EP1525399B1

EP1525399B1 - Membranpumpe

Info

Publication number: EP1525399B1
Application number: EP04714736A
Authority: EP
Inventors: Erich Becker
Original assignee: KNF Neuberger GmbH
Current assignee: KNF Neuberger GmbH
Priority date: 2003-03-22
Filing date: 2004-02-26
Publication date: 2008-06-25
Anticipated expiration: 2024-02-26
Also published as: JP2006520868A; EP1525399A1; DE502004007433D1; US20060039806A1; DE10312899A1; US7363850B2; WO2004083639A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Membranpumpe mit einer während der Pumpbewegungen zwischen einem unteren und einem oberen Totpunkt oszillierenden Arbeitsmembrane, die zwischen sich und einer vorzugsweise konkav gewölbten Pumpraumwand einen Pumpraum begrenzt, wobei die Arbeitsmembrane im oberen Totpunkt an der Pumpraumwand anliegt.
Membranpumpen der eingangs erwähnten Art sind bereits in verschiedenen Ausführungen bekannt. Werden solche Membranpumpen im tieferen Vakuumbereich betrieben, besteht die Gefahr, dass die Arbeitsmembrane aufgrund der zwischen Membranober- und - unterseite auftretenden Differenzdruckbelastung ausbeult und auf diese Weise das Schöpfraumvolumen verkleinert. Gerade in diesem tieferen Vakuumbereich treten große Druckdifferenzen zwischen Membranober- und -unterseite auf. Während auf die Membranunterseite in der Regel der atmosphärische Druck lastet, wirkt auf die Membranoberseite der jeweilige Evakuierungsdruck ein, wobei sich die maximale Druckdifferenz aus atmosphärischem Druck minus Enddruck der Membranpumpe ergibt.
Bei den üblichen Membranen herkömmlicher Membranpumpen, insbesondere wenn diese Membranpumpen im Bereich des Enddruckes arbeiten und auf den Membranen große Druckdifferenzen lasten, ist festzustellen, dass die seitliche elastische Zone der flexiblen Membrane durch den atmosphärischen Druck in Richtung zum Förderraum ausgebeult wird. Dieses "Ausbeulen" der Membrane führt dazu, dass das Schöpfraumvolumen entscheidend verkleinert wird, was sich negativ auf das Saugvermögen der Membranpumpen auswirkt.
Besonders ausgeprägt ist diese Formveränderung bei zwei- und mehrstufigen Membranpumpen mit tiefen Enddrücken. Bei diesen Pumpen ist die tiefere Vakuumstufe am stärksten betroffen, da hier die größten Druckdifferenzen auftreten.
Aus der WO 00/49293 ist bereits eine Membranmpumpe mit einer Arbeitsmembrane aus elastischem Material bekannt, die in ihrem verstärkten Zentralbereich eine Aufnahmehöhlung für einen Pleuelkopf hat und außenseitig mit einem Einspannrand am Pumpengehäuse gehalten ist. An der dem Pumpraum zugewandten Oberseite der Membrane sind radial nach außen benachbart zu dem verstärkten Zentralbereich der Membrane mehrere, in radialer Richtung zueinander beabstandete und in Umfangsrichtung umlaufende Rippen vorgesehen, durch die eine höhere Festigkeit der Membrane gegen Druck bei Beibehaltung der Flexibilität der den Zentralbereich umgrenzenden äußeren Ringzone der Membrane angestrebt wird.
Mit Hilfe der an der Membranoberseite der vorbekannten Membrane vorgesehenen Rippen wird zwar einer Rissbildung an der Membranoberseite entgegengewirkt -, ein Ausbeulen der Membrane in ihrer zwischen Einspannrand und Zentralbereich vorgesehenen flexiblen Ringzone lässt sich jedoch mit den in Umfangsrichtung orientierten Rippen keinesfalls vermeiden.
Es besteht daher insbesondere die Aufgabe, eine Membranpumpe der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die auch bei zwischen Membranober- und -Unterseite auftretenden erhöhten Differenzdruckbelastungen weder zu einer Vergrößerung des Totraumvolumens noch zu einer Verkleinerung des Schöpfraumvolumens neigt.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht bei der Membranpumpe der eingangs erwähnten Art insbesondere in den Merkmalen des geltenden Patentanspruchs 1.
Die erfindungsgemäße Membranpumpe hat eine Arbeitsmembrane, die eine innere und eine äußere Ringzone aufweist, wobei zwischen diesen Ringzonen ein ausgesteifter und während der Pumpbewegungen unverformbarer Membranbereich angeordnet ist. Während die innere und die äußere Ringzone zwei Scharnierbereiche bilden, die das durch den Hub erforderliche Knicken der Arbeitsmembrane in diesen Bereichen erlauben, wirkt der dazwischenliegende unverformbare Membranbereich einem unerwünschten und leistungsmindernden Ausbeulen der Arbeitsmembrane bei erhöhten Differenzdruckbelastungen entgegen. Dabei erfolgt die Aussteifung der Membrane in ihrem unverformbaren Membranbereich derart, dass die Arbeitsmembrane im oberen Totpunkt dennoch ungehindert an der vorzugsweise konkav gewölbten Pumpraumwand anliegt.
Die Arbeitsmembrane ist in ihrem unverformbaren Membranbereich erfindungsgemäß mittels radial orientierter und in Umfangsrichtung voneinander beabstandeter Stützrippen ausgesteift, die auf der der Pumpraumwand abgewandten Membranunterseite angeordnet sind. Da die Arbeitsmembrane der erfindungsgemäßen Membranpumpe an ihrer der Pumpraumwand abgewandten Membranunterseite derart aussteifende Stützrippen hat, kann diese in ihrem unverformbaren Membranbereich aus einer einschichtigen Materiallage gebildet sein. Dabei sind die Stütz- oder Verstärkungsrippen geometrisch und maßlich so ausgestaltet, dass beispielsweise auch bei tiefen Enddrücken der während des Ansaughubs auf der Membranunterseite herrschende Atmosphärendruck die Membrane in ihrem unverformbaren Membranbereich nicht durchbiegen können. Die diesen Membranbereich aussteifenden Stützrippen werden beidseits durch die verformbaren Ringzonen begrenzt, welche die für die Walkbewegungen der Membrane während der Pumpbewegungen erforderlichen Scharnierbereiche bilden.
Die Stützrippen können in radialer Richtung an der Membranunterseite angeordnet sein. Je größer jedoch der Winkel der Stützrippen zur Radialen ist, desto geringer ist die radiale Verformung der Stützrippen und die mit einer Vergrößerung des schädlichen Raums sowie mit einer Verminderung des Endvakuums verbundene Deformation der dem Verdichtungsraum zugewandten Kontur der Rippen. Dabei sieht eine Weiterbildung gemäß der Erfindung vor, dass die Stützrippen eine gekrümmte Längserstreckung aufweisen und somit praktisch spiralförmig an der Membranunterseite angeordnet sind.
Weisen die Rippen demgegenüber eine gerade Längserstreckung auf, kann es vorteilhaft sein, wenn die Stützrippen vorzugsweise bis zu ± 30° von der Radialen abweichen.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn die in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Stützrippen dieselbe Krümmungsrichtung oder Abweichung von der Radialen haben.
Damit sich insbesondere auch eine in ihrem unverformbaren Membranbereich gleichmäßig dicke Arbeitsmembrane im oberen Totpunkt gut an die vorzugsweise konkav gewölbte Pumpraumwand anlegen kann, ist es vorteilhaft, wenn die der Pumpraumwand zugewandte Seite der Stützrippen an die Kontur der Pumpraumwandform angepasst ist.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Ansprüchen sowie der Zeichnung. Die einzelnen Merkmale können je für sich oder zu mehreren bei einer Ausführungsform gemäß der Erfindung verwirklicht sein.
Es zeigt in schematischer Darstellung:

Fig. 1: die Arbeitsmembrane einer Membranpumpe im oberen Totpunkt ihrer Pumpbewegungen, wobei die Arbeitsmembrane zwei als verformbare Scharnierbereiche wirkende Ringzonen hat, zwischen denen ein mittels Stützrippen ausgesteifter unverformbarer Membranbereich angeordnet ist,
Fig. 2: die Arbeitsmembrane aus Fig. 1 im unteren Totpunkt ihrer Pumpbewegungen,
Fig. 3: die Membranunterseite einer mit Fig. 1 vergleichbaren Arbeitsmembrane und
Fig. 4: die Arbeitsmembrane aus den Fig. 1 bis 3 in einer geänderten Ausführungsform.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Membranpumpe 1 im Bereich ihres Pumpenkopfes 2 dargestellt. Die Membranpumpe 1 weist eine Arbeitsmembrane 3 auf, die an ihrem Umfangsrand im Pumpenkopf eingespannt ist. In die Arbeitsmembrane 3 ist ein zentraler Befestigungskern 4 eingeformt, der mit dem Pleuel 5 eines hier nicht weiter dargestellten Kurbelantriebs verbunden ist. Die während der Pumpbewegungen zwischen dem in Fig. 1 dargestellten oberen Totpunkt und dem in Fig. 2 gezeigten unteren Totpunkt oszillierende Arbeitsmembrane 3 begrenzt zwischen sich und einer konkav gewölbten Pumpraumwand 6 einen Pumpraum 7.
Insbesondere wenn die hier dargestellte Membranpumpe 1, beispielsweise als Vorpumpe einer Turbomolekularpumpe, in tieferen Vakuumbereichen arbeitet, treten große Druckdifferenzen zwischen Membranober- und -unterseite auf. Damit nicht die Arbeitsmembrane 3 unter der zwischen Membranober- und -unterseite auftretenden Differenzdruckbelastung ausbeult und sich dadurch das Schöpfraumvolumen entscheidend verkleinert, weist die Arbeitsmembrane 3 eine ausgesteifte und während der Pumpbewegungen im wesentlichen unverformbare Ringzone auf. Dieser unverformbare Membranbereich wird durch eine innere Ringzone 8 und eine äußere Ringzone 9 begrenzt, die als verformbare Scharnierbereiche während der Pumpbewegungen dienen.
Zur Aussteifung der Membrane in ihrem unverformbaren Membranbereich sind hier radial orientierte Stützrippen 10 vorgesehen, die an der der Pumpraumwand 6 abgewandten Membranunterseite angeordnet sind. Diese Stützrippen 10 sind in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen voneinander beabstandet. Damit sich die Arbeitsmembrane 3 - wie Fig. 1 zeigt - im oberen Totpunkt an die Pumpraumwand 6 vorzugsweise vollflächig anlegen kann, ist die der Pumpraumwand 6 zugewandte Seite der Stützrippen 10 an die Kontur der Pumpraumwand 6 formangepasst.
Wie in Fig. 3 dargestellt ist, können die Stützrippen 10 eine gerade Längserstreckung haben. Um die Aussteifung der Arbeitsmembrane 3 in der unverformbaren Ringzone zu begünstigen, kann es vorteilhaft sein, wenn die Stützrippen 10 vorzugsweise bis zu ± 30° von der Radialen abweichen. Möglich ist aber auch, dass die Stützrippen - wie in Fig. 4 gezeigt ist - eine gekrümmte Längserstreckung aufweisen und praktisch spiralförmig auf der Membranunterseite angeordnet sind.
Je größer der Winkel der in Fig. 3 und 4 gezeigten Stützrippen 10 zur Radialen ist, desto geringer ist die radiale Verformung der Stützrippen 10 und die mit einer Vergrößerung des schädlichen Raums sowie mit einer Verminderung des Endvakuums verbundene Deformation der dem Verdichtungs- oder Pumpraum 7 zugewandten Kontur der Stützrippen 10.

