DEP0013369MA - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 11. Januar 1955 Bekanntgemacht am 16. Februar 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

Die Erfindung betrifft eine Membranpumpe mit einem von zwei Membranen abgeschlossenen, mit gasfreier Flüssigkeit gefüllten Übertragungsraum, bei dem die eine Membran, die im nachfolgenden als »Arbeitsmembran« bezeichnet ist, mit einem hin und her gehenden Antrieb und die andere Membran, die im nachfolgenden als »Fördermembran« bezeichnet ist, auf ihrer dem Übertragungsraum abgekehrten Seite mit einem der Förderung dienenden Pumpenraum in Verbindung steht.

Die erfolgreiche Verwendung einer Membranpumpe scheitert in der Praxis auf die Dauer gesehen daran, daß bei Verwendung von Metallmembranen nahezu unabhängig vom Arbeitsdruck Ermüdungserscheinungen auftreten, die, durch Veränderung im Kristallgefüge des Metalls bedingt, nach einigen Wochen oder Monaten zum Bruch führen müssen, bei Verwendung von Kunststoffmembranen, wenn sie hochelastisch sind, daran, daß durch die Walkarbeit im Innern des Materials hohe Temperaturen entstehen, die infolge der schlechten. Wärmeleitfähigkeit dieser Stoffe nicht abgeführt werden können und die zu einer chemischen und strukturmäßigen Veränderung eines Materials bei zusätzlicher mechanischer Beanspruchung ebenfalls zum Bruch führen. Diese Erscheinung ist ja auch beim Autoreifenbau bekannt. Besonders schnell tritt dieser Bruch dann ein, wenn außerdem hohe mechanische Beanspruchung, etwa durch einseitigen Zug und Druck bedingt, auftritt. Ist jedoch dieser Druck all-

509658/418

P 13369 I al 59 a

seitig ausgeglichen, so ist — trotz der thermischen Beanspruchung dieser Kunststoffmembran — die Lebensdauer sehr hoch.

Bei den modernen, meist hochtourigen Maschinen ist also in erster Linie auf die Druckentlastung der Membranen zu achten. Diese Druckentlastung kann z. B. durch einen Kolben, der die Hauptlast trägt, herbeigeführt werden. Solche Systeme sind in der Praxis bekannt. Sie arbeiten nach dem Prinzip des

ίο hydraulischen Kolbenmembranantriebes, wobei es auf die Rückforderung des zwischen Zylinder und Kolben durchdringenden Öles, also auf die Leckol-

. rückförderung, ankommt. Die Konstanthaltung des Preßölvolumens, die fast immer erforderlich ist, ' geschieht meistens dadurch, daß aus einem Ölvorrat, der irgendwo im Antriebsgehäuse vorhanden ist, der Verlust ausgeglichen wird. Fast immer ist dieser Raum teilweise mit Gas oder Luft gefüllt. Das Öl kann jedoch durch Bewegung in der Maschinerie

•ao Gase aufnehmen, die beim Auffüllen der Verluste . mit in den Preßölraum gelangen und durch adiaba-' tische Kompressionen und Dilatation den effektiven Förderhub verkleinern. Das kann nur dann vermie-' den werden, wenn dieser Raum, in dem das Lecköl gesammelt und zurückbefördert wird, vollkommen gasfrei ist.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die Beanspruchung der Arbeitsmembran stark herabzusetzen und sicherzustellen, daß das Lecköl des Kolbens automatisch wieder in den Übertragungsraum zurückgeführt wird, so daß die Nachteile der bekannten Systeme vermieden und ihre Vorteile in einer Pumpenausführung vereinigt werden.

Erfindungsgemäß taucht ein sich auf derArbeitsmembran abstützender und von ihr angetriebener Kolben, ein sogenannter Entlastungskolben, in einen mit dem Übertragungsraum in Verbindung stehenden Zylinderraum. Zwischen der Einspannstelle der Arbeitsmembran und dem Bereich, innerhalb dessen sich der Entlastungskolben auf der Arbeitsmembran . abstützt, befindet sich ein freier Raum, der mit dem Übertragungsraum über eine Leitung mit einem sich nach seinen öffnenden Rückschlagventil in Verbindung steht. Diese Leitung dient als Rückführleitung für an dem Kolben vorbeitretendes Lecköl.

Sie ist parallel zur Zylinderwand angeordnet und mündet zwischen der rückwärtigen Stirnfläche des Entlastungskolbens und der Arbeitsmembran.

