WO2012025423A1 - Membranpumpe mit trägheitsgesteuertem leckergänzungsventil - Google Patents

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WO2012025423A1
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working fluid
leak
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Horst Fritsch
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Prominent Dosiertechnik Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a diaphragm pump with a leak-relief valve and to a method of sizing a leak-relief valve.
  • Diaphragm pumps generally have a delivery chamber which is separated from a hydraulic chamber by a membrane, wherein the delivery chamber is in each case connected to a suction connection and a pressure connection.
  • the filled with working fluid hydraulic chamber can then be acted upon with a pulsating working fluid pressure.
  • a pulsating movement of the diaphragm is produced, as a result of which the volume of the pumping chamber becomes periodically larger and smaller.
  • a working fluid usually a hydraulic oil is used.
  • suitable liquids such as. B. water can be used with a water-soluble mineral additive.
  • the medium to be pumped is separated from the drive, whereby on the one hand the drive is shielded from harmful influences of the pumped medium and on the other hand, the fluid from harmful influences of the drive, eg. As impurities, is shielded.
  • the pulsating working fluid pressure is often provided by means of a movable piston in contact with the working fluid.
  • the piston is z. B. in a hollow cylindrical member moves back and forth, whereby the volume of the hydraulic space is reduced and increased, which leads to an increase and decrease in the pressure in the hydraulic chamber and in consequence to a movement of the membrane.
  • each stroke a small amount of working fluid is lost through the narrow remaining gap between the piston and hollow cylindrical element, which gradually the working fluid in the hydraulic chamber is reduced. This has the consequence that the pressure stroke is no longer completely filled by the membrane, since not enough working fluid for pressure movement of the membrane is available. Therefore, it has already been proposed, for example, in DE 1034030, the hydraulic space with the interposition of a valve, a so-called leak-supplementing valve to connect to a working fluid reservoir.
  • the leak-relief valve generally has a between a closed position in which the valve passage is decided and in an open position in which the valve passage is open, reciprocable closing body, z. B. in the form of a closing ball on.
  • This closing body is by means of a pressure element, for. B. a spring, biased in the closed position.
  • This pressure element is designed such that only when the pressure in the hydraulic chamber is less than a set pressure p L , the closing body moves in the direction of the open position.
  • the set pressure p L must be set such that no liquid can reach the hydraulic chamber via the leak-relief valve during the suction stroke. Only at the end of the suction stroke, when the piston barely moves, should any refilling fluid be refilled via the leak-relief valve. It should be noted that the maximum pressure prevails at the end of the pressure stroke in the pumping chamber. If the suction stroke is now started, the membrane will move in the direction of the hydraulic chamber until the pressure in the delivery chamber has fallen to the static pressure at the suction connection.
  • the set pressure p L In order to prevent that the leak-relief valve opens during this pressure surge and thus working fluid can flow into the hydraulic chamber, the set pressure p L must be set correspondingly small, which means that the pressure element of the leak-relief valve must be relatively large.
  • This object is achieved by a membrane pump mentioned above, in which the mass of the closing body is so large that the closing body at a lasting not more than a millisecond surge due to a pressure drop in the hydraulic space by not more than 0.2 mm in the direction of Open position moves.
  • the closing body is now designed such that its mass and thus its mass inertia is so great that, in the event of such a pressure surge, the closing body can not move more than 0.2 mm in the direction of the open position due to the mass inertia. Since after one millisecond the pressure has already risen again, the movement of the closing body is stopped.
  • a movement of the closing body is less than 0.2 mm so small that the resulting opening gap for the working fluid is too small to convey a significant amount of working fluid in the hydraulic chamber. If the small amount should nevertheless be disadvantageous, it is provided in a preferred embodiment that the closing body moves by not more than 0.1 mm in the direction of the open position with a pressure surge lasting no more than one millisecond due to a pressure drop in the hydraulic space.
  • the pressure in the hydraulic chamber does not drop to 0 bar, but to a minimum pressure p min .
  • This minimum pressure p min depends on the selected process parameters, such. B. the static pressure at the pump suction port, the speed of the piston and the volumes of the hydraulic chamber and the delivery chamber from.
  • the object mentioned at the outset is achieved in that the mass of the closing body is selected such that the closing body does not become more than 0 when the pressure surge persists for no more than one millisecond due to a pressure drop in the hydraulic space. 2 mm, preferably not moved by more than 0.1 mm in the direction of the open position.