Claims

Membranpumpe (1) mit einer während der Pumpbewegungen zwischen einem unteren und einem oberen Totpunkt oszillierenden Arbeitsmembrane (3), die zwischen sich und einer Pumpraumwand (6) einen Pumpraum (7) begrenzt und die im oberen Totpunkt an der Pumpraumwand (6) anliegt, wobei die Arbeitsmembrane (3) eine innere und eine äußere Ringzone (8, 9) aufweist, die während der Pumpbewegungen verformbar sind, wobei zwischen diesen Ringzonen (8, 9) ein ausgesteifter und während der Pumpbewegungen im wesentlichen unverformbarer Membranbereich angeordnet ist, und wobei die Arbeitsmembrane (3) in ihrem unverformbaren Membranbereich mittels radial orientierter und in Umfangsrichtung voneinander beabstandeter Stützrippen (10) ausgesteift ist, die auf der der Pumpraumwand (6) abgewandten Membranunterseite angeordnet sind.
Membranpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpraumwand konkav gewölbt ist.
Membranpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützrippen (10) eine gekrümmte Längserstreckung aufweisen.
Membranpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützrippen (10) eine gerade Längserstreckung haben.
Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützrippen (10) vorzugsweise bis zu Plus/Minus 30° von der Radialen abweichen.
Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Stützrippen (10) dieselbe Krümmungsrichtung oder Abweichung von der Radialen haben.
Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die der Pumpraumwand (6) zugewandte Seite der Stützrippen (10) an die Kontur der Pumpraumwand (6) formangepasst ist.