Zwischen dem Entlastungskolben und der Arbeitsmembran ist bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ein weiterer Kolben, ein sogenannter Hilfskolben vorgesehen, die zusammen einen Stufenkolben darstellen. Der Entlastungskolben weist einen größeren Querschnitt auf als der Hilfskolben.

Die Betätigung der gegebenenfalls mit einem Hilfskolben verbundenen Entlastungskolben erfolgt unter Zwischenschaltung der Arbeitsmembran durch einen von einem Exzenter angetriebenen Stempel. In einer anderen Ausführungsform wird der Entlastungskolben, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Hilfskolbens und der Arbeitsmembran, mit einem von einem Pleuel angetriebenen Kreuzkopf betätigt. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die Arbeitsmembran an ihren inneren Rändern an einem den Kolben unmittelbar betätigenden Kreuzkopf eingespannt. Die nach außen gerichtete Fläche der ringförmigen Membran betätigt zusammen mit den Wandungen des Kreuzkopf es und des Pumpengehäuses eine Schmieröl-Membranpumpe für die gleitenden Teile des Kreuzkopfes.

Unterhalb der Fördermembran ist ein Sieb mit elastischer Polsterung angeordnet, auf das sich die Fördermembran beim Rückhub des Entlastungskolbens oder bei Stillstand der Pumpe abstützen kann.

Eine weitere Form sieht eine gegenüber der Horizontalen geneigte Anordnung der Fördermembran vor. Hierbei liegt der Ansaugstutzen der Pumpenkammer im wesentlichen an der höchsten Stelle der· Membran und der Abflußstutzen im wesentlichen an der tiefsten Stelle der Membran, so daß von der Förderflüssigkeit mitgeführte Fremdkörper mit Gefalle zum Auslaßstutzen des Pumpenraumes gefördert werden. Die Abfluß leitung der Pumpenkammer ist hydrodynamisch so ausgebildet, daß sich dort eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit ergibt, die gegebenenfalls abgelagerte Fremdkörper mitreißen kann.

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung von in den Zeichnungen darge- go stellten Ausführungsbeispielen. Es zeigt

Abb. ι einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgeführte Pumpe, wobei nur die für die Erfindung wesentlichen Teile dargestellt sind,

Abb. 2 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform mit einem Stufenkolben und einem die Arbeitsmembran einspannenden Kreuzkopf,

Abb. 3 einen Längsschnitt· durch eine weitere Ausführungsform, bei welcher der Antrieb über einen Exzenter arbeitet,

Abb. 4 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform bei Anwendung eines Stufenkolbens unter Verwendung eines Antriebes gemäß der Ausführungsform nach Abb. 1,

Abb. 5 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit gegenüber der .Waagerechten geneigt angeordneter Fördermembran.

Abb. ι zeigt das Schema der einfachsten Anordnung,' bei der die vom Motor direkt oder indirekt angetriebene Exzenterwelle 1 einen Stempel 2 be- no wegt, der auf die Arbeitsmembran 3 drückt, wobei dieser Stempel .und der in diesem Ausführungsbeispiel als einfacher Kolben ausgeführte Entlastungskolben 4 mechanisch nicht mit dieser verbunden sind. Die Kraftübertragung auf den Arbeitskolben 4 geschieht durch Flächenpressung der Arbeitsmembran 3. Der Raum zwischen der Fördermembran 5 und der Arbeitsmembran 3 ist vollständig mit entgastem öl gefüllt. Der Entlastungskolben 4 überträgt die Bewegung auf die über ihm befindliche Flüssigkeit und bewegt über diese die Fö'rdermembran-5, die den eigentlichen Pumpenraum 6 verändert. Beim Kompressionshub oder Förderhub, also bei der Bewegung des Entlastungskolbens 4 nach oben, tritt ein kleiner Teil des Öles zwischen Zylinderwandung und Entlastungskolben 4 nach unten

658/418

P 13369 Ia/59a

durch und gelangt auf die Arbeitsmembran. Dabei ist konstruktiv zu sagen, daß der Durchmesser des Arbeitskolbens' größer sein muß als der des Stempels, Bei Rückgang des Arbeitskolbens in dieser Anordnung, durch die Hilfsfeder 7 bewirkt, verkleinert sich der Ringraum, der durch das Durchmesserverhältnis von Entlastungskolben und Stempel bedingt ist, und das Lecköl wird durch die Ventilleitung 8 über das Rückschlagventil 9 in den Preßraum zurückbefördert. Dadurch ist die Arbeitsmembran zum größten Teil entlastet. Der Entlastungskolben 4 fängt beim Kompressionshub den Hauptdruck auf und stellt für diese Membran einen Schutz gegen, zu hohe Drücke dar. Sie selbst muß nur den Druck überwinden, der durch den Zulaufdruck der Förderflüssigkeit gegeben ist.

