DE3907735A1

DE3907735A1 - Membranpumpe mit freischwingender metallmembran

Info

Publication number: DE3907735A1
Application number: DE3907735A
Authority: DE
Inventors: Ruediger Dipl Ing Braeuer
Original assignee: BRAN and LUEBBE; Bran und Luebbe GmbH
Current assignee: BRAN and LUEBBE; SPX Flow Technology Germany GmbH
Priority date: 1989-03-10
Filing date: 1989-03-10
Publication date: 1990-09-20
Also published as: DE59002594D1; EP0386754A1; US5088901A; EP0386754B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenmembranpumpe mit einer den Förder- und den Kolbenarbeitsraum hermetisch trennenden Membran, die über das den Kolbenarbeitsraum vollständig ausfüllende Hydraulikmedium durch einen in diesem Raum oszillierend hin- und herbewegten Kolben betätigt wird, und mit einem Vorratsbehälter für das Hydraulikmedium, der über ein Nachfüllventil mit dem Kolbenarbeitsraum in Verbindung steht, sowie ein bewegliches Übertragungselement, das gegen Ende des Saughubes von der Membran gegen die Kraft einer Feder verschoben wird wobei es das Nachfüllventil öffnend angeordnet ist.

Eine solche Kolbenmembranpumpe ist aus der Firmenschrift "Lagengesteuerte Membranpumpe für große Förderströme" der Anmelderin bekannt.

Derartige Kolbenmembranpumpen können bisher über längere Zeit betriebssicher nur mit Kunststoffmembranen betrieben werden.

Kunststoffmembranen weisen eine um Zehnerpotenzen höhere Elastizität gegenüber Stahlmembranen auf. Versuche mit freischwingenden Stahlmembranen scheiterten bisher aus diesem Grunde, da an der Einspannungsstelle oder an anderen Stellen mit erhöhter mechanischer Belastung Stahlmembranen nach kurzer Zeit den Beanspruchungen erlagen. Der Autor Vetter des Standardwerkes "Pumpen", Vulkan- Verlag, Essen, 1987, S. 346, rechte Spalte unten, berichtet, daß die Verwendung von Metallmembranen in freischwingender Ausführung nie betriebssicher gelungen sei.

Mit freischwingenden Kunststoffmembranen ist man auf Anwendungsfälle und Drücke sowie auf spezielle Medien beschränkt, damit die Kunststoffmembran den Betriebsbedingungen standhalten kann.

Bei den außerdem bekannten Membranpumpen mit Metallmembranen arbeitet die Membran zwischen kalottenförmig gekrümmten, teils ebenen gelochten Anlageflächen, die den Arbeitsraum definieren.

Die mediumseitige gelochte Anlagefläche des beschriebenen Systems führt zu einer Reihe von Nachteilen:
So ist die Dosierung von Suspensionen oder verschmutzten Medien nicht möglich. Die Feststoffe klemmen sich in Einspannrandnähe zwischen Membran und Lochplatte und perforieren die Membran. Gleiches geschieht auch bei einer Überfüllung des Hydrauliksystems, hervorgerufen durch zu niedrigen Saugdruck, beispielsweise bei zu langer enger Saugleitung, zu hohem Filter- oder Ventilwiderstand, bei abgesperrter Armatur in der Saugleitung, wobei sich die Membran an die mediumseitige Lochplatte anlegt.

Derartige Lochplatten sind in der Formgebung kompliziert und daher teure Bauteile.

Die Lochplatten erzeugen nachteilige Druckverluste, so daß viskose Medien nur mit Vordruck gefördert werden können.

Bei Überfüllung wird die Membran in die vordere Lochplatte gepreßt. Da die Formgebung dieser Platte meist nicht ideal der Form der frei schwingenden Membran angepaßt werden kann, wird die Membran ungünstig verformt, was die Lebensdauer nachteilig verkürzt.

