EP3408535A1 - Membranverdichter - Google Patents

Membranverdichter

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EP3408535A1
EP3408535A1 EP16805854.3A EP16805854A EP3408535A1 EP 3408535 A1 EP3408535 A1 EP 3408535A1 EP 16805854 A EP16805854 A EP 16805854A EP 3408535 A1 EP3408535 A1 EP 3408535A1
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EP
European Patent Office
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membrane
compressor
drive shaft
crank
piston rod
Prior art date
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Application number
EP16805854.3A
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English (en)
French (fr)
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EP3408535B1 (de
Inventor
Michael-Thomas Benra
Sven Nigrin
Martin Nowak
Stephan Zielberg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pierburg GmbH
Original Assignee
Pierburg GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Pierburg GmbH filed Critical Pierburg GmbH
Publication of EP3408535A1 publication Critical patent/EP3408535A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3408535B1 publication Critical patent/EP3408535B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B45/00—Pumps or pumping installations having flexible working members and specially adapted for elastic fluids
    • F04B45/04—Pumps or pumping installations having flexible working members and specially adapted for elastic fluids having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B45/047—Pumps having electric drive
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B35/00—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for
    • F04B35/04—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for the means being electric
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B39/00—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00
    • F04B39/0005—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00 adaptations of pistons
    • F04B39/0022—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00 adaptations of pistons piston rods
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04B39/0094—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00 crankshaft

Definitions

  • the invention relates to a membrane compressor with an electric motor having a drive shaft, motion transmission means, which are displaceable by the drive shaft in motion, and via which a rotational movement of the drive shaft is convertible, a piston rod which is coupled to an output member of the motion transmission means and with a membrane and a compressor space, which is bounded by the membrane and a compressor head and whose volume is variable by the movement of the membrane.
  • Such membrane compressors or diaphragm pumps are used for gas or liquid conveying, in particular in areas where the fluid has harmful influences on the compressor or the pump or its components, in particular bearings, motors and the like and a leakage to the environment are completely prevented should.
  • both sewage sludge and fuels or exhaust gases from internal combustion engines and oil-mist-laden air can be promoted with such membrane compressors.
  • one-stage and multi-stage membrane compressors are known.
  • diaphragm pumps which operate essentially on the principle of a piston compressor whose piston rod is moved up and down, wherein the pump space is limited instead of by a piston through the membrane, which is moved by the piston rod.
  • the problem is the conversion of the purely rotary movement into a desired movement of the piston rod.
  • the piston rod is then guided in a tumbling motion, which, however, leads to a reduced durability of the membranes by the resulting additional flexing work.
  • Additional flexing work is understood to mean the rolling and tensioning of the membrane, which does not contribute to the actual pumping effect, but rather arises due to the asymmetrical deformation of the membrane towards the central axis of the piston rod.
  • GB 2 282 419 A describes a diaphragm pump which is driven by an electric motor and a downstream worm gear.
  • the membrane is secured to the end of a clip whose opposite end is attached to an eccentrically guided bearing so that the membrane wobbles.
  • At the compressor head there are an inlet channel and an outlet channel, in each of which sheet-shaped check valves are arranged.
  • EP 1 477 676 B1 discloses a diaphragm pump which is driven by an electric motor which is connected via a planetary gear with an eccentric, which drives the membrane, so that here also creates a detrimental additional flexing work by the tumbling motion.
  • the known diaphragm pumps have the disadvantages that an undesirable increased wear due to the uneven loading of the membrane is unavoidable, since this is repeatedly driven due to the tumbling motion occurring.
  • the structure and construction of the known diaphragm pumps or membrane compressors are very expensive, so that increased assembly and manufacturing costs. It is therefore the object to provide a membrane compressor, with which an increased life of the membrane is achieved by the occurring load on the membrane is reduced or avoided by the additional harmful flexing. This should also save energy by converting as much energy as possible into pumping work.
  • the design of the membrane compressor should be as simple as possible in order to reduce manufacturing and assembly costs.
  • the space of the compressor housing should be able to be used as completely as possible for the pumping work.
  • the movement transmission means are formed by a planetary gear
  • the output member is designed as a crank whose input shaft is guided eccentrically to the axis of rotation of the drive shaft and the output shaft to the input shaft has an axial offset corresponding to the eccentricity of the input shaft to the axis of rotation of the drive shaft, it becomes possible To convert the rotational movement of the drive shaft in a purely translational movement of the piston rod to drive the membrane.