Beim Stillstand der Pumpe wird die Fördermembran durch ein Sieb 10 mit elastischer Polsterung arretiert, um ein Beschädigen und unnötiges BeIasten der Arbeitsmembran zu vermeiden. Ein Ring 11 aus ebenfalls elastischem Material sorgt weiterhin für die schonende Behandlung der Arbeitsmembran. Dieses abgeschlossene System wird unter Vakuum über die Füllöffnung 12 aufgefüllt.

Eine vollständige Entlastung der Arbeitsmembran wird mit der Konstruktion erreicht, die Abb. 2 zeigt. Das Pleuel 13 der Antriebswelle 1 bewegt über den Kreuzkopf 14 den Stufenkolben, der aus dem Entlastungskolben 15 und dem Hilfskolben 16 besteht. Der Kreuzkopf 14 ist geteilt und spannt die Arbeitsmembran 17 ein, die in dieser Konstruktion im Zentrum durchbohrt ist. Der Entlastungskolben 15 des Stufenkolbens mit' seinem gegenüber dem Hilfskolben 16 größeren Durchmesser verdrängt beim Förderhub einen Teil des Öles im Preßraum 18 und hebt dadurch die obere Fördermembran 19, wodurch im eigentlichen Förderraum 6 der Pumpe , das Fördergut durch das nicht gezeichnete Druckventil in die Steigeleitung gedrückt wird. Das zwisehen dem Entlastungskolben 15 und Zylinderwandung durchtretende Öl sammelt sich zum größten Teil im Ringraum 20 und wird beim Rückgang des Stufenkolbens 15, 16 infolge Verkleinerung dieses Raumes über ein Rückschlagventil 9 in den Preßraum zurückgedrückt. Ein kleiner Teil des Lecköles gelangt, besonders beim Stillstand der Pumpe, am Hilfskolben 16 des Stufenkolbens vorbei in die Räume 21 und 22. Wählt man nun das Verhältnis der Durchmesser vom Entlastungskolben 15 zum Hilfskolben 16 entsprechend, so tritt durch die Vergrößerung des Ringraumes 20 ein Unterdruck auf, der aus den Räumen 21 und 22 das Lecköl über ein zweites Rückschlagventil 37 in diesen Ringraum 20 befördert. Es entsteht bei geeignetem Größenverhältnis sogar ein kleiner Unterdruck im Raum 22, der die Arbeitsmembran 17 zum Anliegen an die Unterlage bringen kann. Durch den zwischen die beiden Membranen 17, 19 geschalteten Stufenkolben 15, 16 wird also eine vollständige Entlastung der Arbeitsmembran erzielt.

Zur besseren Abdichtung des Stufenkolbens ist dieser mit einer Anzahl von Kolbenringen ausgerüstet.

Beim Stillstand der Pumpe wird, wenn ein gewisser Zulaufdruck der zu fördernden Flüssigkeit vorhanden ist, das Öl vom Preßraum 18 in die unteren Ringräume 20, 22 an dem Kolben 15, 16 vorbei abwandern, wobei diese sich mit Öl füllen. Bei sehr hohem Zulaufdruck zur Pumpe, die durch eine !hohe Flüssigkeitssäule, welche über der Tauchpumpe steht, gegeben sein kann, ist in der Konstruktion eine Sicherheitsplatte in Form eines Siebes 23 zwischengeschaltet, die — nachdem ein Teil des Öles nach unten abgewandert ist — die Fördermembrari 19 zum Aufliegen bringt. Es wird damit, verhindert, daß sämtliches Öl nach, unten gedrückt wird, wodurch die Arbeitsmembran überdehnt werden könnte.

