Die Erfindung betrifft eine Membranpumpe für Flüssigkeiten, deren die Membran bewegendes Pleuel eine einstellbare Stützfläche für die Membran aufweist.
Fertigt man Membranpumpen, die zum Fördern von Flüssigkeiten dienen, in grösseren Herstellungsserien an, kommt es bezüglich des Flüssigkeitsdurchsatzes (I/min) zu erheblichen Streuungen. Dies ist durch die Fertigungstoleranzen bedingt. Dabei können sich z. B. mechanisch noch zulässige Abmessungstoleranzen, Elastizitätsabweichungen beim Membranwerkstoff, unterschiedliche Arbeitsweisen der Pumpenventile u. U. bezüglich der Fördermenge derart addieren, dass beispelsweise Abweichungen von plus/minus 20%, u. U. sogar Abweichungen bis zu plus/minus 30% entstehen. Oft werden jedoch Membranpumpen mit genauen Förderleistungen verlangt, die möglichst preiswert und deshalb auch einfach in Herstellung und Wartung sein sollen.
Bisher konnte man die von der Serienfertigung her bedingten, vorstehend erwähnten Nachteile (Streuung des Flüssigkeitsdurchsatzes) durch Einbau einer Regelung ausgleichen, wie sie z. B. durch DE-OS 32 10 110 bekannt geworden ist. Eine solche Regelung ist jedoch verhältnismässig aufwendig, wenn sie nur zum Ausgleich von Fertigungs-Abweichungen dient und der Verbraucher an sich keine Regelung an der Membranpumpe, sondern nur einen von ihm vorgegebenen Flüssigkeitsdurchsatz in der Zeiteinheit wünscht.
Aus US-PS 3 149 572 ist weiterhin bei einer Membranpumpe eine einstellbare Membran bekannt, die auf beiden Seiten je eine Unterstützungsscheibe aufweist, die mit einer zentralen Schraube untereinander und mit dem Pleuel verbunden sind. Durch ein Anziehen der Verbindungsschraube wird ein vergrösserter Membranbereich durch das Pleuel über einen längeren Förderhub bewegt. Nachteilig bei dieser Kontruktion ist jedoch, dass durch die grossflächige Einspannung der Membranfläche eine gleichmässige Dehnung der Membran nicht mehr möglich ist. Der nicht eingespannte Randbereich der Membran wird dadurch übermässig beansprucht, wodurch ihre Haltbarkeit gefährdet ist. Zudem erfordert das hubraumseitig die Membran beaufschlagende Abstützteil einen relativ grösseren Hubraum als bei den üblichen Membranen. Bei der Justierung muss zudem der Hubraum von Testlauf zu Testlauf wieder neu geöffnet werden. Die in dieser Konstruktion mögliche Einstellbarkeit eignet sich zudem nur für eine Feineinstellung im Rahmen einer Erhöhung der Pumpleistung von höchstens bis zu 5%.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Membranpumpe zum Fördern von Flüssigkeiten zu schaffen, bei der ein Ausgleichen der Streuungen des Flüssigkeitsdurchsatzes, also eine Erhöhung und/oder eine Erniedrigung des Flüssigkeitsdruchsatzes bzw. ein Einstellen der Förderleistung unter Berücksichtigung vorgegebener Betriebsbedigungen auf einfache Weise möglich ist, ohne dass die Haltbarkeit der Membran vermindert wird und ohne dass es eines grossen zusätzlichen Fertigungsaufwandes bedarf. Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass die Stützfläche als Unterstützungsring ausgebildet und gegenüber der Membranbefestigung am Pleuel in unterschiedlichen Stellungen einstellbar ist.
In Versuchen wurde festgestellt, dass bei Membranpumpen eine nachstehend noch näher beschriebene Art «Totraum» im Förderraum durch unterschiedliche Lagen der Membrane beim Saug- und Druckhub entstehen und dass man das Volumen dieses Totraumes und damit den Flüssigkeitsdurchsatz der Membranpumpe in der Zeiteinheit durch unterschiedliche Stellungen eines Unterstützungsringes für die Membrane einstellen kann.