Schließlich ist das Prinzip der Doppelmembranpumpe bekannt, bei der zwei Membranen durch eine flüssigkeitsgefüllte Kammer voneinander getrennt sind. Die hydraulikseitige Membran arbeitet zwischen kalottenförmigen Begrenzungsflächen und übernimmt die Steuerung der mediumseitigen Membran, die nur an der Kammerseite eine kalottenförmige Anlagefläche aufweist, mediumseitig aber frei arbeitet. Der befüllte Zwischenraum stellt aber einen zusätzlichen Totraum dar. Die Befüllung ist aufwendig, und die Aufrechterhaltung des exakten Füllvolumens ist problematisch.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Membranpumpe anzugeben, die Medien mit höheren Drücken und Temperaturen fördern kann.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Dadurch, daß eine Metallmembran verwendet wird, kann die erfindungsgemäße Pumpe auch das Fördermedium auf höhere Drücke verdichten: Die maximalen Betriebstemperaturen dürfen 150°C bei weitem übersteigen. Auch Drücke von beispielsweise 3500 bar sind mit der erfindungsgemäßen Konstruktion erreichbar.

Dadurch, daß das Betätigungselement für das Nachfüllventil beidseitig von Federn beaufschlagt ist, vermag es der Membranbewegung besonders präzise zu folgen. Überraschenderweise ist es dadurch gelungen, auch bei den um ca. eine Zehnerpotenz geringeren Hüben einer Metallmembran gegenüber einer Kunststoffmembran ein exaktes Nachfüllen des Kolbenraumes mit Hydraulikmedium zu gewährleisten. Die vorteilhaft geringen Stellkräfte des Betätigungselementes führen zu einer besonders geringen Belastung der Metallmembran, so daß diese auch über längere Zeiträume die auftretenden Beanspruchungen ertragen kann.

Da förderraumseitig keine Anlagefläche für die Membran vorhanden ist, können auch verschmutzte Fördermedien gepumpt werden, ohne die Membran zu zerstören.

Die plattenförmige Ausbildung des Übertragungs elementes reduziert weiter vorteilhaft die Flächenpressung der Membran beim Betätigen des Nachfüllventils, so daß auch diese Maßnahme zur Erhöhung der Lebensdauer beiträgt.

Eine im Kolbenarbeitsraum angeordnete Lochplatte verhindert die Überlastung der Membran bei unzulässigen Betriebszuständen.

Ungenauigkeiten beim Betätigen das Nachfüllventils werden dadurch vermieden, daß sich das Übertragungselement und das Betätigungselement durch aufgebrachte Vorspannkräfte kraftschlüssig berühren.

Als besonders vorteilhaft hat sich eine Bauform herausgestellt, bei der das Übertragungselement als eingespannte Federzunge ausgebildet ist. Eine solche Konstruktion weist vorteilhaft geringe Massen auf, daß im Betrieb die Betätigungskraft des Nachfüllventils durch Massenkräfte nur unwesentlich erhöht wird.

Wenn die Federzunge von ihrer Einspannstelle radial zum Zentrum der Membran weist, so ergibt sich dadurch eine vorteilhafte Übereinstimmung ihrer Biegelinie mit der Wölbung der Membran. Die mechanische Beanspruchung der Membran wird beim Betätigen des Nachfüllventils dadurch weiter vorteilhaft reduziert.

Eine erfindungsgemäß vorgesehene lösbare Einspannung des Übertragungselementes weist den Vorteil auf, daß je nach Betriebsbedingungen unterschiedlich Vorspannungen erzielt werden können, so daß auch nachträglich die Membranpumpe an geänderte Arbeitsbedingungen angepaßt werden kann.

