EP2726739B1

EP2726739B1 - Membran zum fördern von medien

Info

Publication number: EP2726739B1
Application number: EP12729121.9A
Authority: EP
Inventors: Wolfram Knis; Oliver PRIESSNITZ; Christoph Waletzek; Godehard Nentwig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-07-01
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2017-08-09
Anticipated expiration: 2032-06-21
Also published as: BR112013033838A2; EP2726739A1; DE102011078499A1; WO2013004516A1; RU2014103287A; RU2620894C2; CN103688055B; CN103688055A

Description

Stand der Technik

Bei Förderaggregaten, wie zum Beispiel Membranpumpen zur Förderung von Betriebsmedien werden Arbeitsmembranen vorwiegend aus Elastomermaterialien eingesetzt. Mit diesen Förderaggregaten, insbesondere Membranpumpen, können beispielsweise Betriebs-/Hilfsstoffe oder Betriebsmedien, so zum Beispiel Reduktionsmittel wie eine wässrige Harnstoff-Lösung, wie sie in Abgasnachbehandlungssystemen zur Reduzierung von NO_x-Bestandteilen des Abgases eingesetzt werden, gefördert werden. Der Einsatz von Arbeitsmembranen, die vorwiegend aus Elastomermaterialien gefertigt werden, ist jedoch beschränkt auf eher niedrige Druckbereiche bis ca. 6 bar. Grundsätzlich haben solche Arbeitsmembranen den Zweck, durch angekoppelte mechanische Bauteile, die mit einem Aktor verbunden sind, eine oszillierende, ständig wechselnde Unterdruckerzeugung für das Ansaugen bzw. eine Druckerzeugung für ein Fördervolumen zu ermöglichen.
Die dazu eingesetzten Arbeitsmembranen werden in der Regel durch eine Zwischenplatte und ein Gehäuse arretiert und sind nach außen abgedichtet.
Aus DE 41 19 228 C2 ist eine derartige Arbeitsmembran sowie deren Funktionsweise bekannt. Um druckwechselbedingte Ausbeulungen zu vermeiden, wird gemäß der Lösung nach DE 41 19 228 C2 der elastische, sich bewegende, d.h. der auslenkbare Bereich der Arbeitsmembran durch Unterlegung zusätzlicher Elemente mit einer Vorspannung beaufschlagt. Insbesondere werden Unterstützungselemente aus Schaumstoff eingesetzt, um geräuschbildende Eigenschwingungen der Arbeitsmembran zu dämpfen. Das Dokument DE29620094 U1 offenbart eine Membranpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Zum Ausführen der Förderbewegung muss die Arbeitsmembran elastische Bereiche aufweisen, die sich bei Ausführung der Bewegung verformen. Diese Bereiche von Arbeitsmembranen sind jedoch mechanisch sehr hoch beansprucht und weisen nur eine begrenzte Lebensdauer auf. Des Weiteren beulen sich die elastischen Bereiche der Arbeitsmembran bei Druckunterschieden ballonartig aus, so dass das Fördervolumen abhängig vom Druck ist.