Durch die bereits erwähnte DE-OS 32 10 110 ist zwar bereits eine Membranpumpe für Flüssigkeiten bekannt, deren die Membran bewegendes Pleuel um den Einspannbereich herum eine Unterstützfläche für die Membran aufweist. Dieser Unterstützungsring bzw. seine der Aussenseite der Membran zugewandte Unterstützungsfläche soll diese jedoch im normalen Betriebszustand nicht berühren, sondern nur bedarfsweise unterstützen, um ein «Umschlagen», d. h. ein Ausbeulen der Membrane in Richtung des Pleuels, zu verhindern. Insbesondere ist bei dieser vorbekannten Membranpumpe die Lage des Unterstützungsringes in Bezug auf die Membranaussenseite nicht einstellbar.
Im Gegensatz zu US-PS 3 149 572 lässt sich die Unterstützungsfläche der erfindungsgemässen Konstruktion relativ zum Pleuel axial verstellen. Die dargestellten Nachteile des durch dieses Patent vorbeschriebenen Standes der Technik, wie z. B. ungleichmässige Membranspannung sowie relative Grösse des Hubraumes, werden vermieden. Der durch die axiale Verschiebung der Unterstützungsfläche gegebene Einstellbereich ist wesentlich vergrössert und zur Einstellung braucht der Förderraum nicht, wie bei dieser vorbekannten Konstruktion, geöffnet zu werden. Die erfindungsgemässe Konstruktion ermöglicht vielmehr eine einfache Einstellbarkeit unmittelbar vom geöffneten Pleuelgehäuse her.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass der Unterstützungsring od. dgl. in unterschiedlichen Stellungen verrastbar ist. Die z. B. beim Probelauf vorgenommene Einstellung des Unterstützungsringes bzw. der sich dabei ergebenden Förderleistung wird dadurch festgelegt. Gegebenenfalls ist es zweckmässig, wenn bei einer Membranpumpe der eingangs erwähnten Art, die einen Dämpfungsraum zur Dämpfung von Druckstössen des Fördermediums im Ansaugbereich hat und bei der das Aufnahmevolumen des Dämpfungsraumes im Sinne einer Veränderung des Mediumzuflusses zur Membrane einregelbar ist, auch noch ein Unterstützungsring od. dgl. vorgesehen ist, der gegenüber der Membranaussenseite in unterschiedlichen Stellungen einstellbar ist. Dadurch kann man bei einer über einen Dämpfungsraum regelbaren Membranpumpe auch z.B. noch deren maximale Förderleistung einmal einjustieren. Im Betrieb kann man dann bei einer solchen Membranpumpe die jeweils gewünschte Förderleistung im Sinne einer gezielten Verminderung der maximalen Fördermenge noch bedarfsweise einstellen. Zusätzliche Weiterbildungen der Erfindung sind in den Merkmalen weiterer Unteransprüche und in der Beschreibung aufgeführt. Nachfolgend wird die Erfindung an Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigen, zum Teil stärker schematisiert, sowie in unterschiedlichen Massstäben:
Eine im ganzen mit 1 bezeichnete Membranpumpe für Flüssigkeiten hat ein Gehäuse 2, in dem eine Membran 3 eingespannt ist. Diese schliesst den Förderraum 4 gegenüber dem Pleuelgehäuse 5 ab. Zwischen diesem und einem Gehäuseoberteil 6 ist die Membran 3 in bekannter Weise eingeklemmt. 7 ist eine Ventilplatte, oberhalb der sich eine Kopfplatte 8 befindet. 9 ist das Einlass- und 10 das Auslassventil. Vom Förderraum 4 führt eine Einlassbohrung 11 in den Bereich einer Aussparung 12 für die Ventilzunge 13 des Einlassventils 9. Oberhalb diser Ventilzunge erkennt man den Einlaufkanal 14. Analog sind in Figur 1 beim Auslassventil 10 eine Auslassbohrung 15, eine Aussparung 16 für die dortige Ventilzunge 17 und ein Auslasskanal 18 vorgesehen. Das im ganzen mit 19 bezeichnete Pleuel ist ebenfalls in bekannter Weise auf einem Exzenterzapfen 20 eines (nicht näher dargestellten) Pumpenantriebes gelagert. In bekannter Weise besteht das Pleuel 19 im wesentlichen aus dem Pleuelauge 21 und dem damit einstückig verbundenen Pleuelschaft 22 (Figur 3 unten), an dem die Membran 3 in ebenfalls bekannter Weise über einen Membran-Anschlusszapfen 23 und einem daran angebrachten Befestigungsbolzen 24 mit dem Innengewinde 25 des Pleuelschaftes verbunden ist. Das Pleuel 19 od. dgl. Stössel hat eine einstellbare Stützfläche für den Zentralbereich 28 der Membran 3. Erfindungsgemäss ist nun diese Stützfläche als Unterstützungsring 26 ausgebildet und gegenüber der Membranbefestigung 23, 24 am Pleuel in unterschiedlichen Stellungen einstellbar. Aus Figur 3 erkennt man besonders gut eine im ganzen mit 30 bezeichnete Verstelleinrichtung, zu der ein Pleuel-Anschlussteil 31 sowie eine Verstellbuchse 32 gehören. Ersteres hat ein Aussengewinde 41, das zu einem Innengewinde 42 der Verstellbuchse passt. Die obere Stirnseite der Verstellbuchse bildet die als Unterstützungsring 26 ausgebildete Stützfläche 27 für den Zentralbereich 28 der Membran 3. Wie insbesondere gut aus Figur 1, 3, 6 und 7 erkennbar ist, kann man den Unterstützungsring 26 gegenüber der Membranaussenseite 29 in unterschiedliche Stellungen einstellen.
