[0001] Die Erfindung betrifft eineMembranpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
[0002] Bei bekannten Membranpumpen dieser Art, die mit hydraulischem Membranantrieb arbeiten,
sind grundsätzlich zwei Basiskonstruktionen bekannt, nämlich einerseits solche, bei
denen eine oder mehrere Kunststoffmembranen zur Anwendung gelangen, und andererseits
solche, bei denen Metallmembranen verwendet werden.
[0003] Bei denjenigen bekannten Membranpumpenkonstruktionen, bei denen eine Kunstoffmembran,
üblicherweise aus Polytetrafluoräthylen (PTFE) oder Elastomeren bestehend, zur Anwendung
gelangt, ergibt sich der Vorteil einer kompakten, preisgünstigen und sehr betriebssicheren
Ausführung, so daß diese heute hauptsächlich eingesetzt wird. Dies beruht darauf,
daß eine Kunststoffmembran naturgemäß eine hohe Elastizität aufweist und daher sehr
große Auslenkungen sowie kleine Durchmesser gestattet, so daß durch die Unempfindlichkeit
der Kunststoffmembran gegen Oberflächenbeschädigungen und auch bei schwierigen Fördermedien,
wie z. B. Suspensionen, eine sehr hohe Betriebssicherheit erreicht wird, die sich
in einer Membranlebensdauer von mehr als 20. 000 Betriebsstunden äußert.
[0004] Die Membraneinspannung, die durch den zwischen Gehäusekörper und Pumpendeckel festgeklemmten
Umfangsrand der Membran erreicht wird, wirkt aber bei einer derartigen Membranpumpe
gleichzeitig als Abdichtung des Druckraumes zur Atmosphäre hin, so daß sich mit einer
derartigen Konstruktion nur Förderdrücke bis maximal 350 bar erreichen lassen, da
die Dichtheit der Membranpumpe auch bei kritischen Fördermedien, wie beispielsweise
giftigen oder abrasiven Dosiermedien, gewährleistet sein muß.
[0005] Es müssen demgemäß für gewünschte höhere Förderdrücke von über 350 bar Membranpumpenkonstruktionen
der obengenannten anderen Art, nämlich solche mit Metallmembranen, eingesetzt werden.
Metallmembranen lassen jedoch naturgemäß nur kleine Auslenkungen zu und erfordern
deshalb einen wesentlich größeren Membranbiegedurchmesser als Kunststoffmembranen.
Außerdem werden höchste.Anforderungen an die Bearbeitungsgüte der Dichtflächen, nämlich
an die Einspannfläche der Metallmembran, sowie an die Oberflächengüte des Membranmaterials
gestellt. Entsprechend dem größeren Durchmesser der Metallmembran ergeben sich auch
höhere Kräfte für die Schrauben der Membraneinspannung. Membranpumpen mit Metallmembranen
sind deshalb sehr viel größer und teurer als solche mit Kumststoffmembranen. Zudem
ist die Betriebssicherheit geringer, weil Metallmembranen empfindlicher gegen Bruch
sind, der z. B. leicht durch Suspensions-oder Schmutzpartikel im Fördermedium herbeigeführt
werden kann.
[0006] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Membranpumpe der gattungsgemäßen
Art zur Beseitigung der geschilderten Nachteile derart auszugestalten, daß sie sich
für Förderdrücke von weit über 350 bar eignet und gleichzeitig den Einsatz von betriebssicheren,
verdrängungsintensiven Kunststoffmembranen erlaubt.