  • FIG. 1 shows a partial sectional view of a diaphragm pump of the prior art
  • Figure 2 shows the pressure curve in the hydraulic chamber during the suction stroke
  • Figure 3 is a sectional view of a leak-relief valve according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 1 the essential parts of a diaphragm pump are shown in a partial sectional view.
  • the membrane pump has a membrane 1, which separates the hydraulic chamber 8 from the delivery chamber 9.
  • the delivery chamber 9 is connected via corresponding check valves with a Saugan- connected and a pressure connection.
  • the hydraulic chamber 8 can be acted upon by means of the piston 3 with a pulsating working fluid pressure.
  • the membrane 1 is connected to a mounted in an installation space 13 spring 10, which ensures that the membrane is biased in the direction of the hydraulic chamber. Due to the pulsating pressure of the working fluid, the membrane is also moved back and forth between the walls 4 and 7, whereby the volume of the delivery chamber is increased and decreased.
  • the delivery fluid in the delivery chamber is discharged via the check valve at the pressure outlet. If the volume of the delivery chamber increases due to a return movement of the diaphragm 1, delivery fluid is drawn in via the check valve from the suction connection. As a result of the periodic movement of the membrane, delivery fluid is periodically sucked from the suction connection and discharged via the pressure connection at higher pressure.
  • the membrane is held between the clamping edges 1 1, 12. Due to the return spring 10 may cause a bulging of the membrane 1, which is represented by the dashed lines 14.
  • a leak-relief valve 6 is provided, via which the hydraulic space 8 is connected to a working fluid reservoir 15.
  • This leak relief valve has a small ball which is pressed in a valve seat by means of a spring.
  • the set pressure p L is set.
  • the ball of the leak relief valve lifts off the valve set and additional working fluid can flow into the hydraulic chamber 8 from the working fluid reservoir 15, which is generally below atmospheric pressure (1 bar) the pressure in the hydraulic chamber 8 has risen above the set pressure p L , since then the spring of the leak-relief valve 6 pushes the ball back into the valve seat and thus closes the valve passage.
  • the pressure in the hydraulic chamber during the suction stroke is plotted over time.
  • the pressure in the hydraulic chamber corresponds approximately to the pressure with which the pump discharges the delivery fluid from the pressure connection. This pressure is significantly higher than the static pressure of the suction line. It is understood that the pressure in the hydraulic chamber is additionally determined by the return spring 10. However, this pressure difference is not considered below because it is not relevant to the invention.
  • the suction stroke begins when the piston 3 is moved back, that is, in the embodiment shown in Figure 1 is moved to the right. This initially leads to the fact that the pressure in the hydraulic chamber slowly reduced and since the pressure in the pumping chamber is greater, the membrane will move to the right, ie in the direction of the hydraulic chamber.
  • the set pressure p L can be significantly larger than p min be selected as long as p L is smaller than an average pressure P m in the hydraulic chamber.
  • the invention is based on the finding that the pressure surge occurs only during a very short time interval Ats ⁇ 1 millisecond.
  • the mass of the closing body is inventively chosen so large that such a pressure surge only leads to a stroke of less than 0.2 mm or preferably less than 0, 1 mm.
  • FIG. 1 An inventive leak-relief valve is shown in FIG.
  • This leak-relief valve has a closing body 16 accommodated in a valve body 18, which has a closing element 20 which, in the closed position, closes a bore in the valve body 18, so that the line to the working-fluid reservoir 19 is separated from the hydraulic space 8.
  • the closing body is biased by means of a spring element 17 in the closed position, which is shown in Figure 3.
  • the pressure of the working fluid in the working fluid reservoir and thus the pressure in the conduit 19 remains substantially constant.
  • the closing body 16 is moved upward in the position shown in FIG. 3, so that a connection between the line 19 and the hydraulic chamber 8 is opened.
  • the mass of the closing body must be at least 17.5 g to prevent movement of the closing body by more than 0.1 mm.
  • the closing body does not move so far that a significant amount of working fluid leaking into the hydraulic chamber.
  • the described method can be improved even if one considers that the pressure surge generally does not lead to a pressure reduction to 0 bar, but only to a minimum pressure p min .
  • the difference p L - p m between the set pressure p L and the minimum pressure p min due to the surge can be used, whereby the mass can be further reduced.