Das erwähnte Pleuel-Anschlussteil 31 ist im wesentlichen napfförmig ausgebildet, hat eine Höhlung 33 zum Aufstecken auf den Pleuelschaft 22 (Figur 3) und sitzt in Gebrauchsstellung (Figur 1) auf dem Pleuelschaft 22 auf. Im «Boden» 34 dieses napfförmigen Anschlussteils 31 befindet sich eine Bohrung 35, durch die der Befestigungsbolzen 24 der Membran hindurchtritt und mit dem Innengewinde 25 des Pleulschaftes 22 verbunden ist. Im zusammengebauten Zustand (Figur 1) wird dabei das Pleuel-Anschlussteil 31 mittels seines Bodens 34 zwischen der Stirnseite 36 des Pleuelschaftes 22 und der Stirnseite 37 des Membran-Anschlusszapfens 23 festgelegt. Am Pleuel-Anschlussteil 31 sind dabei noch zwei Drehsicherungsflansche 38 und 39 (Figur 5) vorgesehen, welche die Flachseiten 40 des Pleuels 19 übergreifen und dabei das Pleuel-Anschlussteil gegen Verdrehen sichern (Figur 1 und 3). Oben hat die Verstellbüchse 32 eine radiale, flanschartige Verbreiterung, welche den Unterstützungsring 26 bildet bzw. mit deren stirnseitiger Unterstützungsfläche 27 die Membranaussenseite 29 in einem einstellbaren Ausmass unterstützt werden kann. Ausserdem haben das zur Verstelleinrichtung gehörige Pleuel-Anschlussteil 31 und die dazu gehörige Verstellbüchse 32 eine im ganzen mit 43 bezeichnete Verrasteinrichtung, durch die ein unerwünschtes bzw. unbeabsichtigtes Verdrehen dieser beiden Teile 31 und 32 gegeneinander unterbunden wird. Zu dieser Verrasteinrichtung 43 gehört ein am Pleuel-Anschlussteil 31 angebrachter, gezahnter Arretierring 44 und wenigstens ein an der Verstellbüchse an entsprechender Stelle angebrachter Arretierzahn 45, der im zusammengebauten Zustand der Verstelleinrichtung 30 in den Arretierring 44 eingreift. Dabei ist der Arretierzahn 45 in einem radial etwas elastisch nachgiebigen rohrförmigen Abschnitt 46 der Verstellbüchse 32 angeordnet. Innerhalb dessen ist ein dem Arretierzahn 45 gegenüberliegendes Widerlagersegment 47 vorgesehen. Dieses, der diagonal gegenüberliegende Arretierzahn 45 und der rohrförmige Abschnitt 46 sind einstückig mit der Verstellbuchse 32 verbunden. Diese besteht zweckmässigerweise aus Kunststoff und ihr rohrförmiger Abschnitt 46 ist, nötigenfalls durch Drücken quer zur Anordnung von Arretierzahn 45 bzw. Widerlagersegment 47 (vgl. die Pfeile Pf 1 in Figur 4) so verformbar, dass die Verstellbüchse 32 gegenüber dem Pleuel-Anschlussteil 31 absichtlich verdreht werden kann, in normaler Betriebsstellung jedoch eine Verdrehung der beiden Teile 31 und 32 gegeneinander nicht möglich ist, weil der Arretierzahn 45 in die entsprechenden Lücken des gezahnten Arretierringes 44 drehsichernd eingreift.