[0007] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
hiervon sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
[0008] Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Einspannfläche der Membran von der
Dichtfunktion, die sie bisher gleichzeitig übernehmen mußte, zu entlasten, d.h. also
die Membran druckentlastet mit genau definierter Verformung zwischen Pumpendeckel
und Gehäusekörper derart einzuspannen, daß sowohl radial innerhalb wie radial außerhalb
der Membraneinspannfläche stets der gleiche Druck, nämlich derjenige des Druckraums,
herrscht. Dadurch ergibt sich der bedeutende Vorteil, daß nicht nur die Membraneinspannfläche
keinerlei Dichtfunktion mehr übernehmen muß, sondern daß auch dann, wenn mit der Membranpumpe
Förderdrücke von weit über 350 bar erzielt werden sollen, eine Kunststoffmembran zur
Anwendung gelangen kann, die gegenüber der Metallmembran die bereits geschilderten
Vorteile, nämlich u. a. große Verdrängungsintensität, Kerbunempfindlichkeit, hohe
Lebensdauer, kleinen Durchmesser usw. , aufweist.
[0009] Bei der erfindungsgemäß ausgestalteten Membranpumpe erfolgt die Abdichtung des Druckraums
zur Atmosphäre hin durch eine gesonderte Dichtung, wobei sich eine derartige Abdichtung
problemlos gestaltet, weil lediglich Hydraulikflüssigkeit, in der Regel Mineralöl,
abzudichten ist. Somit wird die bisher schwierige Aufgabe einer sicheren Abdichtung
leichtflüchtiger, aggressiver oder giftiger Fördermedien bei hohen pulsierenden Drücken
auf eine technisch einfache und bewährte Lösung reduziert, nämlich der Abdichtung
von Öl bei pulsierendem Druck. Dafür können bekannte Dichtelemente, z. B. O-Ringe,
verwendet werden.
[0010] Um den der Erfindung zugrundeliegenden Gedanken, nämlich sowohl radial innerhalb
wie radial außerhalb der Membraneinspannfläche stets den gleichen Druck herrschen
zu lassen, praktisch zu verwirklichen, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
radial außerhalb der Membraneinspannfläche ein umlaufender Druckausgleichsraum, insbesondere
in Form einer Ringnut in der Stirnfläche des Gehäusekörpers, vorgesehen, der über
wenigstens einen Verbindungskanal mit dem Druckraum in Verbindung steht. Hierbei kann
dieser Verbindungskanal entweder direkt mit dem Druckraum verbunden oder aber zu einer
Sackbohrung im Gehäusekörper geführt sein, die eine mit dem Hydraulikvorrat in Verbindung
stehende Schnüffelventilanordnung aufnimmt und ihrerseits über einen weiteren Kanal
mit dem Druckraum verbunden ist.
[0011] Um beidseits der Membraneinspannfläche stets den gleichen Druck herrschen zu lassen
und damit diese Membraneinspannfläche von der Dichtfunktion zu entlasten, ist es stattdessen
auch möglich, den Druckausgleichsraum einschließlich seines Verbindungskanals dadurch
einstückig mit dem Druckraum auszubilden, daß der Druckraum in radialer Richtung entsprechend
groß ausgebildet ist und damit bis radial außerhalb über die Membraneinspannfläche
hinaus reicht. Bei einer derartigen Ausbildung ist dann die Einspannfläche der Membran
mit einem gesonderten, im Druckraum angeordneten Spannring an der Stirnfläche des
Pumpendeckels befestigt, wobei dieser Spannring zweckmäßigerweise als Lochplatte ausgebildet
ist und damit zur Abstützung der Membran in der unteren Totpunktlage während des Saughubes
des Verdrängerkolbens dient.
[0012] Insgesamt lassen sich daher bei der erfindungsgemäß ausgestalteten Membranpumpe betriebssichere,
verdrängungsintensive Kunststoffmembranen einsetzen und gleichzeitig Förderdrücke
von bis zu beispielsweise 1200 bar bei einer Membranlebensdauer bis über 20. 000 Betriebsstunden
erzielen.
[0013] Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt
in:
Fig. 1 schematisch im Querschnitt die Membranpumpe gemäß der Erfindung;
Fig. 2 vergrößert im Schnitt das Detail A der Membranpumpe gemäß Fig. 1;
Fig. 3 im Querschnitt eine abgewandelte Ausführungsform der Membranpumpe und
Fig. 4 eine weitere abgewandelte Ausführungsform in einer der Fig. 2 ähnlichen Detaildarstellung.