  • the set pressure p L can be increased, whereby the spring 17 can be made weaker, which simplifies the handling of the pump.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membranpumpe mit einem über eine Membran (1) von einem Hydraulikraum (8) getrennter Förderraum (9), wobei der Förderraum (9) jeweils mit einem Sauganschluss und einem Druckanschluss verbunden ist und der mit einer Arbeitsflüssigkeit befüllbare Hydraulikraum (8) mit einem pulsierenden Arbeitsflüssigkeitsdruck beaufschlagt werden kann, wobei der Hydraulikraum (8) über ein Leckergänzungsventil (6) mit einem Arbeitsflüssigkeitsvorrat (15) verbunden ist, wobei das Leckergänzungsventil (6) einen zwischen einer Schließstellung, in welcher der Ventildurchgang geschlossen ist, und einer Offenstellung, in welcher der Ventildurchgang geöffnet ist, hin- und her bewegbaren Schließkörper aufweist, welcher mit Hilfe eines Druckelementes in der Schließstellung gehalten wird, wobei das Druckelement derart ausgelegt ist, dass wenn der Druck im Hydraulikraum (8) kleiner als ein Einstelldruck pL ist, der Schließkörper (16) sich in Richtung der Offenstellung bewegt. Um eine Membranpumpe mit einem Leckergänzungsventil bereitzustellen, dass die Nachteile des Stands der Technik vermindert oder sogar überwindet, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Masse des Schließkörpers (16) so groß ist, dass sich der Schließkörper (16) bei einem nicht länger als 1 Millisekunde andauernden Druckabfall auf 0 bar aufgrund eines Druckstoßes im Hydraulikraum (8) um nicht mehr als 0,2 mm in Richtung der Offenstellung bewegt

Description

Membranpumpe mit trägheitsgesteuertem Leckergänzungsventil
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membranpumpe mit einem Leckergänzungsventil sowie ein Verfahren zum Dimensionieren eines Leckergänzungsventils.
Membranpumpen weisen im allgemeinen einen über eine Membran von einem Hydraulikraum getrennten Förderraum auf, wobei der Förderraum jeweils mit einem Sauganschluss und einem Druckanschluss verbunden ist. Der mit Arbeitsflüssigkeit befüllbare Hydraulikraum kann dann mit einem pulsierenden Arbeitsflüssigkeitsdruck beaufschlagt werden. Durch den pulsierenden Ar- beitsflüssigkeitsdruck wird eine pulsierende Bewegung der Membran erzeugt, wodurch das Volumen des Förderraums periodisch größer und kleiner wird. Dadurch ist es möglich, über den Sauganschluss, der mit einem entsprechenden Rückschlagventil mit dem Förderraum verbunden ist, das Fördermedium anzusaugen, wenn das Volumen des Förderraums vergrößert wird, und über den Druckanschluss, der ebenfalls mit einem entsprechenden Rückschlagventil mit dem Förderraum verbunden ist, unter Druck wieder abzugeben, wenn das Volumen des Förderraums verringert wird.
Als Arbeitsflüssigkeit wird in der Regel ein Hydrauliköl verwendet. Grundsätzlich können jedoch auch andere geeignete Flüssigkeiten, wie z. B. Wasser mit einem wasserlöslichen Mineralzusatz verwendet werden.
Durch die Membran wird das zu fördernde Medium vom Antrieb getrennt, wodurch einerseits der Antrieb von schädlichen Einflüssen des Fördermediums abgeschirmt ist und andererseits auch das Fördermedium von schädlichen Einflüssen des Antriebes, z. B. Verunreinigungen, abge- schirmt ist.
Der pulsierende Arbeitsflüssigkeitsdruck wird häufig mit Hilfe eines beweglichen Kolbens, der mit der Arbeitsflüssigkeit in Kontakt steht, bereitgestellt. Der Kolben wird dabei z. B. in einem hohlzylindrischen Element hin und her bewegt, wodurch das Volumen des Hydraulikraums verkleinert und vergrößert wird, was zu einer Erhöhung und Absenkung des Druckes im Hydraulikraum sowie in der Folge zu einer Bewegung der Membran führt. Trotz verschiedenster Maßnahmen, die ein Umströmen des Kolbens mit Arbeitsflüssigkeit verhindern sollen, lässt sich in der Praxis nicht ausschließen, dass bei jedem Hubvorgang eine kleine Menge der Arbeitsflüssigkeit durch den schmalen verbleibenden Spalt zwischen Kolben und hohlzylindrischem Element verloren geht, wodurch allmählich die Arbeitsflüssigkeitsmenge im Hydraulikraum reduziert wird. Dies hat zur Folge, dass der Druckhub nicht mehr vollständig von der Membran ausgefüllt wird, da nicht mehr genügend Arbeitsflüssigkeit zur Druckbewegung der Membran zur Verfügung steht. Daher ist beispielsweise in der DE 1034030 bereits vorgeschlagen worden, den Hydraulikraum unter Zwischenschaltung eines Ventils, einem sogenannten Leckergänzungsventil, mit einem Arbeitsflüssigkeitsvorrat zu verbinden.