Zweckmässigerweise besteht auch das Pleuel-Anschlussteil 31 aus Kunststoff. Beide Teile sind dann leicht herstellbar und insbesondere der rohrförmige Abschnitt 46 der Verstellbüchse 32 besitzt die für das Verstellen bzw. Arretieren gewünschten federelastischen Eigenschaften.
Aus Figur 3 erkennt man gut, dass die den Unterstützungsring 26 mit umfassende Verstelleinrichtung 30 ohne wesentliche Änderungen an ein Pleuel 10 üblicher Bauart angebaut werden kann. Beispielsweise braucht im vorliegenden Fall bei einer Membranpumpe üblicher, vergleichbarer Bauweise, die keine Verstelleinrichtung 30 hat, lediglich das Pleuel 19, z. B. am oberen Ende seines Pleuelschaftes, in der Länge derart angepasst werden, dass die Dicke d des Bodens 34 des Pleuelanschlussteiles 31 berücksichtigt wird. Durch Verdrehen der Verstellbüchse 32 ändert sich der axiale Abstand L zwischen der Stirnseite 36 des Pleuelschaftes und der Unterstützungsfläche 27 des Unterstützungsringes 26, also die axiale Länge L der Verstelleinrichtung 30. Im zusammengebauten Zustand des Pleuels 19 einschliesslich der zugehörigen Verstelleinrichtung 30 durchsetzt der Membran-Anschlusszapfen 23 den ihm benachbarten stirnseitigen Durchtritt 48 der Verstellhülse 32. In Figur 4 ist noch schematisiert und verzerrt mittels einer strichpunktierten Linie der rohrförmige Abschnitt 46 in derjenigen verformten 46' dargestellt, bei dem der Arretierzahn 45 ausserhalb des Arretierringes 44 steht.
Die Membranpumpe 1 arbeitet folgendermassen (vgl. insbesondere Figur 6 und 7): Beim Ansaughub wirken die auf das Fördermedium auszuübenden Ansaugkräfte dieser Abwärtsbewengung der Membran 3 entgegen entsprechend den Pfeilen Pf 2 in Figur 6 und 7. Die Membran 3 nimmt dann - etwa beim unteren Totpunkt dargestellt - die in Figur 6 und 7 in ausgezogenen Linien und im Schnitt dargestellte Form an. Kommt es bei gleicher Pleuelstellung zum Druckhub, wirken die auf das Fördermedium ausgeübten Ausschubkräfte entsprechend den Pfeilen Pf 3 auf die Membrane. Diese nimmt dann etwa die in Figur 6 und 7 strichpunktiert und mit 3' und 3" bezeichnete Lage ein. Dabei wird das Fördervolumen V 1 gemäss Figur 6 um ein Fördervolumen V 2 vermindert, das sich aus der unterschiedlichen Lage der Membrane 3 in Saugstellung bzw. 3" in Druckstellung ergibt. Analoges gilt für das Fördervolumen V 1 gemäss Figur 7, welches durch das Volumen V 3 entsprechend der dortigen Änderung der Lage der Membran 3 in die Lage der Membran 3' entsteht. Das durch die Membranlagenänderung entstehende Volumen V 2 bzw. V 3 ist eine Art Totraum, durch die der Flüssigkeitsdurchsatz der Memranpumpe 1 in der Zeiteinheit vermindert wird. Bei der Darstellung nach Figur 7 ist der Unterstützungsring 26 bzw. seine Stützfläche 27 ausser Eingriff. Die Membran 3' kann sich in ihrem elastischen Bereich 49 verhältnismässig weit in Richtung des Pleuels 19 durchbiegen und die sich dabei ergebende Volumenveränderung V 3 ist verhältnismässig gross. Verdreht man die Verstellbüchse 32 im Sinne einer Vergrösserung der axialen Länge L der Verstelleinrichtung 30 (Figur 1 u. 6), findet die Membrane 3 beim Druckhub an ihrer Unterseite 29 eine Unterstützung durch den Unterstützungsring 26 bzw. dessen Stützfläche 27. Dementsprechend ist die dortige Volumenveränderung V 2 des Förderraumes 4 merkbar kleiner als in Figur 7 dargestellt. Bei der Membranpumpe 1 kann also der Flüssigkeitsdurchsatz in der Zeiteinheit durch Lageveränderung des Unterstützungsringes 26 od. dgl. verändert und einjustiert werden. Dies kann z. B. leicht während eines Kontroll- und Probelaufes bei noch offenem Pleuelgehäuse 5 erfolgen und die Verstellbuchse 32 rastet in der einjustierten Stellung dauerhaft ein. Soll z. B. eine Membranpumpe keine Regelung, jedoch einen vorgegebenen Flüssigkeitsdurchsatz von einem Liter pro Minute erbringen, kann man dies in der vorbeschriebenen Art auf sehr einfache Weise bei einer entsprechenden Pumpe einjustieren. Dabei ist die dazu notwendige Verstelleinrichtung 30 auch sehr einfach in der Herstellung und macht dabei auch beim Einjustieren wenig Aufwand. Auch wird des öfteren gewünscht, dass eine bestimmte Förderleistung unter etwas unterschiedlichen Bedingungen von einer Membranpumpe 1 erbracht werden soll, beispielweise bei 2 m Ansaughöhe und einem Gegendruck von 1 bar. Bei einer entsprechenden Membranpumpe kann man dann neben den eingangs erwähnten Fertigungstoleranzen usw. auch die sich aus den unterschiedlichen Bedingungen wie z. B. Ansaughöhe und Gegendruck ergebenden Einflüsse über die Verstelleinrichtung 30 ausgleichen und die Membranpumpe entsprechend einjustieren.