[0014] Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist die dargestellte Membranpumpe ein Pumpengehäuse
in Form eines durch einen Pumpendeckel 1 stirnseitig verschlossenen Gehäusekörpers
2 auf, in dem als hydraulischer Membranantrieb ein oszillierender Verdrängerkolben
3 arbeitet. Dieser ist in einer axialen Bohrung 4 des Gehäusekörpers 2 mechanisch
hin- und herverschiebbar und durch eine Dichtungspackung 5 gegenüber einem Hydraulikvorrat
6 abgedichtet.
[0015] Der Pumpendeckel 1 ist durch Schrauben 7 stirnseitig am Gehäusekörper 2 lösbar festgelegt,
wobei in den einander zugekehrten Stirnflächen des Pumpendeckels 1 und des Gehäusekörpers
2 durch entsprechend große, durchmessergleiche konkave Ausnehmungen ein Förderraum
8 sowie ein mit Hydraulikflüssigkeit gefüllter Druckraum 9 gebildet ist. Der Druckraum
9, der an seinem Boden mittig in die den Verdrängerkolben 3 verschiebbar führende
Bohrung 4 des Gehäusekörpers 2 mündet, ist vom Förderraum 8 durch eine Kunststoffmembran
10 getrennt, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer einzigen Membran
besteht, jedoch auch aus mehreren, sandwichartig übereinandergelegten Membranen-gebildet
sein kann und in jedem Fall in der nachstehend beschriebenen Weise fest zwischen Pumpendeckel
1 und Gehäusekörper 2 eingespannt ist.
[0016] Der Pumpendeckel 1 weist ein federbelastetes Einlaßventil 11 sowie ein federbelastetes
Auslaßventil 12 auf, wobei diese Ventile 11, 12 derart über einen Einlaßkanal 13 bzw.
einen Auslaßkanal 14 mit dem Förderraum 8 in Verbindung stehen, daß das Fördermedium
beim nach rechts gemäß Fig. 1 erfolgenden Saughub der Membran 10 in Richtung des Pfeils
A über das Einlaßventil 11 und den Einlaßkanal 13 in den Förderraum 8 angesaugt und
beim nach links gemäß Fig. 1 erfolgenden Druckhub der Membran 10 über den Auslaßkanal
14 und das Auslaßventil 12 in Richtung des Pfeils B dosiert aus dem Förderraum 8 herausgedrückt
wird.
[0017] Um beim Membrandruckhub eine Überlastung der Membran 10 sowie der gesamten Membranpumpe
zu verhindern, ist im Gehäusekörper 2 ein dem Überdruckschutz dienendes Überströmventil
15 vorgesehen, das eine bodenseitig in einer Sackbohrung 16 des Gehäusekörpers 2 angeordnete,
in der dargestellten Weise durch eine einstellbare Feder 17 belastete Ventilkugel
15' aufweist, wobei die Sackbohrung 16 durch einen Kanal 18 mit dem Hydraulikvorrat
6 sowie durch einen Kanal 19 mit dem Druckraum 9 verbunden ist. Wie ersichtlich, wird
aufgrund dieser Anordnung und Ausbildung des Überströmventils 15 der Druckraum 9 dann
über die Kanäle 19, 18 mit dem Hydraulikvorrat 6 verbunden und druckentlastet, wenn
während des Druckhubes der Membran 10 ein unzulässig hoher Druck im Druckraum 9 aufgebaut
werden sollte.
[0018] In entsprechender Weise ist in einer weiteren Sackbohrung 20 des Gehäusekörpers 2
ein Schnüffelventil 21 aufgenommen, das zum Zweck des Unterdruckschutzes bei der druckraumseitigen
Anlage der Membran 10 während des Membransaughubes die Verbindung des Druckraumes
9 zum Hydraulikvorrat 6 freigibt. Zu diesem Zweck ist die Sackbohrung 20 über einen
Kanal 22 mit dem Druckraum 9 sowie über einen Kanal 23 mit dem Hydraulikvorrat 6 verbunden,
wobei das Schnüffelventil 21 in der dargestellten Weise eine federbelastete, unterseitig
dem Boden eines Einsatzkörpers 24 anliegende Ventilkugel 25 aufweist, die bei Erreichen
eines bestimmten voreingestellten Unterdrucks abhebt und demgemäß über die Kanäle
22, 23 die Verbindung des Druckraums 9 mit dem Hydraulikvorrat 6 herstellt.