Durch dieses Leckergänzungsventil kann bei Bedarf Arbeitsflüssigkeit in den Hydraulikraum nachgefüllt werden. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass nicht zuviel Arbeitsflüssigkeit in den Hydraulikraum gebracht wird, da dann sich die Membran im Druckhub zu weit in den Förderraum hinein bewegt und unter Umständen mit Ventilen oder anderen Bauteilen in Kontakt gerät und beschädigt wird. Zu diesem Zweck weist das Leckergänzungsventil in der Regel einen zwischen einer Schließstellung, in welcher der Ventildurchgang beschlossen ist und in einer Offenstellung, in welcher der Ventildurchgang geöffnet ist, hin- und her bewegbaren Schließkörper, z. B. in Form einer Schließkugel, auf. Dieser Schließkörper ist mit Hilfe eines Druckelementes, z. B. einer Feder, in der Schließstellung vorgespannt. Dieses Druckelement ist derart ausgelegt, dass nur dann, wenn der Druck im Hydraulikraum kleiner als ein Einstelldruck pL ist, der Schließkörper sich in der Richtung der Offenstellung bewegt.
Da es während des Saughubes, d. h. während der Kolben zurück bewegt wird zwangsläufig zu einer Verringerung des Drucks im Hydraulikraum kommt, muss der Einstelldruck pL derart einge- stellt sein, dass während des Saughubes keine Flüssigkeit über das Leckergänzungsventil in den Hydraulikraum gelangen kann. Erst am Ende des Saughubes, wenn sich der Kolben kaum noch bewegt, soll über das Leckergänzungsventil eventuell fehlende Arbeitsflüssigkeit nachgefüllt werden. Dabei ist zu beachten , dass am Ende des Druckhubes im Förderraum der maximale Druck herrscht. Wird nun der Saughub gestartet, so wird sich die Membran in Richtung des Hydraulikraums bewegen, bis der Druck im Förderraum auf den statischen Druck am Sauganschluss abgefallen ist. Wird der Saughub fortgesetzt, so führt dies zu einem Druckstoß, dem sogenannten Joukowsky-Stoß, da im Förderraum nun Fördermedium über den Sauganschluss zugeführt wird, was zu einer abrupten Geschwindigkeitsänderung in der Saugleitung führt. Dieser Druckstoß führt zu einer hochfrequenten Druckschwankung im Hydraulikraum. Kurzzeitig wird der Druck im Hydraulikraum enorm reduziert.
Um zu verhindern, dass während dieses Druckstoßes das Leckergänzungsventil öffnet und damit Arbeitsflüssigkeit in den Hydraulikraum strömen kann, muss der Einstelldruck pL entsprechend klein eingestellt werden, was bedeutet, dass das Druckelement des Leckergänzungsventils relativ groß dimensioniert werden muss.
Dies ist jedoch bei den bekanntem Membranpumpen von Nachteil, da es am Ende des Saughubes nun schwierig ist, den Einstelldruck des Leckergänzungsventils zu unterschreiten. Es müssen daher entsprechend konstruktive Maßnahmen ergriffen werden, um sicherzustellen, dass am Ende des Saughubes das Leckergänzungsventil tatsächlich öffnet, wenn zu wenig Arbeitsflüssig- keit im Hydraulikraum enthalten ist. Dies erhöht die Kosten der Membranpumpe.
Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Membranpumpe mit einem Leckergänzungsventil bereitzustellen, das die genannten Nachteile vermindert oder sogar überwindet. Zudem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Dimensionieren eines Leckergänzungsventils bereitzustellen, das die genannten Nachteile vermindert oder sogar behebt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine eingangs erwähnte Membranpumpe, bei der die Masse des Schließkörpers so groß ist, dass sich der Schließkörper bei einem nicht länger als eine Millisekunde andauernden Druckstoß aufgrund eines Druckabfalls im Hydraulikraum um nicht mehr als 0,2 mm in Richtung der Offenstellung bewegt.