In Figur 2 ist eine etwas abgewandelte Membranpumpe 1 a dargestellt. Sie entspricht in ihrem unteren Bereich der Membranpumpe 1 gemäss Figur 1, besitzt jedoch zusätzlich eine nachstehend näher beschriebene, im ganzen mit 50 bezeichnete Regeleinrichtung. Dazu ist ihre Kopfplatte 8 a mit einem Dämpfungsraum 51 versehen, der mit dem Einlasskanal 14 über eine Abzweigung 14 a in Verbindung steht. Der Dämfungsraum wird nach oben durch eine Dämpfungsmembran 52 abgeschlossen. Diese ist an ihren Rändern zwischen der Kopfplatte 8 a und einem Anschlussteil 53 eingespannt. In einem etwa zylinderförmigen Innenraum 54 befindet sich ein Stempel 55. Dieser ist entsprechend dem Doppelpfeil Pf 4 höhenverstellbar. Dazu steht er mit einem Gewindebolzen 56 in Verbindung , der in einer Gewindebohrung 57 lagert. Er trägt an seinem oberen Ende einen Stellknopf 58. Durch dessen Verdrehen ergibt sich eine Höhenverstellung des Stempels 55, wie sie beispielsweise durch die strichpunktierte Stempelposition 55 a angedeutet ist. Die Beaufschlagungsseite 59, mit welcher der Stempel 55 gegen die Dämpfungsmembrane 52 drückt, entspricht in ihrem Krümmungsverlauf der Unterseite 60 des Dämpfungsraumes 51. Mit Hilfe der Regeleinrichtung 50 kann man durch Verändern des Volumens des Dämpfungsraumes 51 in bekannter Weise die Zuflussmenge des Fördermediums und damit auch die Fördermenge der Membranpumpe 1 a ändern. Die am Ausführungsbeispiel nach Figur 1 und 3 bis 7 bereits erläuterte Arbeitsweise der Verstelleinrichtung 30 bei der Membranpumpe 1 kann nun auch gut eine vorteilhafte Verwendung bei einer Membranpumpe 1 a in Kombination mit der dortigen Regeleinrichtung finden. Beispielsweise kann bei der Membranpumpe 1 a mit Hilfe des Unterstützungsringes 26 in der beschriebenen Weise eine gewünschte, maximale Förderleistung, z. B. ein Liter pro Minute, bei bestimmten Ausaug- und Gegendruckbedingungen, einjustiert werden, und zwar bei Maximalstellung der Regeleinrichtung 50. Beim Betrieb der Membranpumpe 1 kann man dann mit der Regeleinrichtung 50 eine gezielte Verminderung der Fördermenge noch bedarfsweise einstellen.
Durch die Justiermöglichkeit des Unterstützungsringes 26 ergibt sich nicht nur eine Anpassung der Fördermenge und die Möglichkeit eines Ausgleiches von Fertigungs- und Werkstofftoleranzen. Es kann durch auch der Wirkungsgrad der Membranpumpe 1 bzw. 1 averbessertoder, im Bedarfsfalle, gezieltverschlechtert werden, letzteres insbesondere durch Betätigung der Regeleinrichtung 50.
Das Widerlagersegment 47 verhindert, dass sich der Arretierzahn 45 unbeabsichtigt aus dem Bereich des Arretierringes 44 hinausbewegt.