Zur weiteren Verringerung der Membranbelastung dient die Maßnahme, daß zusätzlich die Krümmung der Federzunge an die Biegewölbung der Membran angepaßt ist. Dies kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Der Fachmann kann die Anpassung der Federzunge durch geeignete Wahl ihrer Vorspannung, ihrer Formgebung als auch ihrer Positionierung relativ zur Membranmitte treffen, so daß sich eine besonders günstige Anpassung der Federzunge an die Membran ergibt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Pumpe sind in den Unteransprüchen 8 bis 15 beschrieben.

Dadurch, daß die hydraulikseitige Lochplatte fest eingespannt ist und die metallische, federnde Zunge bündig in diese Platte eingelassen ist, kann bei frei schwingender Membran die Zunge in Richtung Förderraum ausgelenkt sein. Zum Nachfüllen bei Hydraulikölmangel wird sie gegen eine sehr geringe Federkraft verschoben, wobei die Zuhaltung des Nachfüllventils freigegeben wird, und eine Verbindung zwischen dem Vorratsbehälter und dem Hydraulikraum hergestellt wird.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und erfindungswesentliche Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Diese zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Kolbenmembranpumpe in schematischer Darstellung,

Fig. 2 eine Aufsicht auf das Übertragungselement in der Stützplatte und

Fig. 3 einen Schnitt durch das in der Stützplatte angeordnete Übertragungselement.

Die in Fig. 1 dargestellte Kolbenmembranpumpe besitzt einen Verdrängerkolben 1, der oszillierend in einem vollständig mit Hydraulikmedium aufgefüllten Kolbenarbeitsraum 2 hin- und herbewegt wird. Die zwischen dem Förderraum 3 und dem Kolbenarbeitsraum 2 angeordnete Stahlmembran 4 führt dadurch einen dem Kolbenhubvolumen entsprechenden Membranhub aus.

Beim Saughub strömt über das Saugventil 5 die zu fördernde Flüssigkeit in den Förderraum 3 und wird beim Druckhub über das Druckventil 6 ausgestoßen.

Im Kolbenarbeitsraum ist eine feste gelochte Stützplatte 7 vorhanden.

Im Umfangsbereich tritt durch eine Öffnung 20 der Stützplatte 7 außerdem ein Steuerstößel 13 hindurch, der mit einer konischen Eindrehung 13 a versehen ist. Der Steuerstößel 13 steht unter Druck einer Feder 8 mit Wirkungsrichtung gegen die Stützplatte 7.

Im Bereich der konischen Eindrehung 13 a des Steuerstößels 13 greift im wesentlichen senkrecht hierzu eine Zuhaltung 9 an, die mit dem gegenüberliegenden Ende in Verbindung mit dem Schließkörper 10 des Ventils 12 steht. Die Länge der Zuhaltung 9 ist so bemessen, daß bei ihrer Anlage im äußeren Bereich der Umfangseindrehung 13 a des Steuerstößels 13 das Ventil 12 in seiner geschlossenen Lage gehalten wird, so daß aus dem Vorratsbehälter 11 kein Hydraulikmedium in den Kolbenarbeitsraum einströmen kann. Es handelt sich hierbei um die Normalstellung der Anordnung.

Wenn nach einer gewissen Betriebsdauer die unvermeidlich auftretenden Verluste an Hydraulikmedium dazu führen, daß sich die Membranstellung beim Saughub langsam zum Kolbenarbeitsraum hin verschiebt, erreicht die Membran 4 die Federzunge 14 und verschiebt sie in Richtung auf den Kolbenarbeitsraum gegen den federbelasteten Steuerstößel 13. Der an der Federzunge 14 anliegende Steuerstößel 13 bewegt sich zwangsgeführt gegen die Kraft der Feder 8 in die gleiche Richtung, so daß die Zuhaltung 9 an der konischen Umfangseindrehung 13 a des Steuerstößels 13 abgleitet. Hierdurch wird der Schließkörper 10 des Nachfüllventils 12 freigegeben. Das Nachfüllventil 12 öffnet sich infolge des im Kolbenarbeitsraum herrschenden Unterdrucks und läßt aus dem Vorratsbehälter 11 Hydraulikmedium in den Kolbenarbeitsraum einströmen. Hierdurch bewegen sich die Membran 4 und die Federzunge 14 wieder in Richtung auf den Förderraum 3. Der Steuerstößel 13 wird durch den Druck der Feder 8 in Eingriff mit der Federzunge 14 gehalten und führt dementsprechend die gleiche Bewegung aus. Während dieses Bewegungsablaufes gleitet die Zuhaltung entlang der konischen Umfangseindrehung 13 a aufwärts, bis sie wieder vom äußeren Umfangsbereich des Steuerstößels 13 abgestützt wird. Hierdurch wird wiederum der Schließkörper 10 in der geschlossenen Stellung des Ventils 12 arretiert.