Es wurde nämlich festgestellt, dass der Druckstoß, der sogenannte Joukowsky-Stoß, der in dem Moment auftritt, wenn der Druck im Förderraum auf den Druck am Sauganschluss abfällt, hochfrequent ist, d. h. während eines Zeitintervalls von weniger als einer Millisekunde auftritt. Erfindungsgemäß wird nun der Schließkörper derart ausgebildet, dass dessen Masse und damit dessen Massenträgheit derart groß ist, dass bei einem solchen Druckstoß aufgrund der Massenträgheit sich der Schließkörper um nicht mehr als 0,2 mm in Richtung der Offenstellung bewegen kann. Da nach Ablauf der einen Millisekunde der Druck bereits wieder angestiegen ist, wird die Bewegung des Schließkörpers gestoppt. Üblicherweise ist eine Bewegung des Schließkörpers um weniger als 0,2 mm derart gering, dass der sich dadurch ergebende Öffnungsspalt für die Arbeitsflüssigkeit zu gering ist, um eine nennenswerte Menge an Arbeitsflüssigkeit in den Hydraulikraum zu befördern. Falls die geringe Menge dennoch von Nachteil sein sollte, ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass sich der Schließkörper bei einem nicht länger als einer Millisekunde andauernden Druckstoß aufgrund eines Druckabfalls im Hydraulikraum um nicht mehr als 0,1 mm in Richtung der Offenstellung bewegt.
Es versteht sich, dass aufgrund des Joukowsky-Stoßes der Druckstoß maximal zu einer Absenkung des Druckes im Hydraulikraum auf 0 bar führen kann. Ein Beispiel für die Berechnung der Masse des Schließkörpers wird unten angegeben.
Tatsächlich wird trotz des Druckstoßes der Druck im Hydraulikraum nicht auf 0 bar absinken, sondern auf einen Minimaldruck pmin. Dieser Minimaldruck pmin hängt von den gewählten Prozessparametern ab, wie z. B. dem statischen Druck am Pumpensauganschluss, der Geschwindigkeit des Kolbens und der Volumina des Hydraulikraums und des Förderraums ab.
Während im Stand der Technik üblicherweise der Einstelldruck pL kleiner als pmin ist, kann in einer bevorzugten Ausführungsform nun pL größer als pmin sein. Die Rückstellfeder des Leckergänzungsventils kann daher kleiner dimensioniert sein, was die Handhabung der Pumpe deutlich vereinfacht.
Hinsichtlich des Verfahrens zum Dimensionieren eines Leckergänzungsventils einer Membranpumpe wird die eingangs genannte Aufgabe dadurch gelöst, dass die Masse des Schließköpers derart gewählt wird, dass sich der Schließkörper bei einem nicht länger als einer Millisekunde andauernden Druckstoß aufgrund eines Druckabfalls im Hydraulikraum um nicht mehr als 0,2 mm, vorzugsweise um nicht mehr als 0,1 mm in Richtung der Offenstellung bewegt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform sowie den zugehörigen Figuren. Es zeigen:
Figur 1 eine Teilschnittansicht einer Membranpumpe des Standes der Technik,
Figur 2 den Druckverlauf im Hydraulikraum während des Saughubes und
Figur 3 eine Schnittansicht eines Leckergänzungsventils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
In Figur 1 sind die wesentlichen Teile einer Membranpumpe in einer Teilschnittansicht gezeigt. Die Membranpumpe weist eine Membran 1 auf, welche den Hydraulikraum 8 von dem Förderraum 9 trennt. Der Förderraum 9 ist über entsprechende Rückschlagventile mit einem Saugan- schluss und einem Druckanschluss verbunden. Der Hydraulikraum 8 kann mit Hilfe des Kolbens 3 mit einem pulsierenden Arbeitsflüssigkeitsdruck beaufschlagt werden. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Membran 1 mit einer in einem Einbauraum 13 montierten Feder 10 verbunden, welche dafür sorgt, dass die Membran in Richtung des Hydraulikraums vorgespannt ist. Durch den pulsierenden Druck der Arbeitsflüssigkeit wird die Membran ebenfalls zwischen den Wänden 4 und 7 hin und her bewegt, wodurch sich das Volumen des Förderraums vergrößert und verkleinert. Bei einer Verkleinerung des Volumens des Förderraums wird das im Förderraum befindliche Förderfluid über das Rückschlagventil am Druckausgang ausgegeben. Wenn sich das Volumen des Förderraums aufgrund einer Rückbewegung der Membran 1 vergrößert, wird über das Rückschlagventil aus dem Sauganschluss Förderfluid angesaugt. Durch die periodische Bewegung der Membran wird daher periodisch aus dem Sauganschluss Förderfluid angesaugt und über den Druckanschluss bei höheren Druck ausgegeben.
