DE4141670A1 - Hydraulisch angetriebene membranpumpe mit membranhubbegrenzung - Google Patents
Hydraulisch angetriebene membranpumpe mit membranhubbegrenzungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine hydraulisch angetriebene Mem
branpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einer bekannten Membranpumpe der gattungsgemäßen Art
(DE-PS 23 33 876), die einen hydraulischen Membranantrieb
aufweist und mit einer sog. freischwingenden Membran, ins
besondere Kunststoffmembran, ausgeführt ist, ist eine mem
branlagengesteuerte Leckergänzungseinrichtung vorgesehen.
Aufgrund der Anordnung einer frei schwingenden Membran ent
fällt eine mechanische Begrenzung des Membranhubes in Rich
tung Förderraum, beispielsweise mittels einer Lochplatte.
Dies ermöglicht die Ausbildung eines freien, ungestörten
Förderraumes, was für den Anwender eine Reihe von Vorteilen
erbringt. So ergeben sich im Förderraum nur geringe Strö
mungsverluste, was sich bei hoher Viskosität der Förder
flüssigkeit vorteilhaft auswirkt. Weiterhin ist ein derar
tig ausgestalteter Förderraum gut geeignet zur Förderung
grobkörniger und fasriger Suspensionen. Schließlich läßt
sich ein derartiger Förderraum leicht reinigen. Dies ist
dann von Bedeutung, wenn die Membranpumpe auf lebensmittel
technischem Gebiet zum Einsatz gelangen soll.
Die fehlende mechanische Abstützung der Membran im Förder
raum erfordert jedoch, daß geeignete konstruktive Maßnahmen
im Hydraulikraum ergriffen werden, um eine Überdehnung der
Membran beim Druckhub in Richtung Förderraum zu verhindern.
Hinsichtlich der bei der bekannten Membranpumpe vorgese
henen Leckergänzungseinrichtung hat sich diejenige des mem
branlagengesteuerten Typs durchgesetzt. Dies bedeutet, daß
die Membran selbst die Betätigung eines Steuerventils über
nimmt, wobei ein von der Membran gesteuerter Steuerschie
ber, der im Bereich des Verbindungskanals zwischen Membran
arbeitsraum und Kolbenarbeitsraum verschiebbar geführt ist,
in der Saughubendstellung der Membran eine Verbindung vom
Vorratsraum zum Kolbenarbeitsraum öffnet. Die Leckergänzung
kann und soll nur dann erfolgen, wenn die Membran eine vor
bestimmte Grenzposition am Ende des Saughubes erreicht hat.
Weitere Ausführungsformen derartiger Leckergänzungseinrich
tungen von Membranpumpen sind in DE-PS 28 43 054 sowie in
FR-PS 24 92 473 beschrieben.
Die Steuerung der Leckergänzung durch die Membranlage
bringt im Vergleich zur druckgesteuerten Leckergänzung mit
einem Schnüffelventil eine Reihe weiterer Vorteile. So kön
nen einerseits große Saughöhen überwunden werden, wobei die
Saughöhe allein durch den Dampfdruck der Förderflüssigkeit
und Hydraulikflüssigkeit begrenzt ist. Andererseits sind
Überladungen des Hydraulikraums, wie sie bei der druckge
steuerten Leckergänzung durch Unterdruckspitzen auftreten
können, ausgeschlossen. Derartige ausgeprägte Unterdruck
spitzen treten vorzugsweise bei großen Hochdruckmembranpum
pen zu Beginn der Saugphase auf, wenn die Flüssigkeitssäule
in der Saugleitung beim Öffnen des Saugventils ruckartig
beschleunigt wird. Schließlich ermöglicht die membranlagen
gesteuerte Leckergänzung das Anschnüffeln von Hydraulik
flüssigkeit bei einem geringen Differenzdruck von bei
spielsweise weniger als 0,3 bar, d. h. der Absolutdruck
bleibt bei etwa 0,7 bar. Dadurch kann die Gasbildung im
Hydraulikraum weitgehend vermieden werden, was entspre
chende Vorteile hinsichtlich der Förderleistung und der
Fördergenauigkeit erbringt. Demgegenüber erfordert die
druckgesteuerte Leckergänzung eine relativ hohe Einstellung
des Differenzdruckes am Schnüffelventil von beispielsweise
0,6 bar, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Die
dadurch bewirkte Druckabsenkung im Hydraulikraum während
des Schnüffelvorgangs auf beispielsweise 0,4 bar Absolut
druck führt zu einer verstärkten Gasbildung. Dies hat eine
verminderte Förderleistung und Fördergenauigkeit zur Folge.