[0019] Gleichzeitig dient dieses Schnüffelventil 21 auch der Entlüftung des Druckraumes
9, d. h. der Entgasung der im Druckraum 9 befindlichen Hydraulikflüssigkeit. Zu diesem
Zweck ist der Kanal 22 im Gehäusekörper 2 ansteigend verlaufend ausgebildet, und zwar
derart, daß sein geodätisch tiefer liegendes Ende (linkes Kanalende in Fig. 1) mit
der geodätisch höchsten Stelle des Druckraums 9 und sein geodätisch höher liegendes
Ende (rechtes Kanalende in Fig. 1) mit der Sackbohrung 20 verbunden ist, so daß stets
selbsttätig eine funktionssichere Entgasung der Hydraulikflüssigkeit bzw. Entlüftung
des Druckraums 9 erreicht ist.
[0020] Wie aus Fig. 1 und besonders deutlich aus Fig. 2 ersichtlich, ist die Membran 10
mit einer durch ihren Umfangsrand gebildeten Einspannfläche 26 fest zwischen denjenigen
Teilen der einander zugekehrten Stirnflächen von Gehäusekörper 2 und Pumpendeckel
1 eingespannt, die an den Förderraum 8 und den Druckraum 9 angrenzen, wobei diese
Membraneinspannfläche 26 in eine in der Stirnfläche des Gehäusekörpers 2 gebildete
ringförmige Ausnehmung 27 eingelegt ist. Radial außerhalb dieser Membraneinspannfläche
26 ist in der Stirnfläche des Gehäusekörpers 2 ein umlaufender Druckausgleichsraum
28 vorgesehen, der die Form einer Ringnut aufweist und beim dargestellten Ausführungsbeispiel
über einen einzigen, im Gehäusekörper 2 gebildeten Verbindungskanal 29 mit der das
Schnüffelventil 21 aufnehmenden Sackbohrung 20 - und damit über den Kanal 22 mit dem
Druckraum 9 - in Verbindung steht. Damit ist gewährleistet, daß sowohl radial außerhalb
als auch radial innerhalb der Membraneinspannfläche 26, d. h. also sowohl im Druckraum
9 als auch im Druckausgleichsraum 28, stets der gleiche Druck herrscht und somit die
Membraneinspannfläche 26 druckentlastet ist.
[0021] Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist der Verbindungskanal 29 - genau wie der Kanal
22 - ebenfalls ansteigend verlaufend im Gehäusekörper 2 ausgebildet und derart angelegt,
daß er von der geodätisch höchsten Stelle des Druckausgleichsraumes 28 zur geodätisch
höchsten Stelle des Druckraumes 9 - nämlich über die Sackbohrung 20 und den Kanal
22 - führt, so daß auch dadurch für eine sichere Entgasung des Druckausgleichsraumes
28 ge sorgt ist.
[0022] Die nach außen erfolgende Abdichtung des Druckraums 9 bzw. des Druckausgleichsraums
28 erfolgt über eine gesonderte Ringdichtung 30, die radial außerhalb des Druckausgleichsraums
28 in eine Ringnut 31 in der Stirnfläche des Gehäusekörpers 2 eingelegt ist.