Die Membran wird zwischen den Einspannrändern 1 1 , 12 gehalten. Aufgrund der Rückholfeder 10 kann es zu einer Ausbeulung der Membran 1 kommen, die durch die gestrichelten Linien 14 dargestellt ist.
Während des Betriebes kann unter Umständen Arbeitsflüssigkeit über den Spalt 5 am Kolben 3 entweichen. Um sicherzustellen, dass immer die ausreichende Menge Arbeitsflüssigkeit im Hyd- raulikraum 8 vorhanden ist, ist ein Leckergänzungsventil 6 vorgesehen, über das der Hydraulikraum 8 mit einem Arbeitsflüssigkeitsvorrat 15 verbunden ist. Dieses Leckergänzungsventil weist eine kleine Kugel auf, die in einem Ventilsitz mittels einer Feder gedrückt wird. Über die Feder des Leckergänzungsventils 6 wird der Einstelldruck pL festgelegt. Fällt der Druck im Hydraulikraum 8 unter den Einstelldruck pL ab, so hebt die Kugel des Leckergänzungsventils vom Ventil- satz ab und zusätzliche Arbeitsflüssigkeit kann vom Arbeitsflüssigkeitsvorrat 15, der im Allgemeinen unter Atmosphärendruck (1 bar) steht, in den Hydraulikraum 8 strömen, bis der Druck im Hydraulikraum 8 über den Einstelldruck pL angestiegen ist, da dann die Feder des Leckergänzungsventils 6 die Kugel wieder in den Ventilsitz drückt und damit den Ventildurchgang verschließt.
In dem in Figur 2 dargestellten Diagramm ist schematisch der Druck im Hydraulikraum während des Saughubes über der Zeit aufgetragen. Zu Beginn des Saughubes entspricht der Druck im Hydraulikraum in etwa dem Druck, mit dem die Pumpe das Förderfluid aus dem Druckanschluss ausgibt. Dieser Druck ist deutlich höher als der statische Druck der Saugleitung. Es versteht sich, dass der Druck im Hydraulikraum zusätzlich über die Rückholfeder 10 bestimmt wird. Diese Druckdifferenz wird im Folgenden jedoch nicht betrachtet, da sie für die Erfindung nicht relevant ist. Der Saughub beginnt, wenn der Kolben 3 zurückbewegt wird, d. h. in der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform nach rechts bewegt wird. Dies führt zunächst dazu, dass sich der Druck im Hydraulikraum langsam reduziert und da der Druck im Förderraum größer ist, wird sich die Membran nach rechts, d. h. in Richtung des Hydraulikraums bewegen. Dabei wird der Druck im Förderraum langsam abfallen, bis er den statischen Druck am Sauganschluss pSo erreicht. Wenn der Druck noch weiter abfällt, wird das entsprechende Rückschlagventil, das den Förderraum mit dem Sauganschluss verbindet, öffnen und Förderfluid wird über den Sauganschluss nachströmen. In dem Moment, in dem der Druck im Förderraum somit den statischen Drucksaugan- schluss erreicht, kommt es in der Saugleitung zu einer abrupten Geschwindigkeitsänderung des Fluids. Diese Geschwindigkeitsänderung Δν führt zu dem sogenannten Joukowsky-Stoß Apst = p ■ a ■ Δν, wobei p die Dichte des Fördermediums und a die Wellenfortpflanzungsgeschwindigkeit im flüssigkeitsgefüllten Saugrohr ist.
Dieser Joukowsky-Stoß im Förderraum führt zu einem Druckstoß im Hydraulikraum, da die bei- den Räume über die Membran verbunden sind.
Man erkennt, dass nach einer gewissen Zeit ab Beginn des Saughubes s der Druck pH im Hydraulikraum schlagartig für ein kurzes Zeitintervall (Apst) absinkt. Kurz darauf steigt er wieder stark an, so dass sich eine hochfrequente schnellabklingende Druckschwingung ergibt. Man erkennt sofort, dass der Druckstoß maximal zu einer Absenkung auf p = 0 führen kann. Tatsächlich wird jedoch der Druck im Hydraulikraum nicht auf 0, sondern auf einem Minimaldruck pmin absinken, der durch die Betriebsparameter und den Aufbau der Membranpumpe vorgegeben ist.