In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß die bekannten
Membranpumpen der zur Rede stehenden Art noch bestimmte
Schwächen aufweisen, deren Beseitigung wünschenswert ist.
So muß vor Inbetriebnahme der Pumpe dafür gesorgt werden,
daß die Membran im Bezug auf den Kolben auf keinen Fall zu
weit in Richtung Förderraum ausgelenkt ist. Im Hydraulik
raum darf sich weiterhin nur eine vorbestimmte Menge an
Hydraulikflüssigkeit befinden, da eine zu große Menge an
Hydraulikflüssigkeit beim ersten ausgeführten Druckhub des
Kolbens zu einer Überdehnung oder gar zum Bersten der Mem
bran führen würde. Wenn demgegenüber eine zu geringe Menge
an Hydraulikflüssigkeit vorhanden ist, wird die fehlende
Flüssigkeitsmenge automatisch mittels der Leckergänzungs
einrichtung am Ende des ersten Saughubes ergänzt.
Die manuelle Positionierung der Membran vor dem Start der
Pumpe ist relativ aufwendig. Sie wird üblicherweise derart
durchgeführt, daß eine Verbindung zwischen Hydraulikraum
und Vorratsraum geschaffen wird, was beispielsweise durch
Entfernen des Druckbegrenzungsventils erfolgt. Die Membran
wird dann dadurch in Richtung ihres Antriebs gedrückt, daß
auf der Saugseite der Pumpe Überdruck angewandt wird, der
demgemäß auch die förderraumseitige Membranfläche beauf
schlagt. Wenn sich dann die Membran in Richtung ihres An
triebs bewegt, wird gleichzeitig Hydraulikflüssigkeit vom
Hydraulikraum in den Vorratsraum verdrängt.
Diese gesondert durchgeführte Membranpositionierung muß im
Einzelfall auch nach einem längeren Stillstand der Pumpe
wiederholt werden, um das Risiko zu beseitigen, daß sich
die Membran, wie dies üblicherweise zu erwarten ist, wäh
rend der Betriebsunterbrechung in Richtung Pumpendeckel be
wegt hat. Mit einer derartigen - unerwünschten - Membran
verlagerung ist immer dann zu rechnen, wenn während der Be
triebspause ein Unterdruck am Saugventil oder Druckventil
des Förderraums ansteht. Der zum Beispiel am Saugventil
herrschende Unterdruck kann sich über das statisch nie ganz
dichte Saugventil in den Förderraum sowie in den Hydraulik
raum fortpflanzen und führt dann dazu, daß Hydraulikflüs
sigkeit, z. B. über die Kolbenabdichtung, vom Vorratsraum in
den Hydraulikraum gesaugt wird.
Die beschriebene aufwendige, gleichwohl notwendige Inbe
triebnahme der Membranpumpe wirkt sich besonders nachteilig
bei modernen Dreifachmembranpumpen aus, bei denen die an
fängliche Membranpositionierung an drei Pumpenköpfen vorzu
nehmen ist. Diese Membranpositionierung läßt sich zwar mit
Magnetventilen, die zwischen Hydraulikraum und Vorratsraum
eingebaut sind, vereinfachen. Jedoch bleibt der konstruk
tive und steuerungstechnische Aufwand in jedem Fall erheb
lich. Auch ist es nicht immer einfach, den notwendigen
Überdruck auf der Saugseite der Pumpe zur Verfügung zu
stellen, um die Membran in Richtung ihres Antriebes zu
drücken.
Ausgehend von diesem Stand der Technik, liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, die Membranpumpe der gattungsgemäßen
Art derart auszugestalten, daß der Membranhub in beiden
Richtungen mit einfachen Mitteln funktionssicher begrenzt
ist, und daß die Inbetriebnahme der Pumpe ohne manuelle Vor
arbeiten zur Beeinflussung der Membranlage durchgeführt
werden kann.
