Membranzellenpumpe

Abstract

 Die Membranzellenpumpe (a) hat in einem Gehäuse (b) einen umlaufenden Rotor (c), bestehend aus Rotorkäfig (cl) und einen darin um Δs exzentrisch gelagerten, stufenlos radial verstellbaren Rotorkern (8), welcher derart gestaltet ist, dass die zwischen ihm (8) und dem Rotorkäfig (cl) fixier­ten Membrane (l5) beim Umlauf des Rotors (c) keinen unzu­lässigen Spannungen, Knickeffekten, Abplattungen oder ge­genseitigen Berührungen ausgesetzt sind, so dass die Mem­brane zu den gleichlaufenden Rotorwänden (5,6) eine ver­schleissarme, gut abgestützte Relativbewegung ausüben ohne ihre (l5) Dichtfunktion dabei aufzugeben.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Membranzellenpume für flüssige Medien mit Gehäuse, Einlass, Auslass, Saugraum, Druckraum, Zellenvolumen, Ansaugbereich, Dichtbereich und Druckbereich, mit einer angetriebener Welle aufweisenden Rotor, bestehend aus Rotorkäfig und einen darin exzentrisch um Δs achsver­setzt gelagerten Rotorkern, wobei an Rotorkäfig und Rotor­kern biegsame Membrane fixiert sind, so dass der von der Welle angetriebene Rotorkäfig bei seiner Drehung den Rotor­kern mittels der Membrane mitnimmt.

[0002] Es ist eine grosse Anzahl von unterschiedlichen Pumpen für flüssige Medien bekannt. Ausser Kolbenpumpen und Zentrifu­galpumpen gibt es viele umlaufende Pumpen mit absperrbaren Pumpräumen, bei denen durch Schieber, Membrane oder Form­gebung der Teile ein im Pumpraum eingeschlossener Volumen­teil des Fördermediums vom Einlass zum Auslass transpor­tiert wird. Für inkompressible Medien darf dabei der För­derraum nach dem Absperren gegenüber dem Einlass nicht ver­kleinert werden. Für kompressible Medien sind solche Kom­pressionsraumverkleinerungen zur Druckerhöhung möglich. Vielfach kann man jedoch mit den Pumpen keine Medien för­dern, die nicht selbstschmierend sind und/oder abrasiv wirkende Feststoffe enthalten. Solche Flüssigkeits-Fest­stoffgemische sind je nach Fliesseigenschaft und Förder­druck mit Exzenterschneckenpumpen, Membranpumpen oder Schlauchpumpen sowie Rollkolbenpumpen und Radialpumpen u.a. zu fördern. Diese Pumpen sind jedoch im Einsatzbe­reich zumeist begrenzt oder ermöglichen bei niedrigvis­kosen Fördermedien wie z.B. Wasser nur einen geringen Förderdruck. Ausserdem ist eine Dosierung oder Regulier­ung des Förderstromes vielfach nur unter Zuhilfenahme eines Getriebes oder durch Drosselung und Anbringen eines Bypasses möglich. Der Wirkungsgrad der Pumpe wird dabei nachteilig beeinflusst, dies um so mehr, wenn die auf das Medium bezogene Pumpenkennlinie deutlich drehzahlabhängig ist.

[0003] Die nur aus der Patentliteratur bekannte Flügelradpumpe nach dem deutschen Patent DE 252004, welche der Konstruk­tion der Erfindung am nächsten steht, zeigt folgenden Auf­bau: In einem Gehäuse befindet sich eine drehbar gelagerte Trommel und innerhalb dieser ein exzentrisch drehbar ge­lagerter zylinder, wobei zwischen Trommel und Zylinder un­beweglich festgemachte Flügel angeordnet sind, so dass die von der Antriebsachse getriebene, seitlich geschlossene und am Umfang durchbrochene Trommel bei ihrer Drehung den inneren Zylinder mittels der Flügel mitnimmt. Eine solche Pumpe hat einen einfachen Aufbau und praktisch minimale Gleitreibung,ist jedoch für das Fördern von flüs­sigen Medien ungeeignet. Vor allem hat diese Pumpe den Nachteil, dass durch die Anordnung und Ausbildung der Flü­gel auf diese grosse zugkräfte bei schon geringem Drehmo­ment der Trommel wirken. Druckkräfte auf die grossen Flügel­flächen bewirken zusätzliche Spannungen, so dass der Stand­festigkeit enge Grenzen gesetzt sind. Ebenfalls ungünstig in bezug auf Verschleiss und Abdichtung sind die Knickmo­mente und das Abplatten der Flügel auf die Trommel. Einer guten Befüllung steht die direkt radiale Anordnung des Einlasskanals auf die Trommel im Weg, was zu hohen Turbu­lenzen führen wird.
Es ist bisher nicht erkannt worden, wieviel universeller und standfester man eine Pumpe mit Flügel- oder Membran­zellen gestalten kann, so dass flüssige Medien gepumpt werden können, ohne dass die Herstellung und Bearbeitung der Membrane oder Flügel besonders aufwendig sein muss. Auch ist bisher nicht erkannt worden, dass es bei diesen Pumpen die Möglichkeit gibt, den Durchfluss stufenlos va­riieren zu können bei konstanter Drehzahl und ohne dass die Steuerzeiten der Pumpe dadurch eine Aenderung erfahren. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verschleiss­arme, im Aufbau einfache, universell einsetzbare Pumpe für einen breiten Druckbereich mit besonders ruhigem Lauf und veränderlichem Förderstrom bei konstanter Drehzahl verfüg­bar zu machen.