Darstellung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, an einer Arbeitsmembran zum volumetrischen Fördern von fluiden Medien, die im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet ist, den Bereich, in dem die Membran sich elastisch verformt, und die höchsten mechanischen Belastungen beim Förderhub auftreten, mit einem Unterstützungselement zu stabilisieren.
Mit dem Unterstützungselement können bereits eingesetzte Arbeitsmembranen gezielt lokal verstärkt werden und sind somit für höhere Betriebsdrücke geeignet. Durch die Verstärkung wird eine insbesondere bei höheren Betriebsdrücken auftretende ballonartige Verformung der Arbeitsmembran vermieden. Eine derartige Verformung würde das Volumen eines von der Arbeitsmembran begrenzten Elementraumes verändern und damit die Fördermenge beeinflussen. Des Weiteren wird die Lebensdauer der Arbeitsmembran durch den Einsatz eines Unterstützungselements, entscheidend verlängert.
Die Stabilität der Arbeitsmembran kann weiter verbessert werden, in dem diese zusätzlich durch Metalleinsätze, Fasern und/oder Gewebeeinsätze verstärkt wird.
Das erfindungsgemäße Unterstützungselement ist in einer Ausführungsform als Unterstützungsscheibe ausgeführt.
In weiteren Ausführungsvarianten der Erfindung ist das Unterstützungselement pilz- oder tulpenförmig ausgeführt.
In vorteilhafter Weise kann durch die Unterstützungsscheibe bzw. durch Einsatz einer Unterstützungstulpe bei Arbeitsmembranen, insbesondere unterhalb des elastischen Bereiches der Membran ein Verstärkungsteil eingesetzt werden, welches der Stabilisierung dient. Die Unterstützungsscheibe bzw. eine Unterstützungstulpe kann aus metallischen Materialien wie Blechen, Edelstahl oder auch aus Kunststoffen, so zum Beispiel aus Thermoplasten, gefertigt werden. Bei der Hubbewegung der Arbeitsmembran wird ein Elementraum bei zunehmendem Druck nicht vergrößert und das Volumen des Elementraumes bleibt gleich, da die Unterstützungsscheibe eine Verformung des weichen Elastomerteiles verhindert.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Membran, abgestützt durch ein Unterstützungselement, beispielsweise eine Unterstützungsscheibe oder eine Unterstützungstulpe, wird zwischen zwei Bauteilen, einem Gehäuseteil und einer Zwischenplatte, eingespannt. Eine Abdichtung der Arbeitsmembran kann durch einen im Randbereich der Arbeitsmembran ausgebildeten radialen Dichtwulst erreicht werden. Um bei erhöhten Temperaturen eine Ausdehnung des Elastomermaterials zu ermöglichen, weist die erfindungsgemäß vorgeschlagene, durch ein Unterstützungselement abgestützte Arbeitsmembran einen Quellraum auf. Dieser Quellraum wird zwischen einem Dichtwulst und einer Trennrippe vorgesehen und ermöglicht ein Quellen des Elastomerwerkstoffes bei Temperaturanstieg und Medienaufnahme.
Darüber hinaus ist in vorteilhafter Weise im Elementraum oberhalb der Membran, d.h. auf deren Oberseite ein zusätzliches Volumen vorgesehen, um auch hier ein Ausdehnungsraum für das Material der Arbeitsmembran zu gewährleisten.
Das Unterstützungselement, beispielsweise in Gestalt einer Unterstützungsscheibe oder einer Unterstützungstulpe, kann aufgepresst, aufgeschraubt, aufgeschweißt oder auch aufgeklebt werden. Das Unterstützungselement wird von unten her auf einen Anker oder Kolben, auf dessen Oberseite sich die Membran befindet, aufgepresst und muss somit nicht mit in den Gummiwerkstoff eingespritzt bzw. im Elementraum angeordnet werden. Dadurch ist ausgeschlossen, dass bei einer sonst vorgesehenen Anordnung im Elementraum eine Dichtungsunterbrechung auftritt, die zwangsweise zu einer Leckage bzw. einer Schädigung führt. Der Anker oder Kolben ist Teil eines Aktuators, mit dem eine Hubbewegung erzeugt und auf die Arbeitsmembran übertragen wird.
Bevorzugt wird der Rand der Unterstützungsscheibe abgerundet, wobei der Radius der Rundung so gewählt ist, dass die Arbeitsmembran bei einer Hubbewegung durch den Anker oder Kolben an dem Radius abgerollt wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante lässt sich das die Membran an der Unterseite abstützende Unterstützungselement als Unterstützungstulpe fertigen. Dieses Bauteil kann aus metallischem Werkstoff, zum Beispiel im Wege der Stanzbiegetechnik hergestellt werden. Der Vorteil der Unterstützungstulpe ist darin zu erblicken, dass diese eine wesentliche Verbesserung der Montage ermöglicht, da eine flexiblere Wandaufweitung möglich ist. Werden im Wandbereich der Unterstützungstulpe zusätzliche Schlitzungen vorgesehen, können die Montagekräfte variiert werden. Es besteht des Weiteren die Möglichkeit, an der Innenseite des tulpenförmig ausgebildeten Unterstützungselementes zusätzliche Prägungen im Radienbereich vorzusehen und so eine zusätzliche Verstärkung der den Druck aufnehmenden Flächen zu erreichen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Arbeitsmembran zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass diese für Drücke ≥ 6 bar einsetzbar ist und insbesondere bei Anwendungen im Automobilbereich eine lange Lebensdauer aufweist. Es kann eine volumetrische Förderung erreicht werden, so dass ein Verzicht auf einen Drucksensor möglich ist. Durch die von einem Unterstützungselement, beispielsweise einer Unterstützungsscheibe oder einer Unterstützungstulpe abgestützte Arbeitsmembran, lässt sich ein temperaturunabhängiges Förderverhalten ohne die beschriebenen Balloneffekte, insbesondere bei hohen Temperaturen und hohen Drücken erreichen.
Durch den an der Unterstützungsscheibe vorgesehenen Abrollradius schmiegt sich die Membran während der gesamten Hubbewegung durch den Anker an die Unterstützungsscheibe an. Die Stabilisierungswirkung wird so in jeder Phase der Bewegung erzielt.
Zusätzlich lässt sich die Arbeitsmembran durch das Einbringen von Metalleinsätzen, Fasern und/oder von Gewebeeinsetzen verstärken. Dies verbessert die Druckbeständigkeit der Membran weiter und verlängert die Lebensdauer der Arbeitsmembran erheblich.
Die Fördervolumina, die mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Arbeitsmembran bewältigt werden können, bleiben gleich, d.h. sind unabhängig von einer Quellung des Membranmaterials und Temperatureinflüssen. Ebenfalls wird die Abhängigkeit des Fördervolumens vom Druck verringert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:

Figur 1: eine Arbeitsmembran, abgestützt durch einen Anker aufgenommenes Unterstützungselement - hier in Scheibenform,
Figur 2: die von einem Stützelement abgestützte Arbeitsmembran im eingebauten Zustand zwischen einem Gehäuse und einer Zwischenplatte,
Figur 3: eine Arbeitsmembran, abgestützt durch eine Unterstützungstulpe,
Figur 4: eine perspektivische Ansicht der mit Prägungen und Schlitzungen versehenen Unterstützungstulpe von der Unterseite her,
Figur 5: eine perspektivische Widergabe einer mit Prägungen versehenen Unterstützungstulpe von der Unterseite her und
Figur 6: Kennlinien für Durchfluss von konventionellen Membranen bzw. volumetrisch fördernden Membranen.

Ausführungsvarianten

In Figur 1 ist eine Arbeitsmembran dargestellt, welche durch ein an einem Anker aufgenommenes scheibenförmiges Unterstützungselement abgestützt wird.
Figur 1 zeigt eine Arbeitsmembran 14, die durch einen Hinterschnitt 16 fest an einem Ankerkopf 12 eines Ankers 10 aufgenommen ist. Die Verbindung zwischen der Arbeitsmembran 14 und dem Ankerkopf 12 des Ankers 10 kann beispielsweise durch Vulkanisieren erfolgen. Der Anker 10 überträgt eine Hubbewegung an die Arbeitsmembran 14, durch die sich diese in den elastischen Bereichen 26 verformt. Zur Stabilisierung der Arbeitsmembran 14 ist am Anker 10 eine Unterstützungsscheibe 18 aufgenommen. Die Verbindung zwischen dem Anker 10 und der Unterstützungsscheibe 18 erfolgt über eine Pressverbindung, Schweißverbindung, Klebeverbindung und/oder Schraubverbindung 20. Die Ränder der Unterstützungsscheibe 18 sind mit einem Abrollradius 48 versehen. Durch den Abrollradius 48 an der Unterstützungsscheibe 18 schmiegt sich die Membran 14 während der gesamten Hubbewegung durch den Anker 10 an die Unterstützungsscheibe 18 an. Die Stabilisierungswirkung wird so in jeder Phase der Bewegung erzielt. Der Rand 22 der Arbeitsmembran 14 ist verstärkt ausgeführt und umschließt eine Vertiefung 24.
In dieser und in den weiteren Ausführungsformen lässt sich die Arbeitsmembran 14 zusätzlich durch das Einbringen von Metalleinsätzen, Fasern und/oder von Gewebeeinsetzen verstärken. Dies verbessert die Druckbeständigkeit der Arbeitsmembran 14 weiter und verlängert die Lebensdauer der Arbeitsmembran 14 erheblich.
In Figur 2 ist die von einem scheibenförmigen Unterstützungselement abgestützte Arbeitsmembran in einem eingebauten Zustand dargestellt.
Figur 2 zeigt die Arbeitsmembran 14, die durch den Hinterschnitt 16 fest am Ankerkopf 12 des Ankers 10 aufgenommen ist, in einem zwischen einem Gehäuseteil 31 und einer Zwischenplatte 30 eingebauten Zustand 28. Am Anker 10 ist die Unterstützungsscheibe 18 aufgenommen. Der Anker 10 ist durch eine Öffnung 51 im Gehäuseteil 31 geführt. Das Gehäuseteil 31 weist ferner eine wannenförmige Vertiefung 52 auf, die genügend Raum für die Aufnahme der Unterstützungsscheibe 18 sowie einen Hohlraum 50 bietet. Die Unterseite 36 der Arbeitsmembran 14 liegt auf einer Auflagefläche 38 des Gehäuseteils 31 auf. Über der Arbeitsmembran 14 ist die Zwischenplatte 30 angeordnet. Der verdickte Rand 22 der Arbeitsmembran 