EP3408535B1 - Membranverdichter - Google Patents

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EP3408535B1
EP3408535B1 EP16805854.3A EP16805854A EP3408535B1 EP 3408535 B1 EP3408535 B1 EP 3408535B1 EP 16805854 A EP16805854 A EP 16805854A EP 3408535 B1 EP3408535 B1 EP 3408535B1
Authority
EP
European Patent Office
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compressor
diaphragm
crank
drive shaft
piston rod
Prior art date
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EP16805854.3A
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English (en)
French (fr)
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EP3408535A1 (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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Publication date
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Publication of EP3408535A1 publication Critical patent/EP3408535A1/de
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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
    • 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
    • F04B39/0094—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 diaphragm compressor with an electric motor having a drive shaft, movement transmission means which can be set in motion by the drive shaft and via which a rotary movement of the drive shaft can be converted, a piston rod which is coupled to an output member of the movement transmission means and to a diaphragm and a compressor chamber which is delimited by the membrane and a compressor head and the volume of which can be changed by the movement of the membrane.
  • Such diaphragm compressors or diaphragm pumps are used for gas or liquid delivery, in particular in areas in which the delivery medium has deleterious influences on the compressor or the pump or its components, in particular bearings, motors and the like, and outflow to the environment is completely prevented should. Sewage sludge as well as fuels or exhaust gases from internal combustion engines as well as air contaminated with oil mist can be conveyed with such membrane compressors.
  • the document CN101285461 A discloses a diaphragm compressor according to the preamble of claim 1.
  • EP 1 477 676 B1 discloses a diaphragm pump which is driven by an electric motor which is connected via a planetary gear to an eccentric which drives the diaphragm, so that here, too, harmful additional flexing work is caused by the wobble movement.
  • the construction of the diaphragm 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 motion transmission means are formed by a planetary gear
  • the output member is designed as a crank
  • the input shaft is eccentrically guided to the axis of rotation of the drive shaft
  • the output shaft to the input shaft has an axis offset that corresponds to the eccentricity of the input shaft to the axis of rotation of the drive shaft
  • the epicyclic gear has a fixed ring gear which meshes with a gear which is formed on the input shaft of the crank, which is formed on the end opposite the output shaft of the crank. Accordingly, the input shaft of the crank rolls in the ring gear, making it reliable the movement of the drive shaft is transmitted to the input shaft of the crank.
  • the center distance of the axis of rotation of the drive shaft to the central axis of the output shaft of the crank corresponds to the pitch circle diameter of the ring gear, so that the drive is correct Lever of the crank is designed and on the one hand prevents jamming and on the other hand a constant engagement of the gear of the input shaft with the ring gear is ensured.
  • a rotor is formed on the drive shaft of the electric motor, which rotor has a receiving opening which is formed eccentrically to the axis of rotation of the drive shaft and 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 its circular path.
  • the rotor is mounted in a compressor housing on which the compressor head is formed, in which the membrane is fastened over its outer circumference. Additional housing parts for bearing the rotor are therefore not necessary. This prevents the rotor from vibrating due to transverse forces, which increases the service life of the diaphragm compressor. In addition, the assembly effort and the manufacturing costs are reduced.
  • a compressor head is formed on the compressor housing on opposite sides, in each of which a membrane over their External periphery is attached and the membranes are attached to opposite ends of the piston rod over their inner circumference.
  • the axis of movement of the piston rod is preferably arranged perpendicular to the axis of rotation of the electric motor, as a result of which only a small installation space is required, since a small-sized gear 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 takes place with very little friction, which reduces the effort required to transmit the movement.
  • the piston rod has a transverse bore in which the crank output shaft is mounted via a bearing. There is no need for an additional guidance of the piston rod. In this way, a particularly small-sized and easily assembled unit with reduced manufacturing costs is created.
  • crank is mounted in the recess of the rotor and in the transverse bore of the piston rod via roller bearings, in particular via needle bearings, since frictional forces are largely avoided.
  • An inlet with a check valve opening in the direction of the compressor chamber and an outlet with a check valve closing in the direction of the compressor chamber are preferably formed on the compressor head. These valves can be attached to the pump heads in advance assemble and secure in a simple manner closing the outlet during the suction movement and closing the inlet during the ejection movement of the membrane.