Die Merkmale der zur Lösung dieser Aufgabe geschaffenen Er
findung ergeben sich aus Anspruch 1. Vorteilhafte Ausge
staltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen be
schrieben.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Einrichtungen
zur Begrenzung des Membranhubes in beiden Richtungen am oh
nehin vorhandenen Steuerschieber der Leckergänzungseinrich
tung vorzusehen. Hierdurch ergibt sich eine verblüffend
einfache, gleichwohl funktionssichere Ausgestaltung.
Gleichzeitig ist gewährleistet, daß die Pumpe in Betrieb
genommen werden kann, ohne daß zum Zweck der Beeinflussung
der Membranlage manuelle Vorarbeiten durchgeführt werden
müssen.
Die erfindungsgemäß ausgestaltete Membranpumpe bedient sich
hinsichtlich der in beiden Hubrichtungen vorgesehenen Be
grenzung des Membranweges eines doppelten bzw. kombinierten
Prinzips. Dieses besteht darin, daß einerseits die Membran
hubbegrenzung in der Saughubendstellung auf rein mechani
sche Weise, nämlich mittels der durch Stützteller und zuge
ordnete Pumpenkörperfläche gebildeten, der natürlichen Mem
brangeometrie angepaßten, nahezu spaltfreien Abstützfläche,
erfolgt, während andererseits die Membranhubbegrenzung in
der Druckhubgrenzstellung rein hydraulisch bewirkt wird,
indem das am kolbenseitigen Ende des Steuerschiebers vor
gesehene Ventilglied die hydraulische Verbindung vom Kol
benarbeitsraum zum Membranarbeitsraum unterbricht. Im
letztgenannten Fall wird dann überschüssiges Hydrauliköl
über das vorgesehene Druckbegrenzungsventil in den Hydrau
likvorratsraum verdrängt.
Durch die Erfindung wird somit das Prinzip verwirklicht,
daß auf der Basis der mittels des Steuerschiebers erfolgen
den membranlagengesteuerten Leckergänzung eine membranla
gengesteuerte Weg- bzw. Hubbegrenzung der Membran sowohl in
Richtung Druckhub als auch in Richtung Saughub bewirkt
wird. Hierbei erfolgt, wie schon dargelegt, in der Saughub
endstellung der Membran eine vollkommen mechanische Mem
branabstützung mittels einer nahezu spaltfreien mechani
schen Abstützfläche. Diese wird durch den entsprechend aus
gebildeten, am membranseitigen Ende des Steuerschiebers an
geordneten Stützteller in Verbindung mit der zugeordneten
Pumpenkörperfläche des Membranarbeitsraumes gebildet.
In diesem Zusammenhang kann in vorteilhafter Ausgestaltung
der Erfindung vorgesehen sein, daß die mechanische Abstütz
fläche bohrungsfrei ausgebildet ist, was sich als besonders
vorteilhaft bei der Anwendung der Erfindung für Hochdruck
membranpumpen erweist.
Zweckmäßigerweise ist das zweite Steuerventil, mittels dem
die hydraulische Begrenzung des Membranhubes in der Druck
hubend- bzw. Grenzstellung erfolgt, als Tellerventil ausge
bildet, dessen Ventilteller, sei es in Form einer Teller
scheibe, einer Tellerschale oder dgl., in der Druckhubend
stellung den bzw. die Verbindungskanäle verschließt.
In einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung kann
der Steuerschieber der Leckergänzungseinrichtung, der an
seinem membranseitigen Ende den hiermit fest verbundenen
Stützteller aufweist, derart ausgestaltet sein, daß auch
das am kolbenseitigen Ende vorgesehene Ventilglied des
zweiten Steuerventils hiermit fest verbunden ist.
In Weiterbildung der Erfindung ist es jedoch von Vorteil,
wenn das Ventilglied des zweiten Steuerventils am einen
Ende eines Ventilstößels befestigt ist, der seinerseits
verschiebbar im Steuerschieber des ersten Steuerventils,
koaxial zu diesem, geführt ist und mit seinem anderen Ende
unter Federkraft der Membran anliegt, so daß er die Membran
auf dem gesamten Membranhub abtastet.