Die Federzunge 14 ist in einer Einfräsung 21 der Stützplatte 7 angeordnet und an dieser mittels eines Schweißpunktes 16 befestigt. Da die Befestigungsstelle weiter außen liegt als die Achse des Steuerstößels 13 a paßt sich die Federzunge selbsttätig an die Wölbung der Metallmembran 4 an.

Der Steuerstößel 13 weist an seinem Ende 13 b, das durch die Stützplatte 7 hindurchragt, einen geringeren Durchmesser auf, so daß bei vollständig anliegender Membran 4 die Federzunge 14 nicht in die Stützplattenöffnung 20 gestanzt werden kann. Zur Erleichterung der Montage kann der Bereich 13 b des Steuerstößels mit verringertem Durchmesser auch als getrennter Stift ausgeführt sein. Durch die Einspannung des Steuerstößels 13 und gegebenenfalls des getrennten Stiftes zwischen der Federzunge 14 und der Feder 8 bleibt ein kraftschlüssiger Kontakt der einzelnen Teile erhalten.

Die am Ventil 12 dargestellte Feder dient lediglich dazu, ein Herabfallen des Schließkörpers 10 zu verhindern, ohne jedoch eine nennenswerte Schließkraft des Ventils auszuüben.

In Fig. 2, die eine Sicht auf die Federzunge 14 darstellt, ist die ovale Ausgestaltung der Federzunge erkennbar. Die Federzunge 14 überdeckt vollständig die gestrichelt dargestellte Stützplattenöffnung 20 für den Steuerstößel.

In Fig. 3 ist eine Variante der Federzungen befestigung gezeigt. Auf die Federzunge 14 ist zur Befestigung ein Gewindeelement 17 aufgeschweißt. Nachdem es durch eine geeignete Öffnung der Stützplatte gesteckt ist, wird es auf der anderen Seite mittels Mutter 18 und Kontermutter 19 festgelegt.

Es wurde somit eine Kolbenmembranpumpe geschaffen, die die eingangs aufgezeigten Nachteile in einer vorteilhaften Weise behebt.

Bezugszeichenliste.

1 Verdrängerkolben
2 Kolbenarbeitsraum
3 Förderraum
4 Membran
5 Saugventil
6 Druckventil
7 Stützplatte
8 Feder
9 Zuhaltung
10 Schließkörper
11 Vorratsbehälter
12 Ventil
13 Steuerstößel
13 a konische Eindrehung
13 b Ende
14 Federzunge
15 Stift
16 Schweißbefestigung
17 Gewindeelement
18 Mutter
19 Kontermutter
20 Öffnung
21 Einfräsung