  • a membrane compressor is thus created, which can be manufactured inexpensively, since 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 the piston rod from wobbling, which is moved in a purely translatory manner, so that the drive energy can be converted completely into pumping work. This saves energy and increases the service life of the diaphragm compressor compared to known designs.
  • the diaphragm compressor according to the invention has an electric motor 10 with an inner rotor 12 and a radially outer stator 14.
  • the stator 14 is fastened to an inside of a motor housing 16 and acts in a known manner with that on a drive shaft 18 of the electric motor 10 attached rotor 12 together.
  • the drive shaft 18 and with it 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 an axial end of the motor housing 16 and is closed by a cover 28.
  • a compressor housing 30 is fastened to the motor housing 16 at the axial end from which the drive shaft 18 protrudes, into which the drive shaft 18 or a rotor 32 fastened or made in one piece with the drive shaft 18 protrudes, which runs via a needle bearing 34 in the compressor housing 30 is stored.
  • This rotor 32 has a receiving opening 36 which is formed eccentrically to the axis of rotation of the drive shaft 18 and in which an input shaft 48 of a crank 42 of an epicyclic gear 44 serving as an output member 40 is mounted via a needle bearing 46, the crank 42 consisting of the input shaft 48 and an eccentric one arranged output shaft 38 there.
  • a gearwheel 50 is fastened on the input shaft 48 of the crank 42.
  • This gear 50 meshes with a ring gear 52, which is arranged in the compressor housing 30, surrounding the drive shaft 18, and forms the epicyclic gear 44 with the gear 50.
  • the receiving opening 36 of the rotor 32 accordingly also extends into an end section of the drive shaft 18, so that it is radially open on one side. Through this opening 54, the teeth of the gear wheel 50 of the crank 42 engage in the teeth of the ring gear 52.
  • the crank 42, the gear wheels 50, 52 and the rotor 32 serve accordingly as movement transmission means.
  • the axis 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 circle diameter 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 are at a maximum distance from the axis of rotation of the drive shaft 18.
  • the translational movement of the central axis of the output shaft 38 then takes place 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 on the output shaft 38, which is arranged in a centrally arranged transverse bore 56 of a piston rod 58 which, when the electric motor 10 rotates, moves back and forth on the straight line described by the translational movement of the output shaft 38.
  • the compressor housing 30 has two opposite through openings 60, 62, through which the piston rod 58 extends and from which the compressor housing 30 extends essentially in an annular manner, both extensions 64, 66 being closed by a cover 68, 70 and form a compressor head 76, 78 with the covers 68, 70.
  • a membrane 72, 74 is fastened with its inner circumference, while the outer circumference 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 cover 68, 70 is jammed.
  • a compression chamber 80, 82 is formed between the respective membrane 72, 74 and the associated cover 68, 70, which is reduced and enlarged when the piston rod 58 and thus the membranes 72, 74 move.
  • an inlet 84, 86 and an outlet 88, 90 are formed on the covers 68, 70, in each of which a check valve 92, 94, 96, 98 is arranged.
  • Check valves 92, 96 in inlets 84, 86 open accordingly to the compressor chamber 80, 82 and block an outflow from the inlets 84, 86, while the check valves 94, 98 in the outlets 88, 90 prevent an inflow into the compressor chamber 80, 82 by closing the outlet 88, 90 and instead block an outflow allow the compressor chamber 80, 82 in this direction by opening the outlet 88, 90.
  • this double-headed membrane compressor essentially delivers continuously, since gas is sucked into the first compressor head 76, gas is expelled from the second compressor head 78 and vice versa.
  • the rotary gear designed according to the invention with the rotor and the crank, which serve as movement transmission means completely converts the rotary movement of the drive shaft into a purely translatory movement of the piston rod
  • the diaphragms are loaded completely symmetrically to the central axis of the piston rod.
  • Unnecessary flexing work on the membranes, which has an energetically negative effect, is completely prevented, as a result of which they have a significantly longer service life.
  • the membrane compressor is easy to assemble and manufacture, so that costs can be reduced compared to known membrane compressors. Furthermore, there is a very small dead volume of the compressor, which can be manufactured very compactly.
  • the drive shaft and rotor unit can be manufactured and assembled in several parts.
  • Other bearings can also be used or the compressor can be designed with only one compressor head.
  • one such a membrane compressor can also be designed as a multi-stage compressor.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Reciprocating Pumps (AREA)

Description

  • 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.
  • Das Dokument CN101285461 A offenbart einen Membranverdichter laut dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • 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 B1 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 (11)

  1. 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, wobei 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,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Ausgangswelle (38) der Bewegungsübertragungsmittel (32, 42, 50, 52) zur Eingangswelle (48) einen Achsversatz (A) aufweist, der einer Exzentrizität (E) der Eingangswelle (48) zur Drehachse der Antriebswelle (18) entspricht.
  2. 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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