In Verbindung mit einer derartigen Ausgestaltung ist es von
Vorteil, wenn der Steuerschieber des ersten Steuerventils
in Richtung der Membran durch eine Feder vorgespannt ist,
die stärker ist als die den Ventilstößel des zweiten Steu
erventils vorspannende Feder. Es liegt hierbei im Rahmen
der Erfindung, daß die den Ventilstößel des zweiten Steuer
ventils vorspannende Feder am Steuerschieber selbst abge
stützt ist.
Da es für den Steuerschieber im Gegensatz zum Ventilstößel
des zweiten Steuerventils nicht erforderlich ist, daß die
ser dem gesamten Hubweg der Membran folgt, ist erfindungs
gemäß vorgesehen, daß der Steuerschieber an seinem kolben
seitigen Ende einen Anschlag aufweist, der den Verschiebe
weg des Steuerschiebers in Richtung des Membrandruckhubes
begrenzt. Dadurch folgt der Steuerschieber, wenn sich die
Membran aus ihrer Saughubendstellung in Richtung Druckhub
bewegt, der Membran lediglich in einem bestimmten Bereich,
der vorzugsweise 30-40% des gesamten Membranhubes be
trägt. Dies bedeutet m. a.W., daß der Steuerschieber, wenn
die Membran aus ihrer Druckhubendstellung in die Saughu
bendstellung zurückkehrt, von der Membran lediglich auf den
letzten 30-40% des Saughubes betätigt bzw. gegen Feder
kraft zurückgeschoben wird.
Wie schon dargelegt, tastet bei derjenigen Ausführungsform,
bei der das zweite Steuerventil gesondert zum ersten Steu
erventil vorgesehen ist, der Ventilstößel des Ventiltel
lers, durch die Kraft seiner Druckfeder gestützt, die Mem
bran auf dem gesamten Membranhub ab. Das zweite Steuerven
til arbeitet völlig unabhängig vom ersten Steuerventil,
d. h. es tastet die Membran auch dann noch ab, wenn die
Funktion des ersten Steuerventils, z. B. durch Schmutzein
wirkung, gestört ist. Während des normalen Pumpenbetriebes,
wenn die Membran in ihrem vorgegebenen Bereich arbeitet,
läuft der Ventilstößel gleichsam leer mit. Verläßt die Mem
bran jedoch den vorgesehenen Arbeitsbereich um einen be
stimmten Betrag, vorzugsweise etwa 20% vom normalen Mem
branhub, in Richtung Förderraum, schließt der Ventilteller
den bzw. die Verbindungskanäle zwischen Kolbenarbeitsraum
und Membranarbeitsraum. Damit ist die hydraulische Verbin
dung unterbrochen, so daß die Membran nicht weiter in Rich
tung Förderraum verformt werden kann. Demgemäß ist die Mem
bran vor Überdehnungen gesichert. Die im Kolbenarbeitsraum
vorhandene überschüssige Hydraulikflüssigkeit wird über das
Druckbegrenzungsventil in den Hydraulikvorratsraum zurück
geschoben.
Durch die Erfindung ergibt sich somit nicht nur eine wün
schenswerte Absicherung der Membran bei der Inbetriebnahme
der Pumpe, sondern es wird auch aufgrund der völlig unab
hängigen Arbeitsweise der beiden Steuerventile eine zusätz
liche Verbesserung der Betriebssicherheit der Pumpe erzielt.
Dies ist dann von wesentlicher Bedeutung, wenn das erste
Steuerventil, beispielsweise durch Schmutzeinwirkung, in
seiner Funktion gestört wird und dauernd in einer geöffne
ten Position bleibt, so daß ein unkontrolliertes Anschnüffeln
von Hydraulikflüssigkeit möglich wäre. In diesem Fall
verhindert jedoch das zweite Steuerventil zuverlässig einen
Membranschaden, in dem es in der beschriebenen Weise einen
Druckhub der Membran über die normale Endstellung hinaus
unterbindet. Hierbei wird dann die überschüssige Hydraulik
flüssigkeit wieder in den Vorratsraum abgeführt. Die Pumpe
arbeitet hierbei lediglich mit verminderter Leistung, und
es kommt zum Ansprechen des Druckbegrenzungsventils.