Claims

1. Kolbenmembranpumpe mit einer den Förder- und den Kolbenarbeitsraum (3, 2) hermetisch trennenden Membran (4), die über das den Kolbenarbeitsraum vollständig ausfüllende Hydraulikmedium durch einen in diesem Raum oszillierend hin- und herbewegten Kolben (1) betätigt wird, und mit einem Vorratsbehälter für das Hydraulikmedium, der über ein Nachfüllventil (12) mit dem Kolbenarbeitsraum (2) in Verbindung steht, sowie ein bewegliches Übertragungselement, das gegen Ende des Saughubes von der Membran (4) gegen die Kraft eines durch eine Feder (8) vorgespannten Betätigungselementes (13) verschoben wird, das das Nachfüllventil (12) öffnend angeordnet ist, da durch gekennzeichnet, daß

a) die Membran (4) als Metallmembran ausgebildet ist,
b) das Übertragungselement (14) als ein der Feder (8) des Betätigungselementes (13) entgegengesetzt federndes plattenförmiges Teil ausgebildet ist,
c) sie förderraumseitig keine Anlagefläche für die Membran aufweist.

2. Kolbenmembranpumpe nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß zwischen Membran (4) und Kolben (1) eine Lochplatte (7) angeordnet ist.

3. Kolbenmembranpumpe nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß das Nachfüllventil (12) ein Betätigungselement (13) aufweist, welches kraftschlüssig das Übertragungselement (14) berührend angeordnet ist.

4. Kolbenmembranpumpe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungselement als, vorzugsweise einseitig, eingespannte Federzunge ausgebildet ist.

5. Kolbenmembranpumpe nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannungsstelle des einseitig eingespannten Übertragungselementes (14) auf einem von der Kolbenachse über die Achse des Ventilbetätigungselementes hinausgehend gedachten Strahl angeordnet ist.

6. Kolbenmembranpumpe nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannung des Übertragungselementes (14) lösbar ausgebildet ist.

7. Kolbenmembranpumpe nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, oder 6, dadurch gekennzeich net, daß das Übertragungselement (14) eine Krümmung aufweist, die an die Biegewölbung der Membran (4) angepaßt ist.

8. Kolbenmembranpumpe nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeich net, daß das Übertragungselement (14) eine Federkraft aufweist, die derart auf die entgegengesetzt wirkende Feder (8) des Ventilbetätigungselementes (13) so abgestimmt ist, daß das Nachfüllventil (12) bei einer Druckdifferenz von kleiner als 0,2 bar, vorzugsweise kleiner als 0,1 bar, öffnet.

8. Kolbenmembranpumpe nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeich net, daß das Ventilbetätigungselement (13) an seinem das Übertragungselement (14) berührenden Ende ballig ausgebildet ist.

10. Kolbenmembranpumpe nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9, dadurch gekenn zeichnet, daß das Übertragungselement (14) das Ventilbetätigungselement vollständig überdeckend ausgebildet ist.

11. Kolbenmembranpumpe nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10, dadurch gekenn zeichnet, daß das Übertragungselement (14) in der Lochplatte (7), vorzugsweise bündig mit dieser abschließend, eingelassen ist.

12. Kolbenmembranpumpe nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder 11, dadurch gekenn zeichnet, daß die Dicke des Übertragungselementes (14) und der Durchmesser einer Öffnung in der Lochplatte (7) für das Ventilbetätigungselement (13) so aufeinander abgestimmt sind, daß bei höchstem Vordruck ein Durchstanzen des Übertragungselementes (14) gerade vermieden wird.

13. Kolbenmembranpumpe nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 oder 12, dadurch ge kennzeichnet, daß das Ventilbetätigungselement (13) als Steuerstößel mit einer konischen Auflagefläche (13 a) ausgebildet ist, auf der im wesentlichen senkrecht zur Steuerstößelachse eine Ventilzuhaltung (8) angeordnet ist.

14. Kolbenmembranpumpe nach Anspruch 13, da durch gekennzeichnet, daß der Steuerstößel (13) auf seiner die Lochplatte (7) durchsetzenden Länge einen Bereich mit verringertem Durchmesser aufweist.

15. Kolbenmembranpumpe nach Anspruch 14, da durch gekennzeichnet, daß der Bereich des Steuerstößels (13) mit verringertem Durchmesser als vom Steuerstößel getrennter Stift ausgebildet ist.