  • the additional harmful flexing of the membrane can be significantly reduced or prevented, since no wobbling movement of the piston rod occurs by which the membrane is rolled on the one hand and on the other hand stretched. Accordingly, the life of such a compressor is significantly increased.
  • the epicyclic gear has a fixed ring gear meshing with a gear formed on the input shaft of the crank formed at the opposite end to the output shaft of the crank. Accordingly, the input shaft of the crank rolls in the ring gear, thereby reliably the movement of the drive shaft is transmitted to the input shaft of the crank.
  • the output shaft of the crank performs an exclusively translational movement and thus no harmful flexing of the membranes is performed, corresponds to the center distance of the axis of rotation of the drive shaft to the central axis of the output shaft of the crank the pitch circle diameter of the ring gear, whereby the drive correct for Lever of the crank is designed and so on the one hand prevents jamming and on the other hand, a steady engagement of the gear of the input shaft is secured to the ring gear.
  • a rotor is formed, which has an eccentric to the axis of rotation of the drive shaft formed receiving opening in which the input shaft of the crank is mounted. In this way, a reliable and durable and central bearing of the crank is generated, which can be rotated accordingly with little effort on their circular path.
  • the rotor is mounted in a compressor housing, on which the compressor head is formed, in which the membrane is mounted over its outer periphery. Additional housing parts for the storage of the rotor are therefore not required. A swinging of the rotor due to transverse forces can be prevented, whereby the life of the diaphragm compressor increases. In addition, the assembly costs and the manufacturing costs are reduced.
  • a respective compressor head is formed on the compressor housing on opposite sides, in each of which a membrane over their Outer circumference is fixed and the membranes are attached to opposite ends of the piston rod via its inner circumference.
  • a compressor is provided with two compressor compartments work in opposite directions, so that a constant pressure is provided.
  • the axis of movement of the piston rod is arranged perpendicular to the axis of rotation of the electric motor, whereby only a small space is required, since a small-sized transmission can be used.
  • the output shaft of the crank is rotatably mounted on the piston rod.
  • the relative movement of the output shaft to the piston rod is carried out correspondingly with very little friction, whereby the force required to transmit motion is reduced.
  • the piston rod has a transverse bore in which the output shaft of the crank is mounted via a bearing. An additional guidance of the piston rod can be completely dispensed with. In this way, a particularly small-sized and easily assembled unit with reduced manufacturing costs is created.
  • crank is mounted via roller bearings, in particular via needle bearings, in the recess of the rotor and the transverse bore of the piston rod, since frictional forces are largely avoided.
  • an inlet with a non-return valve opening in the direction of the compressor chamber and an outlet with a non-return valve closing in the direction of the compressor chamber are formed on the compressor head.
  • These valves can be pre-attached to the pump heads assemble and secure in a simple manner a closing of the outlet during the suction movement and a closing of the inlet during the ejection movement of the membrane.
  • a membrane compressor which can be manufactured inexpensively because the number of components is reduced and the assembly is significantly simplified. Above all, however, the harmful flexing work on the membranes is prevented by preventing a wobbling movement of the piston rod, which is moved purely translationally, so that the drive energy can be completely converted into pumping work. Thus, the energy is saved and increases the life of the membrane compressor compared to known designs.
  • Figure 1 shows a side view of a membrane compressor according to the invention in a sectional view.
  • Figure 2 shows a section of the membrane compressor of Figure 1 along the line C-C.
  • FIG. 3 shows a section of the membrane compressor from FIG. 1 along a section along the line H-H.
  • Figure 4 shows a perspective view of the crank and the rotor of the membrane compressor shown in Figure 1.
  • the membrane compressor according to the invention has an electric motor 10 with an internal rotor 12 and a radially outer stator 14.
  • the stator 14 is fixed to an inner side of a motor housing 16 and acts in a known manner with that on a drive shaft 18 of the electric motor 10 fixed rotor 12 together.
  • the drive shaft 18 and with this the rotor 12 are rotatably mounted in the motor housing via two ball bearings 20, 22.
  • the electric motor 10 is controlled via a control unit 24, which is formed in a housing space 26 at one axial end of the motor housing 16 and is closed by a cover 28.
  • a compressor housing 30 is fixed to the axial end, from which the drive shaft 18 projects, in which the drive shaft 18 or a fixed to the drive shaft 18 or integrally manufactured with this runner 32, via a needle bearing 34 in the compressor housing 30 is stored.
  • This rotor 32 has an eccentric to the axis of rotation of the drive shaft 18 formed receiving opening 36 in which an input shaft 48 serving as an output member 40 crank 42 of a planetary gear 44 is mounted via a needle bearing 46, wherein the crank 42 from the input shaft 48 and an eccentric thereto arranged output shaft 38 is composed.