Das durch die Erfindung mit Sicherheit unterbundene Auftre
ten von Membranschäden, die üblicherweise den Austausch von
Förderflüssigkeit und Hydraulikflüssigkeit bedingen, hat
deswegen besondere Bedeutung, weil derartige Membranschäden
erhebliche Folgekosten verursachen. Diese ergeben sich u. a.
dadurch, daß der gesamte Verfahrensprozeß, in den die be
treffende Membranpumpe integriert ist, sofort unterbrochen
werden muß, daß aggressive Förderflüssigkeiten in den
Hydraulikraum gelangen und dort erhebliche Korrosionsschä
den anrichten und daß schließlich die Produktcharge, bei
spielsweise beim Einsatz der Pumpe im Lebensmittelbereich,
durch die in den Förderraum eindringende Hydraulikflüssig
keit beeinträchtigt bzw. verdorben werden kann.
Die Bedeutung der durch die Erfindung erzielten zusätzli
chen Absicherung gegen Membranschäden läßt sich dann ermes
sen, wenn man sich vergegenwärtigt, daß der Steuerschieber
der Leckergänzungseinrichtung während eines einjährigen
Dauerbetriebes ca. 108 mal der Membran folgen muß, wobei
schon eine einzige Fehlsteuerung des Steuerschiebers zu
einem Membranschaden führen kann.
Ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil ergibt sich aus der
Gestaltung des Steuerschiebers und des hierin verschiebbar
geführten Ventilstößels. In der zusammengedrückten Stellung
bilden nämlich die Stirnflächen dieser beiden Steuerele
mente zusammen mit der zugeordneten Pumpenkörperfläche eine
nahezu spaltfreie mechanische Abstützfläche, die der natür
lichen Membranform angepaßt ist. Hierbei sind lediglich
außerordentlich geringe Spalten von vorzugsweise maximal 0,1
bis 0,2 mm Breite vorhanden, so daß im Hinblick auf das
verwendete Membranmaterial, beispielsweise PTFE, zu Recht
von einer fast völlig spaltfreien Abstützfläche gesprochen
werden kann. Die Membran wird in ihrer Saughubendstellung
durch diese Anlagefläche mechanisch abgestützt und kann mit
dem vollen Förderdruck angedrückt werden, ohne Schaden zu
erleiden.
Dies ist deswegen von besonderer Bedeutung, weil in der
Praxis folgende Fälle auftreten, die aufgrund der erfin
dungsgemäßen Ausgestaltung jedoch mit Sicherheit beherrscht
werden:
- - Die Pumpe wird aus einem Drucknetz versorgt. Der Vordruck drückt hierbei die Membran jedesmal am Ende des Saughu bes, d. h. während der die Leckergänzung bewirkenden Schnüffelphase, an die Anlagefläche;
- - im Stillstand der Pumpe wirkt der saugseitige Vordruck dauernd auf die Membran. Aufgrund der stets vorhandenen Leckage an der Kolbenabdichtung legt sich die Membran nach kurzer Zeit an die Anlagefläche;
- - im Stillstand der Pumpe kann dann, wenn das Druckventil des Förderraums leicht undicht ist, der volle Förder druck, z. B. aus einem Reaktor, auf die Membran wirken. Hierdurch legt sich die Membran ebenfalls während des Stillstands der Pumpe der Abstützfläche an.
Insgesamt werden somit durch die Erfindung bedeutsame Vor
teile u. a. dahingehend erzielt, daß die Inbetriebnahme der
Pumpe ohne manuelle Vorarbeiten durchgeführt werden kann
und daß die Membranauslenkung sowohl im Druckhub als auch
im Saughub mit einfachen Mitteln automatisch begrenzt wird.
Dadurch wird eine Überdehnung oder gar ein Bersten der Mem
bran mit Sicherheit verhindert. Aus diesem Grund ist die
Membranpumpe auch sehr viel einfacher in automatisierte
Prozeßabläufe integrierbar, was u. a. darauf beruht, daß
aufwendige, den Prozeßablauf störende manuelle Vorarbeiten
zur Beeinflussung der Membranlage entfallen. Weiterhin ist
die Gefahr von Membranschäden infolge von Fehlbedienung
eliminiert. Kostenträchtige Betriebsausfälle können vermie
den werden.