14 dient als Dichtwulst 44 und begrenzt zusammen mit der an der Zwischenplatte 30 angeordneten Trennrippe 46, der Zwischenplatte 30 und der Vertiefung 24 einen Quellraum 40. Sollte die Arbeitsmembran 14 aufgrund einer Aufnahme des geförderten Mediums aufquellen oder sich aufgrund einer Temperaturerhöhung ausdehnen, wird das zusätzliche Volumen durch den Quellraum 40 aufgenommen. Die Trennrippen 46, die Oberseite 34 der Arbeitsmembran 14 und die Zwischenplatte 30 bilden oberhalb der Arbeitsmembran 14 einen Elementraum bzw. Hubraum 32 aus. Die Größen des Elementraums 32 und des Hohlraums 50 sind an den benötigten Hub des Ankers 10 beziehungsweise an das benötigte Fördervolumen angepasst. Dieses Fördervolumen bleibt auch bei Temperatur und/oder Druckänderungen nahezu konstant. Eine Wärmeausdehnung der Arbeitsmembran 14 wird die den Quellraum 40 aufgenommen, druckbedingte Verformungen werden durch die Stabilisierung mit der Unterstützungsscheibe 18 vermindert.
In Figur 3 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der die Arbeitsmembran, durch eine Unterstützungstulpe abgestützt wird.
Figur 3 zeigt die Arbeitsmembran 14, die durch den Hinterschnitt 16 fest am Ankerkopf 12 des Ankers 10 aufgenommen ist. Bei einer Hubbewegung durch den Anker 10 verformt sich die Arbeitsmembran 14 in den elastischen Bereichen 26. Zur Stabilisierung der Arbeitsmembran 14 ist am Anker 10 eine Unterstützungstulpe 54 angeordnet. Die Unterstützungstulpe 54 wird bevorzugt durch eine Pressverbindung, bei der ein Kragen 62 der Unterstützungstulpe 54 gegen den Anker 10 gedrückt wird, befestigt. Die Position der Unterstützungstulpe 54 ist so gewählt, dass die Unterseite 36 des elastischen Bereichs 26 der Arbeitsmembran 14 an der Aufliegeseite 64 der Unterstützungstulpe 54 anliegt. Der Rand 22 der Arbeitsmembran 14 ist verstärkt ausgeführt und umschließt eine Vertiefung 24., wie bei den vorangegangenen Ausführungsvarianten beschrieben.
In Figur 4 ist eine perspektivische Ansicht der mit Prägungen und Schlitzungen versehenen Unterstützungstulpe von der Unterseite dargestellt.
Figur 4 zeigt die Unterstützungstulpe 54 in einer perspektivischen Ansicht von unten. Die Unterstützungstulpe 54 weist eine Auflagefläche 64 auf. Die Auflagefläche 64 ist im Bereich des Rands 66 zur Unterseite hin gebogen. In der Mitte der Unterstützungstulpe 54 geht die Auflagefläche 64 in einer starken Biegung in den Kragen 62 über. Die Größe des Biegeradius' liegt im Bereich der Dicke des Materials. Der Kragen 62 ist so ausgestaltet, dass die Unterstützungstulpe 54 mit dem Kragen 62 durch Pressen mit dem Anker 10 verbunden werden kann. Die Unterstützungstulpe 54 wird dabei so positioniert, dass sie von unten gegen den Ankerkopf 12 geschoben wird und die Unterseite 37 der Arbeitsmembran 14 unterstützt.
Die Unterstützungstulpe wird bevorzugt durch eine Stanzbiegetechnik ausgebildet. Dies erlaubt es die Wandaufweitung des Kragens 62 flexibel einzustellen.