  • a gear 50 is fixed on the input shaft 48 of the crank 42.
  • This gear 50 meshes with a ring gear 52, which in the compressor housing 30, the drive shaft 18 surrounding, is arranged and forms the epicyclic gear 44 with the gear 50.
  • the receiving opening 36 of the rotor 32 extends correspondingly also in an end portion of the drive shaft 18 so that it is open on one side radially. Through this opening 54, the teeth of the gear 50 of the crank 42 engage in the teeth of the ring gear 52.
  • the crank 42, the gears 50, 52 and the rotor 32 are used accordingly as motion transmission means.
  • the axial offset A of the crank 42 corresponds to the eccentricity E of the axis of rotation of the drive shaft 18 to the axis of rotation of the input shaft 48 of the crank 42 Pitch 42 of the ring gear 52 the maximum center distance of the axis of rotation of the drive shaft 18 to the central axis of the output shaft 38.
  • the crank 42 is then introduced in a position in which on the one hand the input shaft 48 and on the other hand, the output shaft 38 has a maximum distance from the axis of rotation of the drive shaft 18.
  • the translational movement of the center axis of the output shaft 38 is then along a distance vector from the axis of rotation of the drive shaft 18 to the central axis of the output shaft 38 in this state.
  • a needle bearing 55 is again arranged, which is arranged in a centrally disposed transverse bore 56 of a piston rod 58 which reciprocates upon rotation of the electric motor 10 according to the straight line described by the translational movement of the output shaft 38.
  • the compressor housing 30 has two opposite through holes 60, 62, through which the piston rod 58 extends and from which the compressor housing 30 widens outwardly in a substantially annular manner, wherein both extensions 64, 66 are closed by a cover 68, 70 and with the covers 68, 70 each form a compressor head 76, 78.
  • a respective membrane 72, 74 is fixed with its inner circumference, while the outer periphery of the membranes 72, 74 between the axial ends of the respective axial end of the extensions 64, 66 of the compressor housing 30 and the associated lid 68, 70th is trapped.
  • a compressor chamber 80, 82 is formed, which is reduced in size and enlarged upon movement of the piston rod 58 and thus the membranes 72, 74.
  • an inlet 84, 86 and an outlet 88, 90 are formed, in each of which a check valve 92, 94, 96, 98 is arranged.
  • the check valves 92, 96 in the inlets 84, 86 open corresponding to the compressor chamber 80, 82 and block outflow from the inlets 84, 86 while the check valves 94, 98 in the outlets 88, 90 prevent flow into the compressor chamber 80, 82 by closing the outlet 88, 90 and instead exiting allow the compressor chamber 80, 82 by opening the outlet 88, 90 in this direction.
  • the membranes Due to the fact that the rotary drive of the drive shaft is completely converted into a purely translational movement of the piston rod by the inventively designed epicyclic gear with the rotor and the crank, which serve as motion transmission means, the membranes are fully symmetrical loaded to the central axis of the piston rod. This means that the movement work of the membranes is completely converted into compressor work. An unnecessary flexing work on the membranes, which has an energetic negative effect, is completely prevented, whereby they have a much longer life.
  • the membrane compressor is easy to assemble and manufacture, so that costs can be reduced over known membrane compressors. It also results in a very low dead volume of the compressor, which is very compact to produce.
  • the unit of drive shaft and rotor can be made in any part and assembled.
  • other bearings may be used or the compressor may be designed with only one compressor head.
  • membrane compressors are also designed as a multi-stage compressor.

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Abstract

Membranverdichter mit einem Elektromotor (10) mit einer Antriebswelle (18), Bewegungsübertragungsmitteln (32, 42, 50, 52), welche durch die Antriebswelle (18) in Bewegung versetzbar sind, und über die eine rotatorische Bewegung der Antriebswelle (18) umwandelbar ist, einer Kolbenstange (58), die mit einem Ausgangsglied (40) der Bewegungsübertragungsmittel (32, 42, 50, 52) und mit einer Membran (72, 74) gekoppelt ist, einem Verdichterraum (80, 82), welcher durch die Membran (72, 74) und einen Verdichterkopf (76, 78) begrenzt ist und dessen Volumen durch die Bewegung der Membran (72, 74) veränderbar ist, sind bekannt. Um eine schädliche Walkarbeit der Membrane zu vermeiden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Bewegungsübertragungsmittel (32, 42, 50, 52) durch ein Umlaufgetriebe (44) gebildet sind, dessen Ausgangsglied (40) als Kurbel (42) ausgebildet ist, deren Eingangswelle (48) exzentrisch zur Drehachse der Antriebswelle (18) geführt ist und deren Ausgangswelle (38) zur Eingangswelle (48) einen Achsversatz (A) aufweist, der einer Exzentrizität (E) der Eingangswelle (48) zur Drehachse der Antriebswelle (18) entspricht.