Das gesamte System wird durch die Füllschrauben 24 und 25 im Vakuum aufgefüllt. Die Schmierung des zwischen den beiden Membranen 17, 19 bewegten Stufenkolbens 15, 16 ist durch die Ölfüllung gesichert. Der Kreuzkopf 14 kann entweder durch Fettvorräte in angebrachten Schmiernuten geschmiert werden, oder, wenn Antriebsmotoren und Getriebe unter öl laufen, dadurch, daß die Arbeitsmembran 17 bei ihrer Bewegung im Raum eine Pumpwirkung auf der Unterseite herbeiführt und durch ein Ventil 26 Öl ansaugt, welches um den Kreuzkopf 14 herumläuft und durch eine auf der entgegengesetzten Seite befindliche Bohrung 27 wieder abfließt. Auch das Ende dieser Bohrungen, das der Unterseite der Arbeitsmembran 17 zugekehrt ist, ist mit Ringscheiben 28, 29 aus elastischem Kunststoff versehen.

Abb. 3 zeigt eine Variante der vorhergehenden Ausführung. Hier ist der Stufenkolben 15, 16 nicht über ein Pleuel mit der Antriebswelle 1 verbunden. Es ist hier ein Exzenterantrieb vorgesehen. Die Rückbewegung des Stufenkolbens 15, 16 geschieht mit Hilfe einer Feder 30 und zusätzlich durch den Zulaufdruck, der über die Fördermembran im Pumpenraum wirkt und die Rückbewegung des Kolbens unterstützt.

Bei dieser Anordnung ist die Förderleistung der Pumpe abhängig vom hydrostatischen Druck der über der Pumpe stehenden Flüssigkeitssäule.

Abb. 4 zeigt die Möglichkeit der Anwendung eines Stufenkolbens 15, 16, der mit der Arbeitsmembran 3, ähnliche wie bei der Konstruktion in no Abb. ι gezeigt, nicht mechanisch verbunden ist und wobei über die Flächenpressung der Membranteller 31, 32 die Kraftübertragung von der Exzenterwelle auf den Kolben geschieht.

In der Abb. 5 ist eine Schrägstellung der Fördermembran 33 gewählt, um beim Pumpen von verunreinigten Flüssigkeiten, z. B. Erdöl, die festen Verunreinigungen in der Flüssigkeit durch den Pumpenraum einer Sedimentationsgefahr durchleiten zu können. Diese Stellung der Fördermembran 33 in Verbindung mit der gezeichneten Ventilanordnung stellt gewissermaßen eine Schüttelrinne dar. Das Anlaßventil, als Klappenventil 34 ausgebildet, läßt die Verunreinigungen an der höchsten Stelle der Membran durchtreten. Diese rutschen von 'der schräg gestellten Membran zum gegenüberliegen-

509 658/418

P 133691al 59a

den tiefer angeordneten Druckventil 35, dessen Zuleitungskanäle 36 im Pumpenraum hydraulich so ausgebildet sind, daß eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit an diesen Stellen auftritt und die festen Bestandteile mitgerissen werden und durch das Druckventil 35 in die Förderleitung 36 gelangen. Dabei kann man der Fördermembran 33 auch andere an die jeweiligen Förderverhältnisse und Förderflüssigkeiten angepaßte Formen geben.

Allen diesen Konstruktionen ist ein Merkmal gemeinsam: Die Membranpumpe alkin stellt ein unsicheres Bauelement der Pumpe dar. Sie hat nur den Vorteil, daß sie praktisch unempfindlich gegen Verunreinigungen der Förderflüssigkeit ist, während die Kolbenpumpe nur dann einwandfrei arbeitet, wenn die Förderflüssigkeit diese nicht angreifen kann. Verwendet man die Vorteile beider Systeme ' dadurch, daß man eine Kombination von Membran- und Kolbenpumpe schafft, so- ist die Garantie eines sicheren Arbeitens gegeben, vorausgesetzt, daß diese beiden Konstruktionselemente zu einer hermetisch abgeschlossenen Einheit verbunden sind.

Claims (17)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   ι. Membranpumpe mit einem von zwei Membranen abgeschlossenen, mit gasfreier Flüssigkeit gefüllten Übertragungsraum, bei der die - eine Membran (Arbeitsmembran) mit einem hin und her gehenden Antrieb und die andere Membran (Fördermembran) auf ihrer dem Übertragungsraum abgekehrten Seite mit einem der Förderung dienenden Pumpenraum in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß in einen mit dem Übertragüngsraum in Verbindung stehenden Zylinderraum ein sich auf der Arbeitsmembran (3) abstützender und von ihr angetriebener Entlastungskolben (4) taucht Und sich zwischen der Einspannstelle der Arbeitsmembran und dem Bereich, innerhalb dessen sich der Entlastungskolben (4) auf der Arbeitsmembran (3) abstützt, ein freier Raum befindet, der mit dem Übertragungsraum über eine Rückführleitung