[0004] Erfindungsgemäss ist die Aufgabe so gelöst, dass die Rotor­exzentrizität Δs durch einen radial wirkenden Verstellme­chanismus stufenlos von Null bis Δs (max.) variiert werden kann und dass der Rotorkern am Umfang derart ausgebildet ist, dass ein Knickeffekt der Membrane durch besondere Form­gebung im Einspannbereich der Membrane und durch Anschmie­gung an den Rotorkern verhindert wird und eine optimale Ab­stützung derselben an den Rotorkern im Dichtbereich gewähr­leistet ist, wobei die Einspannlänge der Membrane unter Be­rücksichtigung des Achsversetzungsbereichs Δs und der Dauer­biegefestigkeit des Membranmaterials derart gewählt ist, dass eine dem Membranmaterial angepasste Spannung während des Umlaufs nicht überschritten wird und der Ansaugbereich vom Druckbereich durch je mindestens einer Membran getrennt wird, so dass die Seitenflächen der Membrane zu den gleich­laufenden Rotorwänden eine durch die Rotorexzentrizität Δs hervorgerufene Relativbewegung ausüben, ohne dass sich die Membrane gegenseitig berühren und ohne ihre Dichtfunktion an diesen Stellen aufzugeben.

[0005] In Abweichung von der in der Praxis üblichen Art, die Dicht­elemente in Form von Schiebern in einem Rotor radial oder axial verschiebbar zu führen oder um radiale Achsen zu schwenken oder um aussenliegende Achsen schwenken zu las­sen oder wie in der Patentliteratur beschrieben und dar­gestellt zwischen Trommel und Zylinder einzuspannen, sieht die Konstruktion der Erfindung ein speziell ausgebildeter radial stufenlos verstellbaren Rotorkern vor, derart, dass ein Knickeffekt und/oder ein Abplatten der Membrane ver­hindert wird,und eine dem Membranmaterial angepasste Span­nung während des Umlaufs nicht überschritten wird. Ausser­dem ist erfindungsgemäss vorgesehen, die Einspannlänge der Membrane so zu wählen, dass die Dauerbiegefestigkeit des Membranmaterials gewährleistet ist ohne dass sich die Membrane gegenseitig berühren und unter Berücksich­tigung der auftretenden Spannungen infolge Druckaufbau in der Zelle im Dichtbereich der Pumpe. Die Membrane in der Pumpe sind somit gegen unzulässige Spannungen und Biegungen oder Knickeffekte geschützt ohne dabei in ihrer Aufgabe als Zellwände, Kraftübertragungs- und Dichtele­ment behindert zu sein. Ausserdem ermöglicht die Konstruk­tion der Erfindung, dass die Membrane keine besonders auf wendige Herstellung und Bearbeitung bedingen. Dadurch wird erfindungsgemäss die Aufgabe nach verschleiss­und geräuscharmen Lauf auch bei relativ hohen Drücken ge­löst. Zudem kann bei entsprechender Gestaltung des Ein­und Auslasskanals, unter Berücksichtigung einer dem För­dermedium angepassten Drehzahl, ein grosser Anwendungs­bereich abgedeckt werden. Dadurch, dass bei dieser Mem­branzellenpumpe die Gleitreibung weitgehenst eliminiert wurde und sich ausser den Membranen nur der Rotor bewegt resp. dreht, ist ein ruhiger und verschleissarmer Lauf gewährleistet. Durch die stufenlos, radiale Verstellmög­lichkeit der Rotorkernachse kann der Förderstrom bei konstanter Drehzahl bis Null geändert werden, ohne dass die Steuerzeiten der Pumpe eine Aenderung erfahren. Auch hinsichtlich der Einfachheit ist die Aufgabe gelöst wor­den, sind doch recht wenig Teile benötigt worden, welche zudem wenig kompliziert sind.