Die Erfindung wird im folgenden in Form mehrerer Ausfüh
rungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese
zeigt in:
Fig. 1 schematisch im Querschnitt eine Membranpumpe gemäß
der Erfindung;
Fig. 2 vergrößert im Detail die membranlagengesteuerte
Leckergänzungseinrichtung mit den beiden Einrich
tungen zur Membranhubwegbegrenzung;
Fig. 3 schematisch im Querschnitt die Membranpumpe mit
einer Membran, die sich in der einer Normalposition
entsprechenden Druckhubendstellung befindet;
Fig. 4 mit einer Membran, die sich in der einer Grenzposi
tion entsprechenden Druckhubendstellung befindet,
und
Fig. 5 mit einer Membran, die sich in der Saughubendstel
lung befindet und hierbei ihre Anlageposition an
der Abstützfläche einnimmt;
Fig. 6 die Membranpumpe in einem Störungszustand, bei dem
der Steuerschieber festsitzt und die Leckergän
zungsverbindung zwischen Schnüffelventil und
Hydraulikraum dauernd geöffnet ist;
Fig. 7 eine abgewandelte Ausführungsform der Membranpumpe
mit einer mit dem Membranarbeitsraum in Verbindung
stehenden Entlüftungsbohrung und
Fig. 8 vergrößert im Detail eine weiterhin abgewandelte -
vereinfachte - Ausführungsform der Membranpumpe,
bei der erstes und zweites Steuerventil einstückig
bzw. fest miteinander verbunden sind.
Wie aus der in der Zeichnung dargestellten ersten Ausfüh
rungsform gemäß Fig. 1-6 ersichtlich, weist die Membran
pumpe eine übliche Membran 1, insbesondere aus Kunststoff,
auf. Diese ist an ihrem Rand zwischen einem Pumpenkörper 2
sowie einem hieran stirnseitig lösbar festgelegten Pumpen
deckel 3 eingespannt und trennt einen Förderraum 4 von
einem mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten Druckraum 5, der
den Kolbenarbeitsraum darstellt.
Die Membranpumpe weist einen hydraulischen Membranantrieb
in Form eines oszillierenden Verdrängerkolbens 6 auf, der
im Pumpenkörper 2 abgedichtet zwischen dem Kolbenarbeits
raum 5 und einem Vorratsraum 7 für die Hydraulikflüssigkeit
verschiebbar ist. Der Kolbenarbeitsraum 5 steht über wenig
stens eine im Pumpenkörper 2 angeordnete axiale Bohrung 8
mit einem membranseitigen Druckraum 9 in Verbindung, der
den Membranarbeitsraum darstellt und zusammen mit dem Kol
benarbeitsraum 5 insgesamt den Hydraulikraum bildet. Wie
ersichtlich, ist der Membranarbeitsraum 9 einerseits durch
die Membran 1 sowie andererseits durch eine hintere (kol
benseitige) Kalotte 10 begrenzt. Diese hintere Begrenzungs
kalotte 10 wird durch die entsprechend ausgebildete Stirn
fläche des Pumpenkörpers 2 gebildet und stellt einen Teil
derjenigen - noch zu beschreibenden - mechanischen Abstütz
fläche dar, an der sich die Membran 1 am Ende des Saughubes
anlegt (s. Fig. 5).
Spiegelbildlich zur kolbenseitigen Begrenzungskalotte 10
ist im Förderraum 4 eine durch die Stirnfläche des Pumpen
deckels 3 gebildete vordere Begrenzungskalotte 11 gebildet.
Der Pumpendeckel 3 ist in der üblichen Weise mit einem fe
derbelasteten Einlaßventil 12 (Saugventil) sowie einem fe
derbelasteten Auslaßventil 13 (Druckventil) versehen. Diese
beiden Ventile 12, 13 stehen über einen Einlaßkanal 14 so
wie einen Auslaßkanal 15 derart mit dem Förderraum 4 in
Verbindung, daß das Fördermedium bei dem nach rechts gemäß
Fig. 1 erfolgenden Saughub des Verdrängerkolbens 6 und da
mit der Membran 1 in Pfeilrichtung über das Saugventil 12
und den Einlaßkanal 14 in den Förderraum 4 angesaugt wird.