Description

B E S C H R E I B U N G
Membranverdichter
Die Erfindung betrifft einen Membranverdichter mit einem Elektromotor mit einer Antriebswelle, Bewegungsübertragungsmitteln, welche durch die Antriebswelle in Bewegung versetzbar sind, und über die eine rotatorische Bewegung der Antriebswelle umwandelbar ist, einer Kolbenstange, die mit einem Ausgangsglied der Bewegungsübertragungsmittel und mit einer Membran gekoppelt ist und einem Verdichterraum, welcher durch die Membran und einen Verdichterkopf begrenzt ist und dessen Volumen durch die Bewegung der Membran veränderbar ist.
Derartige Membranverdichter oder auch Membranpumpen werden zur Gas- oder Flüssigkeitsförderung benutzt, und zwar insbesondere in Bereichen, in denen das Fördermedium schädliche Einflüsse auf den Verdichter oder die Pumpe oder dessen Bauteile, insbesondere Lager, Motoren und dergleichen aufweist und ein Ausströmen zur Umgebung vollständig verhindert werden soll. So können sowohl Klärschlämme als auch Kraftstoffe oder Abgase aus Verbrennungsmotoren sowie ölnebelbehaftete Luft mit solchen Membranverdichtern gefördert werden.
Hierbei existieren verschiedene Bauformen. So sind ein- und mehrstufige Membranverdichter bekannt. Verbreitet sind vor allem Membranpumpen, die im Wesentlichen nach dem Prinzip eines Kolbenkompressors arbeiten, dessen Kolbenstange auf- und abbewegt wird, wobei der Pumpenraum statt durch einen Kolben durch die Membran begrenzt wird, die durch die Kolbenstange bewegt wird. Problematisch ist bei Verwendung eines Elektromotors als Antrieb für einen derartigen Verdichter die Umwandlung der rein rotatorischen Bewegung in eine gewünschte Bewegung der Kolbenstange. Zumeist wird die Kolbenstange dann in einer Taumelbewegung geführt, was jedoch zu einer verringerten Haltbarkeit der Membranen durch die entstehende zusätzliche Walkarbeit führt. Unter zusätzlicher Walkarbeit wird das Rollen und Spannen der Membran verstanden, welche nicht zur eigentlichen Pumpwirkung beiträgt, sondern durch das zur Mittelachse der Kolbenstange unsymmetrische Verformen der Membran entsteht.
So wird in der GB 2 282 419 A eine Membranpumpe beschrieben, die über einen Elektromotor und ein nachgeschaltetes Schneckengetriebe angetrieben wird. Die Membran ist am Ende einer Spange befestigt, deren entgegengesetztes Ende an einem exzentrisch geführten Lager befestigt ist, so dass die Membran eine Taumelbewegung durchführt. Am Verdichterkopf befinden sich ein Einlasskanal und ein Auslasskanal, in denen jeweils blattförmige Rückschlagventile angeordnet sind.
Auch die EP 1 477 676 Bl offenbart eine Membranpumpe, welche über einen Elektromotor angetrieben wird, der über ein Planetengetriebe mit einem Exzenter verbunden ist, welches die Membran antreibt, so dass auch hier eine schädliche zusätzliche Walkarbeit durch die Taumelbewegung entsteht.
Entsprechend bestehen bei den bekannten Membranpumpen die Nachteile, dass ein unerwünschter erhöhter Verschleiß durch die ungleichmäßige Belastung der Membran nicht zu vermeiden ist, da diese immer wieder aufgrund der auftretenden Taumelbewegung gewalkt wird. Des Weiteren sind der Aufbau und die Konstruktion der bekannten Membranpumpen beziehungsweise Membranverdichtern sehr aufwendig, so dass erhöhte Montage- und Herstellkosten entstehen. Es stellt sich daher die Aufgabe, einen Membranverdichter zu schaffen, mit dem eine erhöhte Lebensdauer der Membran erreicht wird, indem die auftretende Belastung der Membran durch die zusätzliche schädliche Walkarbeit verringert oder vermieden wird. Auch soll hierdurch Energie eingespart werden, indem möglichst viel Antriebsenergie in Pumparbeit umgesetzt wird. Zusätzlich soll der Aufbau des Membranverdichters möglichst einfach sein, um Herstell- und Montagekosten zu verringern. Zusätzlich soll der Raum des Verdichtergehäuses möglichst vollständig für die Pumparbeit genutzt werden können.