[0006] Eine besonders zweckmässige Gestaltung der Membranzellen­pumpe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs sieht vor, dass je nach Baugrösse zwischen fünf und neun Membrane gleichmässig verteilt zwischen Rotorkern und Ro­torkäfig angeordnet sind und die Dichtbereiche je die Bogenlänge 2 Pi durch Anzahl Membrane aufweisen und somit der Druckbereich vom Saugbereich stets durch zwei Membrane abgesperrt wird.
Zweckmässig werden Ansaug- und Druckkanal radial im Ge­häuse über nahezu die gesamte Breite der Membrane erstrek­kend gestaltet, wobei auf eine möglichst tangentiale Zu- ­ und Abführung zu achten ist. Dann erhält man besonders gleichmässige Ein- und Ausströmverhältnisse, die dem ru­higen Pumpenlauf und der schonenden Pumpweise zugutekom­men, was vor allem für die Befüllung und Entleerung der zueinander umfangmässig versetzten, sich jedoch jeweils zu gleich grossen Rümen ergänzenden Anteile der von den Begrenzungsflächen und der Membranwände eingenommenen Zel­lenvolumen von Vorteil ist.
Zur Vergrösserung der Pumpleistung bei gleich grossen Ro­tordurchmesser können mehrere Rotoren mit zugehörigen Ro­torkernen und Membranen axial, unter Zwischenschaltung von Trennwänden, hintereinandergeschaltet werden. Ggf. kann man ganze Pumpen von einer gemeinsamen Welle antreiben und diese mit Ein- und Auslässen oder vereinigten Ein- und Aus­lässen versehen. Die Membrane können auf unterschiedliche Weise gestaltet sein und im Rotorkäfig resp. im Rotorkern fixiert werden. Sie können dafür einteilig oder mehrteilig und mit verschiedenen Halte- oder Fixiereinrichtungen ver­sehen sein. Wenn das Membranmaterial es ermöglicht, kann die Fixierung am Rotorkäfig so ausgelegt sein, dass die Membranoberkante als Abdichtelement gegenüber dem Gehäuse­zylinder, in welchem sich der Rotor dreht, dient. Dies wird beim Einsatz von dauerflexiblen, abrieb- und zugfesten Kunststoffen und/oder Elastomeren wie z.B. Polyurethan, ver­netzten Polyolefinen oder anderen vernetzten Polymerisaten und/oder Kautschuken natürlicher und/oder synthetischer Herkunft möglich. Um die Zugfestigkeit des Materials zu erhöhen und eine Einschnürung zu minimieren ist ein Ver­bund mit geeignetem Verstärkungsmaterial wie z. B. Kohle­fasern, Silikatfasern oder gereckten Kunststoffasern in Form einer Gewebestruktur angebracht.
Bei grosser Drehzahl und/oder hohen Drücken und/oder hohen Temperaturen ist es zweckmässig die Membrane aus dauer­flexiblem Metall wie z.B. Federstahl, Federbronze oder ähnlichen Legierungen zu fertigen.

[0007] Alle Teile der Membranzellenpumpe sind einfach herzustel­len und können aus den verschiedensten, die geeignete Gleit-, Lauf- und Lagereigenschaften aufweisenden Materialien be­ stehen. Besonders ist darauf zu achten, dass sie gegen­über dem zu pumpenden Medium und seinen chemischen und mechanischen Angriffsbestandteilen geeignet gewählt sind. Wenn es der hohe Einsatz für die zu pumpenden Stoffe lohnt, können die mit dem Stoff in Berührung kommenden Teile-­ausser den flexiblen Membranen aus abriebfestem Sinter- ­oder Keramikwerkstoff bestehen. Das Gehäuse kann aus Me­tall oder Kunststoff oder einer Kombination derselben be­stehen, wobei entsprechend kavitationsfeste Legierungen resp. Polymermischungen zu wählen sind.
Dabei kann das Gehäuse, die Welle sowie der Rotor spanab­hebend bearbeitet sein oder aus einem Gusswerkstoff be­stehen. Vorzugsweise wird das Gehäuse und der Rotorkäfig gegossen, die Welle, der Rotorkern sowie Rotorwand, Spann­bolzen und Stützzapfen spanabhebend bearbeitet.