[0023] Bei der abgewandelten Ausführungsform der Membraneinspannung gemäß Fig. 3 ist die
Membran 10 mit ihrer Einspannfläche 26 durch einen gesonderten Spannring 32 mittels
Schrauben 33 an der Stirnfläche des Pumpendeckels 1 festgelegt, wobei dieser Spannring
32 als eine Vielzahl achsparalleler Durchgangsbohrungen 34 aufweisende Lochplatte
ausgebildet ist, die beim Membransaughub eine einwandfreie rückseitige Membranabstützung
gewährleistet und im Druckraum 9' aufgenommen ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Druckraum 9' in seinem Durchmesser größer als der Förderraum 8 ausgebildet
und demgemäß derart ausgestaltet, daß er sich in radialer Richtung bis über die Membraneinspannfläche
26 hinaus erstreckt. Dadurch ist radial außerhalb der Membraneinspannfläche 26. im
Druckraum 9' ein Ringraum 28' gebildet, der den - einstückig mit dem Druckraum 9'
- verbundenen Druckausgleichsraum darstellt und gewährleistet, daß sowohl radial außerhalb
als auch radial innerhalb der Membraneinspannfläche 26 stets der gleiche Druck vorherrscht.
Aufgrund dieser speziellen - vergrößerten - Ausbildung des Druckraumes 9' ist es nicht
erforderlich, daß der den Druckausgleichsraum darstellende Ringraum 28' noch über
einen gesonderten Verbindungskanal (ähnlich dem Verbindungskanal 29 gemäß Fig. 1 und
2) mit dem Druckraum 9' verbunden ist; in anderen Worten ausgedrückt, bedeutet dies,
daß der gesonderte Verbindungskanal einschließlich des Druckausgleichsraumes 28' einen
Teil des Druckraumes 9' selbst bildet.
[0024] Wie Fig. 3 zu entnehmen, ist auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 radial außerhalb
des Druckausgleichsraums 28 zwischen den einander anliegenden Stirnflächen des Gehäusekörpers
2 und des Pumpendeckels 1 die Ringdichtung 30 vorgesehen, welche die im Druckraum
9' bzw. im Druckausgleichsraum 28' befindliche Hydraulikflüssigkeit nach außen abdichtet.
[0025] Die weiterhin abgewandelte Ausführungsform gemäß Fig. 4 unterscheidet sich von derjenigen
gemäß Fig. 1 und 2 lediglich dadurch, daß die Membran 10 an ihrer Einspannfläche 26
zusätzlich einen äußeren Rand 26' aufweist, der eine beträchtlich geringere Dicke
als der Membranhauptkörper besitzt, wobei die Dicke dieses äußeren Einspannrandes
26' bevorzugt etwa 5 - 20 % der Dicke des Membranhauptkörpers beträgt. Außerdem soll
die Breite des äußeren Einspannrandes 26' wenigstens dem 10-fachen seiner Dicke entsprechen.
[0026] Mit einer derartigen Ausgestaltung der Membraneinspannfläche 26 einschließlich verdünntem
äußerem Einspannrand 26' wird der Vorteil einer noch größeren Abdicht- und auch Einspannsicherheit
erreicht. Es kann nämlich, speziell auch im Betriebsstillstand der Membranpumpe, der
Störfall eintreten, daß der Druck im Förderraum 8 größer wird als im Druckraum 9,
beispielsweise wenn das Auslaßventil 12 klemmt oder wenn dessen Feder bricht usw.
In solch einem Störfall wird dann die Membran 10 - ähnlich ihrer Bewegung beim Saughub
- ausgelenkt und an die konkave Abstützfläche des Druckraums 9 gedrückt, wobei der
durch die übliche Einspannfläche 26 gebildete Einspannrand der Membran 10 über Gebühr
beansprucht wird. Dies ergibt sich deswegen, weil der in diesem Augenblick im Förderraum
8 herrschende Druck die förderseitige Membranfläche beaufschlagt, gleichzeitig jedoch
nicht durch einen entsprechenden Druck im Druckraum 9 kompensiert ist. Das hat zur
Folge, daß die derart beaufschlagte Membran 10 an ihrer üblichen Einspannfläche 26
förderseitig geringfügig verformt wird, so daß durch, den somit entstehenden Spalt
Fördermedium vom Förderraum 8 in den Druckraum 9 kriechen könnte.