Die Einpresskraft wird bevorzugt durch das Anordnen von Entlastungsschlitzen 58 im Übergangsbereich vom Kragen 62 in die Auflagefläche 64 und/oder im Kragen 62 weiter variiert. In der in Figur 4 gezeigten Ausführungsvariante sind drei Entlastungsschlitze 58 angeordnet, wobei zwischen zwei Entlastungsschlitzen 58 ein Winkel von 120° eingeschlossen wird. Je nach erforderlicher Einpresskraft können auch mehr oder weniger Entlastungsschlitze 58 vorgesehen werden. Um Druckkräfte von der Auflagefläche 64 besser auf den Kragen 62 und damit auf den Anker 10 übertragen zu können, ist es bevorzugt, Verstärkungsprägungen 56 im Übergangsbereich zwischen dem Kragen 62 und der Auflagefläche 64 anzuordnen. In der gezeigten Ausführungsform weist die Unterstützungstulpe 54 drei Verstärkungsprägungen 56 auf, die hier als ovale Rillen ausgeführt sind. Die drei Verstärkungsprägungen 56 sind um den Kragen 62 herum angeordnet, wobei zwischen zwei Verstärkungsprägungen ein Winkel von 120° eingeschlossen ist. Die Verstärkungsprägungen 56 können auch in anderen Formen, beispielsweise als über die Biegung zwischen Auflagefläche 64 und Kragen 62 verlaufende gerade Rillen ausgeführt sind. Ebenso können auch eine größere oder geringere Anzahl von Verstärkungsprägungen 56 aufgebracht werden.
In Figur 5 ist eine perspektivische Ansicht der mit Prägungen versehenen Unterstützungstulpe von der Unterseite dargestellt.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Unterstützungstulpe 54 in einer perspektivischen Ansicht von unten. Die Unterstützungstulpe 54 weist eine Auflagefläche 64 auf, die im Bereich des Rands 66 zur Unterseite hin gebogen ist. Der Kragen 62 ist in der Mitte der Auflagefläche 64 durch starkes Umbiegen des Materials ausgeformt. Zur besseren Übertragung von Druckkräften von der Auflagefläche 64 zum Kragen 62 sind In der hier gezeigten Ausführungsvariante drei als ovale Rillen ausgeführte Verstärkungsprägungen 56 angeordnet. Wie bereits für die vorangegangene Ausführungsvariante erläutert, kann je nach Anforderungen an die Stärke des Bauteils auch eine andere Anzahl und/oder andere Form der Verstärkungsprägungen 56 vorgesehen werden.
In Figur 6 sind Kennlinien für den Durchfluss bei einer Pumpe mit konventionellen Membranen und bei einer Pumpe mit volumetrisch fördernden Membranen.
Figur 6 zeigt ein Vergleichsbeispiel für den Durchfluss Q eines fluiden Mediums bei zwei Membranpumpen in Abhängigkeit des Drucks p. Die Linie 70 zeigt die Kennlinie einer Pumpe mit konventioneller Arbeitsmembran. Der Durchfluss Q nimmt deutlich mit steigendem Druck p ab. Die Linie 68 zeigt die Kennlinie einer Pumpe mit der erfindungsgemäßen volumetrisch fördernden Arbeitsmembran. Die unerwünschte Abnahme des Durchflusses Q mit zunehmenden Druck ist deutlich reduziert.
Eine mit der erfindungsgemäßen Arbeitsmembran ausgerüstete Membranpumpe eignet sich insbesondere als Förderaggregat für Betriebs-/Hilfsstoffe oder Betriebsmedien. Durch den nahezu druckunabhängigen und temperaturunabhängigen Durchfluss kann dabei eine aufwändige Messung des Durchflusses und/oder des Drucks entfallen. Ein solches Förderaggregat ist durch den stabilen Durchfluss auch für Anwendungen in der Medizintechnik geeignet.