   (8) mit einem sich nach diesem öffnenden Rückschlagventil (9) in Verbindung steht."
2. 2. Membranpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführleitung (8) parallel zur Zylinderwandung angeordnet ist und zwischen der rückwärtigen Stirnfläche des Entlastungskolbens (4) und der Arbeitsmembran (3) einmündet.
3. 3. Membranpumpe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführungsleitung (8) mit einer verschließbaren Einfüllleitung (12) verbunden ist.
4. 4. Membranpumpe nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Entlastungskolben (15) und der Arbeitsmembran (3) ein Hilfskolben (16) vorgesehen ist, welche beide zusammen einen Stufenkolben darstellen.
5. 5. Membranpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Entlastungskolben (15) einen größeren Querschnitt aufweist als der Hilfskolben (16).
6. 6. Membranpumpe nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der gegebenenfalls mit einem Hilfskolben (16) verbundene Entlastungskolben (15) unter Zwischenschaltung der Arbeitsmembran (3) durch einen von einem Exzenter (1) angetriebenen Stempel (2) betätigt wird. ■■ ■ ·
7. 7. Membranpumpe nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der gegebenenfalls mit einem Hilfskolben (16) verbundene Entlastüngskolben (15) unter Zwischenschaltung der Arbeitsmembran (17) mit einem von einem Pleuel (13) angetriebenen Kreuzkopf (14) betätigt wird.
8. 8. Membranpumpe nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsmembran (3) in an sich bekannter Weise an ihrem gesamten Umfang eingespannt ist und sowohl von dem Entlastungskolben (4) als auch von dem von außen angreifenden Stempel (2, 32) od. dgl. flächig beaufschlagt wird.
9. 9. Membranpumpe nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der die Arbeitsmembran (3) beaufschlagende Stempel (2) eine kleinere Stirnfläche (32) aufweist als die innerhalb des Zylinderraumes an der Arbeitsmembran

   (3) anliegende Kolbenstirnfläche (4,31).
10. 10.. Membranpumpe nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige, an ihrem äußeren Umfang im festen Pumpengehäuse eingespannte Arbeitsmembran (17) an ihren inneren Rändern an einem den Entlastungskolben (15) unmittelbar betätigenden Kreuzkopf (14) eingespannt ist.
11. "ii. Membranpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die nach außen gerichtete Fläche der ringförmigen Arbeitsmembran (17) zusammen mit den Wandungen des Kreuzkopfes (14) und des Pumpengehäuses eine Schmierölmembranpumpe für die gleitenden Teile des Kreuzkopfes (14) bildet,
12. 12. Membranpumpe nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Entlastungs- : kolben (4, 15) mit einer Feder (7, 30) vorgespannt ist, die den Entlastungskolben (4, 15) no nach Ende des Arbeitshubes in seine Ausgangsstellung zurückbewegt.
13. 13. Membranpumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (7) als zylindrische Schraubenfeder ausgebildet und teilweise innerhalb des napfartig ausgebildeten Kolbens (4) gelagert ist.
14. 14. Membranpumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder als Kegelfeder (30) ausgebildet ist und sich in ihrer Mitte an der vorderen Stirnseite des Entlastungskolbens (15) Und an ihrem Umfang an den Wandungen des Übertragungsraumes abstützt.
15. 15. Membranpumpe nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Fordermembran (5) ein Sieb (10) mit elastischer

    658/418

    P 13369 Ial59a

    Polsterung angeordnet ist, auf das sich die Fördermembran (5) beim Rückhub des Entlastungskolbens (15) oder bei Stillstand der Pumpe abstützen kann.
16. 16. Membranpumpe nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördermembran (33) gegenüber der Horizontalen geneigt angeordnet ist, wobei der Ansaugstutzen der Pumpenkammer im wesentlichen an der höchsten Stelle der Membran (33) und der Abflußstutzen (36) im wesentlichen an der tiefsten Stelle der Fördermembran (33) angeordnet ist, so daß von der Förderflüssigkeit mitgeführte Fremdkörper mit Gefalle zum Abflußstutzen (36) des Pumpenraumes gefördert werden.
17. 17. Membranpumpe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfluß leitung (36) der Pumpenkammer hydrodynamisch so ausgebildet ist, daß sich dort eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit ergibt, welche evtl. abgelagerte Fremdkörper mitreißen kann.

    Angezogene Druckschriften:
    Deutsche Patentschriften Nr. 854464, 854134, 502, 713 767.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

    509 658/418 2.56