Diese Aufgabe wird durch einen Membranverdichter mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass die Bewegungsübertragungsmittel durch ein Umlaufgetriebe gebildet sind, dessen Ausgangsglied als Kurbel ausgebildet ist, deren Eingangswelle exzentrisch zur Drehachse der Antriebswelle geführt ist und deren Ausgangswelle zur Eingangswelle einen Achsversatz aufweist, der der Exzentrizität der Eingangswelle zur Drehachse der Antriebswelle entspricht, wird es möglich, die rotatorische Bewegung der Antriebswelle in eine rein translatorische Bewegung der Kolbenstange zum Antrieb der Membran umzuwandeln. So kann die zusätzliche schädliche Walkarbeit der Membran deutlich reduziert beziehungsweise verhindert werden, da keine Taumelbewegung der Kolbenstange auftritt, durch welche die Membran einerseits gerollt und anderseits gespannt wird. Entsprechend wird die Lebensdauer eines derartigen Verdichters deutlich erhöht.
Vorzugsweise weist das Umlaufgetriebe ein feststehendes Hohlrad auf, welches mit einem Zahnrad kämmt, welches an der Eingangswelle der Kurbel ausgebildet ist, die am zur Ausgangswelle der Kurbel entgegengesetzten Ende ausgebildet ist. Entsprechend rollt die Eingangswelle der Kurbel im Hohlrad ab, wodurch auf zuverlässige Weise die Bewegung der Antriebswelle auf die Eingangswelle der Kurbel übertragen wird.
Um für eine derartige Ausführung sicherzustellen, dass die Ausgangswelle der Kurbel eine ausschließlich translatorische Bewegung vollzieht und somit keine schädliche Walkarbeit der Membranen geleistet wird, entspricht der Achsabstand der Drehachse der Antriebswelle zur Mittelachse der Ausgangswelle der Kurbel dem Teilkreisdurchmesser des Hohlrades, wodurch der Antrieb korrekt zum Hebel der Kurbel ausgelegt wird und so einerseits ein Verklemmen verhindert und andererseits ein stetiger Eingriff des Zahnrades der Eingangswelle zum Hohlrad gesichert wird.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn an der Antriebswelle des Elektromotors ein Läufer ausgebildet ist, der eine exzentrisch zur Drehachse der Antriebswelle ausgebildete Aufnahmeöffnung aufweist, in der die Eingangswelle der Kurbel gelagert ist. Auf diese Weise wird eine zuverlässige und langlebige und mittige Lagerung der Kurbel erzeugt, welche entsprechend mit geringem Kraftaufwand auf ihrer Kreisbahn gedreht werden kann.
In einer hierzu weiterführenden Ausbildung der Erfindung ist der Läufer in einem Verdichtergehäuse gelagert, an welchem der Verdichterkopf ausgebildet ist, in dem die Membran über ihren Außenumfang befestigt ist. Zusätzliche Gehäuseteile zur Lagerung des Läufers sind somit nicht erforderlich. Ein Schwingen des Läufers durch auftretende Querkräfte kann so verhindert werden, wodurch die Lebensdauer des Membranverdichters steigt. Zusätzlich werden der Montageaufwand sowie die Herstellkosten verringert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist am Verdichtergehäuse an gegenüberliegenden Seiten jeweils ein Verdichterkopf ausgebildet, in dem je eine Membran über ihren Außenumfang befestigt ist und die Membranen sind an entgegengesetzten Enden der Kolbenstange über ihren Innenumfang befestigt. Somit wird ein Verdichter mit zwei Verdichterräumen geschaffen die gegensätzlich arbeiten, so dass stetig ein Druck zur Verfügung gestellt wird.
Vorzugsweise ist die Bewegungsachse der Kolbenstange senkrecht zur Drehachse des Elektromotors angeordnet, wodurch lediglich ein geringer Bauraum benötigt wird, da ein klein bauendes Getriebe verwendet werden kann.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Ausgangswelle der Kurbel drehbeweglich an der Kolbenstange gelagert ist. Die Relativbewegung der Ausgangswelle zur Kolbenstange erfolgt entsprechend mit sehr geringer Reibung, wodurch der Kraftaufwand zur Bewegungsübertragung reduziert wird.
