DE3151764C2 - Membranpumpe mit druckentlastet eingespannter Membran - Google Patents

Abstract

Bei einer Membranpumpe ist die den Förderraum vom Druckraum trennende Membran druckentlastet zwischen Gehäusekörper und Pumpendeckel eingespannt. Zu diesem Zweck ist radial außerhalb der Membraneinspannfläche ein umlaufender Druckausgleichsraum vorgesehen, der über wenigstens einen Verbindungskanal mit dem Druckraum in Verbindung steht. Außerdem ist radial außerhalb des Druckausgleichsraums zwischen Pumpendeckel und Gehäusekörper eine gesonderte Ringdichtung angeordnet, die den Druckausgleichsraum bzw. den Druckraum nach außen abdichtet. Dadurch eignet sich die Membranpumpe für Förderdrücke von weit über 350 bar und erlaubt gleichzeitig den Einsatz von betriebssicheren, verdrängungsintensiven Kunststoffmembranen.

Description

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

Bei der erfindungsgemäß ausgestalteten Membranpumpe erfolgt die Abdichtung des Druckraums zur Atmosphäi'e 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 pulsÜerenden Drücken auf eine technisch einfache und bewährte Lösung reduziert, nämlich der Abdichtung von Ul bei pulsierendem Druck. Dafür können bekannte Dichtelemente, z. B. O-Ringe, verwendet werden.

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.

Um beidseits der Membraneinspifnnfläche stets den gleichen Druck herrschen zu lassen und damit diese Membraneinspannfläche von der Dichtfunktion zu entlasten, ist es statt dessen 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 Purnpendeckels befestigt, wobei dieser Spannring zweckrnäßigerweise als Lochplatte ausgebildet ist und damit zur Abstützung der Membran in der unteren Tötpünktläp während des Säüghübes des Verdfängerkolbens dient.

Insgesamt lassen sich daher bei der erfindungsgemäßen ausgestalteten Membranpumpe betriebssichere, verdrängungsintensive Kunststoffmembranen einsetzen und gleichzeitig Förderdrücke von bis zu beispielsweise 1200 bar bei einer Membrinlebensdauer bis über 20 000 Betriebsstunden erzielen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert Diese zeigt in

F i g. 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

F i g. 4 eine weitere abgewandelte Ausführungsform in einer der F i g. 2 ähnlichen Detaildarstellung.
in 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

Der Pumpendeckel 1 ist durch Schrauben 7 stirnseitig am Gehäusekörper 2 lösbar festgeic/tf, wobei in den einander zugekehrten Stirnflächen des Fampendeckels 1 und des Gehäusekörpers 2 durch entsprechend große, durchmessergleiche konkave Ausnehmungen ein Förderraum 8 sowie ein mit Hydraulikflüssigkeit gefüllter Druckrsjm 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

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 ■»o Förderraum 8 in Verbindung stehen, daß das Fördermedium beim nach rechts gemäß F i g. 1 erfolgenden Saughub der Membran 10 in Richtung des Pfeiles A über das Einlaßventil 11 und den Einlaßkanal 13- in den Förderraum 8 angesaugt und beim nach links gemäß F i g. 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.

Um beim Membrandruckhub eine Überlastung der so 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 Druckrz".m 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 sc.'lte.

In entsprechender Weise ist in einer weiteren \ Sackbohrung 20 des Gehäusekörpers 2 ein Schnüffelventil 21 aufgenommen, das zum Zweck des Unterdruckschutzes bei der druckraumseitisen 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.

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. i) mit der geodätisch höchsten Steiie 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.

Wie aus F i g. 1 und besonders deutlich aus F i g. 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.