[0027] Derartiges wird jedoch wirksam durch den zusätzlich zur üblichen Einspannfläche 26
vorgesehenen, verdünnt ausgebildeten äußeren Membraneinspannrand 26' verhindert, da
dieser aufgrund seiner geringen Dicke - in Verbindung mit einer bestimmten Mindestbreite
- gleichsam einen Klebeffekt ausübt, weil das dünne Membranmaterial an den durch die
übliche Oberflächenrauhigkeit bedingten kleinen Vorsprüngen bzw. Erhebungen der metallischen
Dichtflächen von Pumpendeckel 1 und Gehäusekörper 2 anhaftet und somit an einer unerwünschten
Wander- bzw. Fließbewegung gehindert wird. Somit kann auch im genannten Störfall am
äußeren Membraneinspannrand 26' vorbei keinerlei Fördermedium vom Förderraum 8 in
den Druckraum 9 eindringen.
1. Membranpumpe mit wenigstens einer Membran, die einen Förderraum von einem mit Hydraulikflüssigkeit
gefüllten Druckraum trennt und mit einer durch ihren Umfangsrand gebildeten Einspannfläche
fest zwischen einem Gehäusekörper sowie einem Pumpendeckel eingespannt ist, und mit
einem hydraulischen Membranantrieb in Form eines oszillierenden Verdrängerkolbens,
der im Gehäusekörper zwischen dem Druckraum und einem Hydraulikvorrat verschieblich
ist, dadurch gekennzeichnet,
daß radial außerhalb der Membraneinspannfläche (26, 26') ein umlaufender Druckausgleichsraum
(28 bzw. 28') vorgesehen ist, der über wenigstens einen Verbindungskanal (29) mit
dem Druckraum (9 bzw. 9' ) bzw. mit dem Hydraulikvorrat (6) in Verbindung steht, und daß radial außerhalb des
Druckausgleichsraums (28 bzw. 28' ) zwischen Pumpendeckel (1) und Gehäusekörper (2)
eine gesonderte Ringdichtung (30) angeordnet ist, die den Druckausgleichsraum (28
bzw. 28') bzw. den Druckraum (9 bzw. 9') nach außen abdichtet.
2. Membranpumpe nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß die gesonderte Ringdichtung
(30) in eine Ringnut (31) in der Stirnfläche des Gehäusekörpers (2) eingelegt ist.
3. Membranpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckausgleichsraum
(28) als in der Stirnfläche des Gehäusekörpers (2) vorgesehene Ringnut ausgebildet
ist, die wenigstens an einer Stelle über den im Gehäusekörper (2) verlaufenden Verbindungskanal
(29) mit dem Druckraum (9) verbunden ist.
4. Membranpumpe nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Verbindungskanal (29, 20, 22) von der geodätisch höchsten Stelle des Druckausgleichsraums
(28) zu der geodätisch höchsten Stelle des Druckraums (9) geführt ist.
5. Membranpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannfläche
(26) der Membran (10) mit einem gesonderten, im Druckraum (9' ) angeordneten Spannring
(32) an der Stirnfläche des Pumpendeckels (1) befestigt und der den Spannring (32)
aufnehmende Druckraum (9' ) in radialer Richtung derart bis über die Membraneinspannfläche
(26) vergrößert ist, daß der Druckausgleichsraum (28' ) einstückig mit dem Druckraum
(9' ) ausgebildet ist.
6. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch.gekennzeichnet,
daß die Membran (10) am äußeren Rand (26') ihrer Einspannfläche (26) eine beträchtlich
geringere Dicke als im Bereich ihres Hauptkörpers aufweist.
7. Membranpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des verdünnt
ausgebildeten Membraneinspannrandes (26') etwa 5 - 20 % der Dicke des Hauptkörpers
der Membran (10) beträgt.
8. Membranpumpe nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des
äußeren Einspannrandes (26') der Membran (10) wenigstens dem 10fachen seiner Dicke
entspricht.