In einer besonders einfachen bevorzugten Ausführungsform weist die Kolbenstange eine Querbohrung auf, in der die Ausgangswelle der Kurbel über ein Lager gelagert ist. Auf eine zusätzliche Führung der Kolbenstange kann vollständig verzichtet werden. Auf diese Weise wird eine besonders klein bauende und leicht montierbare Einheit mit reduzierten Herstellkosten geschaffen.
Besonders vorteilhaft ist es entsprechend, wenn die Kurbel über Wälzlager, insbesondere über Nadellager, in der Ausnehmung des Läufers und der Querbohrung der Kolbenstange gelagert ist, da Reibungskräfte weitestgehend vermieden werden.
Vorzugsweise sind am Verdichterkopf ein Einlass mit einem in Richtung des Verdichterraums öffnenden Rückschlagventil und ein Auslass mit einem in Richtung des Verdichterraums schließenden Rückschlagventil ausgebildet. Diese Ventile lassen sich vorab an den Pumpenköpfen montieren und sichern auf einfache Weise ein Schließen des Auslasses bei der Ansaugbewegung sowie ein Schließen des Einlasses bei der Ausstoßbewegung der Membran.
Es wird somit ein Membranverdichter geschaffen, der kostengünstig hergestellt werden kann, da die Anzahl an Bauteilen reduziert wird und die Montage deutlich vereinfacht wird. Vor allem wird jedoch die schädliche Walkarbeit an den Membranen durch Verhinderung einer Taumelbewegung der Kolbenstange verhindert, welche rein translatorisch bewegt wird, so dass die Antriebsenergie vollständig in Pumparbeit umgesetzt werden kann. Somit wird die Energie eingespart und die Lebensdauer des Membranverdichters im Vergleich zu bekannten Ausführungen erhöht.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Membranverdichters ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Membranverdichters in geschnittener Darstellung.
Figur 2 zeigt einen Schnitt des Membranverdichters aus Figur 1 entlang der Linie C-C.
Figur 3 zeigt einen Ausschnitt des Membranverdichters aus Figur 1 entlang im Schnitt entlang der Linie H-H.
Figur 4 zeigt eine perspektivische Ansicht der Kurbel und des Läufers des in Figur 1 dargestellten Membranverdichters.
Der erfindungsgemäße Membranverdichter weist einen Elektromotor 10 mit einem innenliegenden Rotor 12 sowie einem radial äußeren Stator 14 auf. Der Stator 14 ist an einer Innenseite eines Motorgehäuses 16 befestigt und wirkt in bekannter Weise mit dem auf einer Antriebswelle 18 des Elektromotors 10 befestigten Rotor 12 zusammen. Die Antriebswelle 18 und mit dieser der Rotor 12 sind über zwei Kugellager 20, 22 im Motorgehäuse drehbar gelagert. Der Elektromotor 10 wird über eine Steuereinheit 24 angesteuert, die in einem Gehäuseraum 26 an einem axialen Ende des Motorgehäuses 16 ausgebildet ist und durch einen Deckel 28 verschlossen wird.
Am Motorgehäuse 16 ist an dem axialen Ende, aus dem die Antriebswelle 18 ragt, ein Verdichtergehäuse 30 befestigt, in welches die Antriebswelle 18 beziehungsweise ein an der Antriebswelle 18 befestigter oder einstückig mit dieser hergestellter Läufer 32 hineinragt, der über ein Nadellager 34 in dem Verdichtergehäuse 30 gelagert wird.
Dieser Läufer 32 weist eine exzentrisch zur Drehachse der Antriebswelle 18 ausgebildete Aufnahmeöffnung 36 auf, in der eine Eingangswelle 48 einer als Ausgangsglied 40 dienenden Kurbel 42 eines Umlaufgetriebes 44 über ein Nadellager 46 gelagert ist, wobei die Kurbel 42 aus der Eingangswelle 48 und einer exzentrisch dazu angeordneten Ausgangswelle 38 besteht. Auf der Eingangswelle 48 der Kurbel 42 ist ein Zahnrad 50 befestigt. Dieses Zahnrad 50 kämmt mit einem Hohlrad 52, welches im Verdichtergehäuse 30, die Antriebswelle 18 umgebend, angeordnet ist und mit dem Zahnrad 50 das Umlaufgetriebe 44 bildet. Die Aufnahmeöffnung 36 des Läufers 32 erstreckt sich entsprechend auch noch in einen Endabschnitt der Antriebswelle 18, so dass diese einseitig radial geöffnet ist. Durch diese Öffnung 54 greifen die Zähne des Zahnrades 50 der Kurbel 42 in die Zähne des Hohlrades 52. Die Kurbel 42, die Zahnräder 50, 52 sowie der Läufer 32 dienen entsprechend als Bewegungsübertragungsmittel.