Demgegenüber wird bei dem nach links gemäß Fig. 1 erfolgen
den Druckhub der Membran 1 dann das Fördermedium über den
Auslaßkanal 15 und das Druckventil 13 in Pfeilrichtung do
siert aus dem Förderraum 4 ausgetragen.
Um am Ende des Membransaughubes das Auftreten von Kavita
tion zu verhindern und für die aufgrund der Leckageverluste
erforderliche Leckergänzung zu sorgen, ist eine Leckergän
zungseinrichtung vorgesehen. Diese weist ein übliches fe
derbelastetes Schnüffelventil 16 auf, das über einen Kanal
17 mit dem Vorratsraum 7 sowie über einen Kanal 18 und den
Verbindungskanal 8 einerseits mit dem Kolbenarbeitsraum 5
und andererseits mit dem Membranarbeitsraum 9 in Verbindung
steht.
Die Leckergänzung wird durch ein erstes Steuerventil ge
steuert, das einen Steuerschieber 19 aufweist. Dieser ist
achsgleich mit dem Verdrängerkolben 6 im Bereich des Ver
bindungskanals 8 zwischen Membranarbeitsraum 9 und Kolben
arbeitsraum 5 verschiebbar in einer entsprechenden Bohrung
des Pumpenkörpers 2 geführt und steht unter der Wirkung
einer Druckfeder 23 (s. Fig. 2). Die Druckfeder 23 stützt
sich einerseits im Pumpenkörper 2 sowie andererseits am
membranseitigen Ende des Steuerschiebers 19 ab, so daß der
Steuerschieber 19 in Richtung der Membran 1 vorgespannt ist
und der Bewegung der Membran 1 von der Saughubendstellung
in Druckhubrichtung folgt. Diese Folgebewegung findet je
doch lediglich über einen solchen Bereich statt, der bei
spielsweise 30-40% des anfänglichen Membrandruckhubes
beträgt, da der Steuerschieber 19 an seinem kolbenseitigen
Ende einen Anschlag 28 - beispielsweise in Form eines See
gerringes - aufweist, der mit einem entsprechenden, im Kol
benarbeitsraum 5 vorgesehenen Bund 29 zusammenwirkt und den
Verschiebeweg des Steuerschiebers 19 in Richtung des Mem
brandruckhubes begrenzt.
An einer bestimmten Stelle des Umfangs des Steuerschiebers
19 ist eine umlaufende Nut 30 vorgesehen, die in der Saug
hubendstellung der Membran 1 (Fig. 5) die Verbindung zwi
schen dem Schnüffelventil 16 der Leckergänzungseinrichtung
und dem Hydraulikraum 5, 9 - über die Kanäle 18, 8 - her
stellt.
Am kolbenseitigen Ende des Steuerschiebers 19 ist ein zwei
tes Steuerventil 20 vorgesehen. Dieses ist, wie im einzel
nen deutlich aus Fig. 2 ersichtlich, als Tellerventil aus
gebildet und weist einen schalenartigen Ventilteller 21,
einen hiermit verbundenen Ventilstößel 22 sowie eine Druck
feder 24 auf, die sich in der dargestellten Weise am Steu
erschieber 19 abstützt und das zweite Steuerventil 20 in
Richtung zur Membran 1 vorspannt. Der Ventilstößel 22 ist
verschiebbar im Steuerschieber 19, koaxial zu diesem, ge
führt und liegt mit seinem membranseitigen Ende aufgrund
der Wirkung seiner Druckfeder 24 stets der Membran 1 an, so
daß er die Membran 1 auf dem gesamten Membranhub abtastet.
Der Ventilteller 21 ist derart ausgebildet, daß er in der
Grenzposition der Membrandruckhubendstellung den bzw. die
Verbindungskanäle 8 verschließt (s. Fig. 4).