[0008] Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in den Zeichnungen dargestellt und durch die Bezugszei­chenliste näher erläutert. Die Wirkungsweise ist offen­sichtlich und bedarf daher keiner Beschreibung.

Bezugszeichenliste:

[0009] 

Fig. l : Membranzellenpumpe im Längsschnitt

Fig. 2 : Membranzellenpumpe Schnitt A-A

Fig. 3 : Schnitt B-B durch Rotor

Fig. 4 : Schnitt C-C durch Rotor

Ansprüche

1. Membranzellenpumpe (a) mit Gehäuse (b), Einlass (i), Auslass (j), Saugraum (d), Druckraum (e), Zellenvolu­men (f), Ansaugbereich (k), Dichtbereich (l) und Druck­bereich (m), mit einer angetriebener Welle (4) aufwei­senden Rotor (c), bestehend aus Rotorkäfig (cl) und einem darin exzentrisch um Δs achsversetzt gelagerten Rotorkern (8), wobei an Rotorkäfig (cl) und Rotorkern (8) biegsame Membrane (l5) fixiert sind, so dass der von der Welle (4) angetriebene Rotorkäfig (cl) bei sei­ner Drehung den Rotorkern (8) mittels der Membrane (l5) mitnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorexzentrizität Δs durch einen radial wir­kenden Verstellmechanismus (9, l4, l7, 0, P) stufenlos von Null bis Δs (max.) variiert werden kann und dass der Rotorkern (8) am Umfang derart ausgebildet ist, dass ein Knickeffekt der Membrane (l5) durch besondere Form­gebung im Einspannbereich der Membrane (l5) und durch Anschmiegung an den Rotorkern (8) verhindert wird und eine optimale Abstützung derselben (l5) an den Rotorkern (8) im Dichtbereich (l) gewährleistet ist, wobei die Einspannlänge (n) der Membrane (l5) unter Berücksichti­gung des Achsversetzungsbereichs Δs und der Dauerbiege­festigkeit des Membranmaterials derart gewählt ist, dass eine dem Membranmaterial angepasste Spannung während des Umlaufs nicht überschritten wird und der Ansaugbereich (k) vom Druckbereich (m) durch je mindestens einer Membran (l5) getrennt wird, so dass die Seitenflächen der Mem­brane zu den gleichlaufenden Rotorwänden (5, 6) eine durch die Rotorexzentrizität Δs hervorgerufene Relativ­bewegung ausüben, ohne dass sich die Membrane (l5)gegsei­tig berühren und ohne ihre Dichtfunktion an diesen Stel­len aufzugeben.

2. Membranzellenpumpe nach Anspruch l,
dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane (l5) zumindest im Bereich der Einspannlänge (n) aus dauerflexiblem, abrieb- und zugfestem Kunststoff und/oder Elastomeren, vorzugsweise Polyurethan, ver­netzte Polyolefine oder anderen vernetzten Polymeri­saten und/oder Kautschuken natürlicher und/oder syn thetischer Herkunft, welche zur Verstärkung und Mini­mierung der Einschnürung mit geeigneten Verstärkungs­materialien, vorzugsweise Kohlenfasern, Silikatfasern und/oder gereckten Kunststoffasern in Form einer Ge­webestruktur verbunden werden können, bestehen.

3. Membranzellenpumpe nach Anspruch l,
dadurch gekennseichnet, dass die Membrane (l5) aus dauerflexiblem Metall, vorzugs­weise Federstahl, Federbronze oder ähnliche Legier­ung, bestehen.

4. Membranzellenpumpe nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane (l5) mehrteilig ausgebildet sind.

5. Membranzellenpumpe nach Anspruch l,
dadurch gekennzeichnet, dass drei oder mehr, vorzugsweise fünf bis neun Membrane (l5) gleichmässig verteilt zwischen Rotorkern (8) und Rotorkäfig (cl) angeordnet sind.

6. Membranzellenpumpe nach Anspruch l,
dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtbereiche (l) je die Bogenlänge 2 Pi durch Anzahl Membrane (l5) aufweisen und somit der Druck bereich (m) vom Saugbereich (k) stets durch zwei Mem­brane (l5) abgesperrt wird.

7. Membranzellenpumpe nach Anspruch l,
dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung des Ansaugkanals (o) und/oder des Druck­kanals (p) radial oder axial im Gehäuse (l,2,3) ge­wählt werden kann.

Zeichnung