Damit eine Ausgangswelle 38 der Kurbel 42 eine rein translatorische Bewegung vollzieht, entspricht der Achsversatz A der Kurbel 42 der Exzentrizität E der Drehachse der Antriebswelle 18 zur Drehachse der Eingangswelle 48 der Kurbel 42. Zusätzlich entspricht der Teilkreisdurchmesser des Hohlrades 52 dem maximalen Achsabstand der Drehachse der Antriebswelle 18 zur Mittelachse der Ausgangswelle 38. Die Kurbel 42 wird dann in einer Position eingebracht, in der einerseits die Eingangswelle 48 und andererseits die Ausgangswelle 38 einen maximalen Abstand zur Drehachse der Antriebswelle 18 aufweisen. Die translatorische Bewegung der Mittelachse der Ausgangswelle 38 erfolgt dann entlang eines Abstandsvektors von der Drehachse der Antriebswelle 18 zur Mittelachse der Ausgangswelle 38 in diesem Zustand.
Auf der Ausgangswelle 38 ist erneut ein Nadellager 55 angeordnet, welches in einer mittig angeordneten Querbohrung 56 einer Kolbenstange 58 angeordnet ist, welche sich bei Drehung des Elektromotors 10 entsprechend auf der beschriebenen Geraden durch die translatorische Bewegung der Ausgangswelle 38 hin- und herbewegt.
Das Verdichtergehäuse 30 weist zwei gegenüberliegende Durchgangsöffnungen 60, 62 auf, durch die sich die Kolbenstange 58 erstreckt und von denen aus sich das Verdichtergehäuse 30 nach außen im Wesentlichen ringförmig erweitert, wobei beide Erweiterungen 64, 66 durch je einen Deckel 68, 70 verschlossen werden und mit den Deckeln 68, 70 je einen Verdichterkopf 76, 78 bilden. An beiden axialen Enden der Kolbenstange 58 ist jeweils eine Membran 72, 74 mit ihrem Innenumfang befestigt, während der Außenumfang der Membranen 72, 74 zwischen den axialen Enden dem jeweiligen axialen Ende der Erweiterungen 64, 66 des Verdichtergehäuses 30 und dem zugehörigen Deckel 68, 70 eingeklemmt ist. Entsprechend wird zwischen der jeweiligen Membran 72, 74 und dem zugehörigen Deckel 68, 70 ein Verdichterraum 80, 82 gebildet, der bei Bewegung der Kolbenstange 58 und damit der Membranen 72, 74 verkleinert und vergrößert wird. Um entsprechend Gas ansaugen und ausstoßen zu können sind an den Deckeln 68, 70 jeweils ein Einlass 84, 86 und ein Auslass 88, 90 ausgebildet, in denen jeweils ein Rückschlageventil 92, 94, 96, 98 angeordnet ist. Die Rückschlagventile 92, 96 in den Einlässen 84, 86 öffnen entsprechend zum Verdichterraum 80, 82 und sperren ein Ausströmen aus den Einlässen 84, 86 während die Rückschlagventile 94, 98 in den Auslässen 88, 90 ein Einströmen in den Verdichterraum 80, 82 durch Schließen des Auslasses 88, 90 verhindern und stattdessen ein Ausströmen aus dem Verdichterraum 80, 82 durch Öffnen des Auslasses 88, 90 in diese Richtung zulassen.
Es ist ersichtlich, dass durch diesen doppelköpfigen Membranverdichter im Wesentlichen stetig gefördert wird, da während in den ersten Verdichterkopf 76 Gas angesaugt wird, aus dem zweiten Verdichterkopf 78 Gas ausgestoßen wird und umgekehrt.
Aufgrund der Tatsache, dass durch das erfindungsgemäß ausgeführte Umlaufgetriebe mit dem Läufer und der Kurbel, welche als Bewegungsübertragungsmittel dienen, die rotatorische Bewegung der Antriebswelle vollständig in eine rein translatorische Bewegung der Kolbenstange umgewandelt wird, werden die Membranen vollständig symmetrisch zur Mittelachse der Kolbenstange belastet. Dies bedeutet, dass die Bewegungsarbeit der Membranen vollständig in Verdichterarbeit umgewandelt wird. Eine unnötige Walkarbeit an den Membranen, welche sich energetisch negativ auswirkt, wird vollständig verhindert, wodurch diese eine deutlich längere Lebensdauer aufweisen. Zusätzlich ist der Membranverdichter einfach zu montieren und herzustellen, so dass Kosten gegenüber bekannten Membranverdichtern reduziert werden können. Es ergibt sich des Weiteren ein sehr geringes Totvolumen des Verdichters, welcher sehr kompakt herzustellen ist.
Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des Hauptanspruchs nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt ist. So kann beispielsweise die Einheit aus Antriebswelle und Läufer beliebig mehrteilig hergestellt und zusammengesetzt werden. Auch können andere Lagerungen verwendet werden oder der Verdichter mit lediglich einem Verdichterkopf ausgeführt werden. Selbstverständlich kann ein derartiger Membranverdichter auch als mehrstufiger Verdichter ausgeführt werden.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
Membranverdichter mit
einem Elektromotor (10) mit einer Antriebswelle (18),
Bewegungsübertragungsmitteln (32, 42, 50, 52), welche durch die Antriebswelle (18) in Bewegung versetzbar sind, und über die eine rotatorische Bewegung der Antriebswelle (18) umwandelbar ist, einer Kolbenstange (58), die mit einem Ausgangsglied (40) der Bewegungsübertragungsmittel (32, 42, 50, 52) und mit einer Membran (72, 74) gekoppelt ist,
einem Verdichterraum (80, 82), welcher durch die Membran (72, 74) und einen Verdichterkopf (76, 78) begrenzt ist und dessen Volumen durch die Bewegung der Membran (72, 74) veränderbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bewegungsübertragungsmittel (32, 42, 50, 52) durch ein Umlaufgetriebe (44) gebildet sind, dessen Ausgangsglied (40) als Kurbel (42) ausgebildet ist, deren Eingangswelle (48) exzentrisch zur Drehachse der Antriebswelle (18) geführt ist und deren Ausgangswelle (38) zur Eingangswelle (48) einen Achsversatz (A) aufweist, der einer Exzentrizität (E) der Eingangswelle (48) zur Drehachse der Antriebswelle (18) entspricht.
Membranverdichter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Umlaufgetriebe (44) ein feststehendes Hohlrad (52) aufweist, welches mit einem Zahnrad (50) kämmt, welches an der Eingangswelle (48) der Kurbel (42) ausgebildet ist, die am zur Ausgangswelle (38) der Kurbel (42) entgegengesetzten Ende ausgebildet ist.
3. Membranverdichter nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der maximale Achsabstand der Drehachse der Antriebswelle (18) zur Mittelachse der Ausgangswelle (38) der Kurbel (42) dem Teilkreisdurchmesser des Hohlrades (52) entspricht.
4. Membranverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
an der Antriebswelle (18) des Elektromotors (10) ein Läufer (32) ausgebildet ist, der eine exzentrisch zur Drehachse der Antriebswelle (18) ausgebildete Aufnahmeöffnung (36) aufweist, in der die Eingangswelle (48) der Kurbel (42) gelagert ist.
5. Membranverdichter nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Läufer (32) in einem Verdichtergehäuse (30) gelagert ist, an welchem der Verdichterkopf (76, 78) ausgebildet ist, in dem die Membran (72, 74) über ihren Außenumfang befestigt ist. 6. Membranverdichter nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
am Verdichtergehäuse (30) an gegenüberliegenden Seiten jeweils ein Verdichterkopf (76, 78) ausgebildet ist, in dem je eine Membran (72, 74) über ihren Außenumfang befestigt ist und die Membranen (72, 74) an entgegengesetzten Enden der Kolbenstange (58) über ihren Innenumfang befestigt sind.
7. Membranverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bewegungsachse der Kolbenstange (58) senkrecht zur Drehachse des Elektromotors angeordnet ist.
8. Membranverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausgangswelle (38) der Kurbel (42) drehbeweglich an der Kolbenstange (58) gelagert ist. 9. Membranverdichter nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kolbenstange (58) eine Querbohrung (56) aufweist, in der die Ausgangswelle (38) der Kurbel (42) über ein Lager (55) gelagert ist. 10. Membranverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kurbel (42) über Wälzlager (46, 55), insbesondere über Nadellager, in der Aufnahmeöffnung (36) des Läufers (32) und der Querbohrung (56) der Kolbenstange (58) gelagert ist.
11. Membranverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
am Verdichterkopf (76, 78) ein Einlass (84, 86) mit einem in Richtung des Verdichterraums (80, 82) öffnenden Rückschlagventil (92, 96) und ein Auslass (88, 90) mit einem in Richtung des Verdichterraums (80, 82) schließenden Rückschlagventil (94, 98) ausgebildet sind.
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