Um ein Öffnen des Leckergänzungsventils bei dem bis pmin abfallenden Druckstoß zu verhindern, ist im Stand der Technik vorgesehen, dass der Einstelldruck des Leckergänzungsventils pL klei¬
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Durch die erfindungsgemäße Maßnahme kann jedoch der Einstelldruck pL deutlich größer als pmin gewählt werden, solange pL kleiner ist als ein mittlerer Druck pm im Hydraulikraum.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Druckstoß nur während eines sehr kurzen Zeitintervalls Ats < 1 Millisekunde auftritt.
Die Masse des Schließkörpers wird erfindungsgemäß derart groß gewählt, dass ein solcher Druckstoß nur zu einem Hub von weniger als 0,2 mm bzw. vorzugsweise weniger als 0, 1 mm führt.
Ein erfindungsgemäßes Leckergänzungsventil ist in Figur 3 dargestellt. Dieses Leckergänzungsventil weist einen in einem Ventilkörper 18 aufgenommenen Schließkörper 16 auf, welches ein Schließelement 20 aufweist, das in der Schließstellung einer Bohrung im Ventilkörper 18 verschließt, so dass die Leitung zum Arbeitsflüssigkeitsvorrat 19 von dem Hyd- raulikraum 8 getrennt ist. Der Schließkörper wird mit Hilfe eines Federelementes 17 in die Schließstellung vorgespannt, die in Figur 3 gezeigt ist. Der Druck der Arbeitsflüssigkeit im Arbeitsflüssigkeitsvorrat und damit der Druck in der Leitung 19 bleibt im Wesentlichen konstant. Wenn der Druck im Hydraulikraum 8 unter den Einstelldruck pL, der im Wesentlichen durch die Feder 17 vorgegeben wird, absinkt, so wird der Schließkörper 16 in der Figur 3 gezeigten Positi- on nach oben bewegt, so dass eine Verbindung zwischen der Leitung 19 und dem Hydraulikraum 8 geöffnet wird. Grundsätzlich geht man davon aus, dass wenn sich der Schließkörper lediglich um 0,2 Millimeter bewegt, dass der Spalt zwischen Ventilkörper 18 und Schließelement 20 nicht ausreicht, um eine nennenswerte Menge an Arbeitsflüssigkeit durch die Leitung 19 in den Hydraulikraum abzugeben.
Der Hubweg des Schließkörpers As berechnet sich zu:
At2
As = b . (1)
2 Dabei ist At die Dauer des Druckstoßes und b die Beschleunigung, der der Schließkörper aufgrund des Druckstoßes unterlegt. Die Beschleunigung berechnet sich zu b = F/m, (2) wobei F die Kraft auf den Schließkörper ist und m die Masse des Schließkörpers. Es ergibt sich somit:
F At2
As = - ■— (3)
m 2
bzw.
(4) Geht man davon aus, dass der Druckstoß nicht länger als 1 Millisekunde andauert, d. h. Ats = 1 Millisekunde, dass die Bewegung des Schließkörpers maximal 0, 1 mm sein soll, d. h. Ass = 0, 1 mm, und dass der Druckstoß eine Druckverringerung auf 0 bar bewirkt, d. h. der Druckstoß hat die Größe des Einstelldruckes pL, z. B. 0,7 bar, so ergibt sich bei einem Durchmesser des Schließelementes von 8 mm, d. h. einer entsprechenden Fläche von ungefähr 0,5 cm2:
F = pL - A = 0,7 - 10■ 0,5 = 3,5 N (5) und somit
10~4
= 1 ,75 - 10"2 kg = 17,5g
Im gezeigten Beispiel muss daher die Masse des Schließkörpers mindestens 17,5 g betragen, um eine Bewegung des Schließkörpers um mehr als 0,1 mm zu verhindern.
Wird die Masse des Schließkörpers derart groß gewählt, so kann selbst ein Druckstoß auf 0 bar den Schließkörper nicht soweit bewegen, dass eine nennenswerte Menge Arbeitsflüssigkeit in den Hydraulikraum austritt. Das beschriebene Verfahren kann noch verbessert werden, wenn man berücksichtigt, dass der Druckstoß im Allgemeinen nicht zu einer Druckabsenkung auf 0 bar, sondern lediglich auf einen minimalen Druck pmin führt. In der oben genannten Gleichung (5) kann dann statt dem Einstelldruck pL die Differenz pL - pmin zwischen dem Einstelldruck pL und dem minimalen Druck pmin aufgrund des Druckstoßes verwendet werden, wodurch die Masse noch weiter reduziert werden kann. Alternativ dazu kann der Einstelldruck pL erhöht werden, wodurch die Feder 17 schwächer ausgelegt werden kann, was die Handhabung der Pumpe vereinfacht.