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 Druckraums 9 — nämlich über die Sackbohrung 20 und den Kanal 22 — führt, so daß auch dadurch für eine sichere Entgasung des Druckausgleichsraumes 28 gesorgt is L

Die nach außen erfolgende Abdichtung des Druckraums 9 bzw. des Druckausgleichsraums 28 erfolgt über eine gesonderte Ringdichtung 30, die radial außerhalb des Druckausgleichraums 28 in eine Ringnut 31 in der Stirnfläche des Gehäusekörpers 2 eingelegt ist

Bei der abgewandelten Ausführungsform der Membraneinspannung gemäß F i g. 3 ist die Membran 10 mit ihrer Einspannfläche 26 durch einen gesonderten Spannring 32 mittels Schrauber. 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

ίο 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 Druckraums 9' ist es nicht erforderlich, daß der den Druckausgleichsraum darstellende Ringraum 28' noch über einen gesonderten Verbindungskanal (ähnlich dem Verbindungskanal 29 gemäB Fig. i und 2) mit dem Druckrauiii 5' Verbünden ist; in anderen Worten ausgedrückt, bedeutet dies, daß der gesonderte Verbindungskanal einschließlich des Druckausgleichsraumes 28' einen Teil des Druckraumes 9' selbst bildet.

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 Pumpehtk-ckels I die Ringdichtung 30 vorgesehen, welche die im Druckraum 9' bzw. im Druckausgleichsraum 28' befindliche Hydraulikflüssigkeit nach außen abdichtet.

Die weiterhin abgewandelte Ausführungsform gemäß F i g. 4 unterscheidet sich von derjenigen gemäß F i g. 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. Außer-

■»o dem soll die Breite des äußeren Einspannrandes 26' wenigstens dem lOfachen seiner Dicke entsprechen.

Mit einer, derartigen Ausgestaltung der Membraneinspannfläche 26 einschließlich verdünntem äußeren 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.

Derartiges wird jedoch wirksam durch den zusätzlich zur üblichen Einspannfläche 26 vorgesehenen, verdünnt ausgebildeten äußeren Membraneinspannrand 26' ver-

hindert, da dieser aufgrund seiner geringen Dicke — in Verbindung mit einer bestimmten Mindesbreite — gleichsam einen Klebeffekt ausübt, weil das dünne Membranmaterial an den durch die übliche Oberflächenrauhigkeit bedingten kleinen Vorsprüngen bzw. Erhebungen der metallischen Dichtflächen von Pum-

pendeckel 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 eindringen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

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 ι ο oszillierenden Verdrängerkolbens, der im Gehäusekörper zwischen dem Druckraum und einem Hydraulikvorrat verschieblich ist, dadurch gekennzeichnet, daß radial außerhalb der Membraneinspannfläche (26,26') ein umlaufender Druck- is ausgleichsraum (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 1, 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 .n der Stirnfläche des Gehäusekörpers (2) vorgesehene RingfAit ausgebildet ist die wenigstens an einer Stelle über den im Gehäusekörper (2) verlaufenden Verbindungskana! 19) mit dem Druckraum (9) verbunden ist

4. Membranpumpe nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet daß der Verbindungskanal (29) über die Sackbohrung (20) und den Kanal (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') so ausgebildet ist

6. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1—5, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (10) am äußeren Rand (26') ihrer Einspannfläche (26) eine beträchtlich geringere Dicke als im ss 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 HauptkörpeFS 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 1 Ofachen seiner Dicke entspricht.

Die Erfindung betrifft eine Membranpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei bekannten Membranpumpen dieser Art, die mit hydraulischen Membranantrieb arbeiten, sind grundsätzlich zwei Basiskonstruktionen bekannt nämlich einerseits solche, bei denen eine oder mehrere Kunststorrmembranen zur Anwendung gelangen, und andererseits solche, bei denen Metallmenbranen verwendet werden.

Bei denjenigen bekannten Membranpumpenkonstruktionen, bei denen eine Kunststoffmembran, üblicherweise aus Polytetrafluorethylen (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

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 Bruckraumes 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.

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 wesentlichen 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 Kunststoffmembranen. Zudem ist die Betriebssicherheit geringer, weil Metallmembranen empfindlicher gegen Bruch sind, der z. B. leicht durch Suspensions- oder Schmutzpartikel im Fördermedium herbeigeführt werden kann.

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.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in der. weiteren Ansprüchen angegeben.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Einspannfläche der Membran von der Dichtfunktion, die sie bisher gleichzeitig übernehmen mußte, zu entlasten,