Claims

Membranpumpe zum volumetrischen Fördern eines Fluids, mit einer Arbeitsmembran (14) zum volumetrischen Fördern des Fluides, die im eingebauten Zustand (28) zwischen Bauteilen (30, 31) aufgenommen ist und mit einem Aktuator (10, 12) zur Ausführung von Förderhüben verbunden ist, wobei die Arbeitsmembran (14) im elastischen Bereich (26) von einem Unterstützungselement (18, 54) stabilisiert ist, wobei die Arbeitsmembran (14) einen Dichtwulst (44) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Arbeitsmembran (14) und einem als Zwischenplatte (30) ausgebildeten Bauteil ein Quellraum (40) ausgebildet ist
- und wobei der Quellraum zwischen dem Dichtwulst (44) und einer an der Zwischenplatte (30) angeordneten Trennrippe (46) vorgesehen ist.
Membranpumpe (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmembran (14) mit Metalleinsätzen, Fasern und/oder Gewebeeinsätzen verstärkt ist.
Membranpumpe (14) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass in einem Elementraum (32) oberhalb der Arbeitsmembran (14), ein zusätzliches Volumen vorgesehen ist.
Membranpumpe (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Unterstützungselement (18, 54) durch Pressen, Schweißen, Kleben und/oder Schrauben an einem Aktuatoranker (10) aufgenommen ist.
Membranpumpe (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Unterstützungselement (18, 54) als Unterstützungsscheibe (18) ausgeführt ist.
Membranpumpe (14) nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Unterstützungsscheibe (18) am Rand einen Abrollradius (48) aufweist.
Membranpumpe (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterstützungselement (18, 54) als Unterstützungstulpe (54) ausgeführt ist.
Membranpumpe (14) nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Unterstützungstulpe (54) mindestens eine Verstärkungsprägung (56) aufweist.
Membranpumpe (14) nach Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Unterstützungstulpe (54) mindestens einen Entlastungsschlitz (58) aufweist.
Membranpumpe (14) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterstützungstulpe (54) aus Federblech oder einem thermoplastischen Kunststoff hergestellt ist.