Bezugszeichenliste
1 Membran
3 Kolben
4 Wand
5 Spalt
6 Leckergänzungsventil
7 Wand
8 Hydraulikraum
9 Förderraum
10 Rückholfeder
1 1 Einspannrand
12 Einspannrand
13 Einbauraum
14 schematische Darstellung einer ausgebeulten Membran
15 Arbeitsflüssigkeitsvorrat
16 Schließkörper
17 Feder
18 Ventilkörper
19 Leitung
20 Schließelement

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Membranpumpe mit einem über eine Membran (1) von einem Hydraulikraum (8) getrennter Förderraum (9), wobei der Förderraum (9) jeweils mit einem Sauganschluss und einem Druckanschluss verbunden ist und der mit einer Arbeitsflüssigkeit befüllbare Hydraulikraum (8) mit einem pulsierenden Arbeitsflüssigkeitsdruck beaufschlagt werden kann, wobei der Hydraulikraum (8) über ein Leckergänzungsventil (6) mit einem Arbeitsflüssig- keitsvorrat (15) verbunden ist, wobei das Leckergänzungsventil (6) einen zwischen einer Schließstellung, in welcher der Ventildurchgang geschlossen ist, und einer Offenstellung, in welcher der Ventildurchgang geöffnet ist, hin- und her bewegbaren Schließkörper aufweist, welcher mit Hilfe eines Druckelementes in der Schließstellung gehalten wird, wobei das Druckelement derart ausgelegt ist, dass wenn der Druck im Hydraulikraum (8) kleiner als ein Einstelldruck pL ist, der Schließkörper (16) sich in Richtung der Offenstellung bewegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse des Schließkörpers (16) so groß ist, dass sich der Schließkörper (16) bei einem nicht länger als 1 Millisekunde andauernden Druckabfall auf 0 bar aufgrund eines Druckstoßes im Hydraulikraum (8) um nicht mehr als 0,2 mm in Richtung der Offenstellung bewegt.
Membranpumpe nach Anspruch 1 , dadurch geken nzeich net, dass die Masse des Schließkörpers (16) so gewählt wird, dass sich der Schließkörper (16) bei einem nicht länger als 1 Millisekunde andauernden Druckabfall aufgrund eines Druckstoßes im Hydraulikraum (8) um nicht mehr als 0,1 mm in Richtung der Offenstellung bewegt
Membranpumpe nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass sich der Schließkörper (16) bei einem nicht länger als 1 Millisekunde andauernden Druckabfall auf einen minimalen Druck pmin aufgrund eines Druckstoßes im Hydraulikraum (8) um nicht mehr als 0,2 mm vorzugsweise um nicht mehr als 0,1 mm in Richtung der Offenstellung bewegt, wobei pmin der minimale im Hydraulikraum auftretende Druck aufgrund eines Druckstosses durch eine Geschwindigkeitsänderung des Fluids durch den Sauganschluss während des Saughubs ist.
Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass pL größer als der minimale Druck im Hydraulikraum (8) ist.
Verfahren zum Dimensionieren eines Leckergänzungsventils (6) einer Membranpumpe mit einem über eine Membran (1) von einem Hydraulikraum (8) getrennter Förderraum (9), wobei der Förderraum (9) jeweils mit einem Sauganschluss und einem Druckanschluss verbunden ist und der mit einer Arbeitsflüssigkeit befüllbare Hydraulikraum (8) mit einem pulsierenden Arbeitsflüssigkeitsdruck beaufschlagt werden kann, wobei der Hydraulikraum (8) über ein Leckergänzungsventil (6) mit einem Arbeitsflüssigkeitsvorrat (15) verbunden ist, wobei das Leckergänzungsventil (6) einen zwischen einer Schließstellung, in welcher der Ventildurchgang geschlossen ist, und einer Offenstellung, in welcher der Ventildurchgang geöffnet ist, hin- und her bewegbaren Schließkörper (16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse des Schließkörper (16) derart gewählt wird, dass sich der Schließkörper (16) bei einem nicht länger als 1 Millisekunde andauernden Druckstoß aufgrund eines Druckabfalles im Hydraulikraum (8) um nicht mehr als 0,2mm, vorzugweise um nicht mehr als 0,1 mm in Richtung der Offenstellung bewegt.
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