, dessen kleiner Durchmesser etwa dem Durchmesser des äußeren Hüllkreises der öffnungn der Überströmkanäle (19) entspricht.

7. Membranpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilteller (21, 22) als Dichtfläche gleichfalls eine Kegelfläche aufweisen.

8. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (26) zwischen den beiden VentiHellern (21, 22) angeordnet ist und einerseits innerhalb des Einsatzes, andererseits an dem der Membran(14) zugekehrten Ventilteller (22) abgestützt ist.

9. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bir 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder eine sich einerseits an der Stützscheibe (24), andererseits an der ihr gegenüberliegenden Seite der Kammer (13) abstützende Schraubenfeder (26) ist.

80ΐι/86-υ

10. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (14) aus Kunststoff besteht.