Das membranseitige Ende des Steuerschiebers 19 ist als
Stützteller 31 ausgebildet. Dieser ist so geformt, daß
seine Stirnfläche 10′ zusammen mit der zugeordneten Stirn
fläche 10 des Pumpenkörpers 2 und der Stirnfläche 10′′ des
membranseitigen Endes des Ventilstößels 22 eine nahezu
spaltfreie mechanische Abstützfläche für die Membran 1 in
deren Saughubendstellung bildet. Diese Abstützfläche 10,
10′, 10′′ ist der natürlichen Membrangeometrie angepaßt,
wobei von besonderer Bedeutung ist, daß sie völlig boh
rungsfrei ausgebildet ist.
In der zusammengedrückten Stellung des Steuerschiebers 19
ist der Stützteller 31 in einer entsprechenden Bohrung 32
des Pumpengehäuses 2 aufgenommen, wobei es jedoch nicht er
forderlich ist, daß der Stützteller 31 dem durch die Boh
rung 32 gebildeten Sitz dicht anliegt. Es muß lediglich ge
währleistet sein, daß durch sämtliche der erwähnten Stirn
flächen 10, 10′, 10′′ die beschriebene mechanische Abstütz
fläche für die Membran 1 in deren Saughubendstellung gebil
det ist.
Hinsichtlich der beiden Druckfedern 23, 24, die den Steuer
schieber 19 bzw. den Ventilstößel 22 in Richtung zur Mem
bran 1 vorspannen, ist noch auszuführen, daß die den Ven
tilstößel 22 am Steuerschieber 19 abstützende Druckfeder 24
schwächer ist als die den Steuerschieber 19 am Pumpenge
häuse 2 abstützende Druckfeder 23.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist im Pumpenkörper 2
schließlich noch ein Druckbegrenzungsventil 27 vorgesehen,
das einerseits über einen Kanal 33 mit dem Kolbenarbeits
raum 5 und andererseits über einen Kanal 34 mit dem Hydrau
likvorratsraum 7 in Verbindung steht. Dadurch kann dann,
wenn der Ventilteller 21 im Fall der in der Druckhubgrenz
stellung befindlichen Membran 1 die Verbindungskanäle 8
zwischen dem Kolbenarbeitsraum 5 und dem Membranarbeitsraum
9 verschlossen hat, überschüssige Hydraulikflüssigkeit aus
dem Kolbenarbeitsraum 5 über das Druckbegrenzungsventil 27
in den Vorratsraum 7 zurückgeschoben werden.
Wenn die beschriebene Membranpumpe aus einem Ruhezustand,
beispielsweise nach einer Betriebspause, in Betrieb genom
men wird und hierbei mit ihren einschlägigen Konstruktions
teilen die Stellung gemäß Fig. 1 oder 2 aufweist, wird der
Verdrängerkolben 6 nach rechts bewegt, um den Saughub
durchzuführen. Hierbei legt sich die Membran 1 in der Saug
hubendstellung, wie aus Fig. 5 ersichtlich, der mechani
schen Abstützfläche 10, 10′, 10′′ an, die durch die Stirn
flächen des Pumpenkörpers 2, des Stütztellers 31 und des
membranseitigen Endes des Ventilstößels 22 gebildet ist. In
dieser Saughubendstellung der Membran 1 befinden sich der
Steuerschieber 19 mit seinem membranseitigen Stützteller 31
sowie der Ventilstößel 22 in der zusammengedrückten Posi
tion, in der die vorerwähnten Stirnflächen 10, 10′, 10′′
die beschriebene, der Membranform angepaßte Abstützfläche
bilden. Die Membran 1 wird somit in ihrer Saughubendstel
lung vollständig mechanisch abgestützt und kann mit dem
vollen Förderdruck angedrückt werden, ohne Schaden zu er
leiden.
In dieser Stellung bzw. in der darüber hinausgehenden
Grenzstellung stellt auch die Umfangsnut 30 des Steu
erschiebers 19 die der Leckergänzung dienende Verbindung
zwischen dem Hydraulikvorratsraum 7 und dem Hydraulikraum
5, 9 her, und zwar über den Kanal 17, das Schnüffelventil
16, den Kanal 18 und den bzw. die Verbindungskanäle 8.
Wenn dann der Verdrängerkolben 6 zur Durchführung des
Druckhubes nach links gemäß Fig. 5 bewegt wird, führt auch
die Membran 1 aufgrund des sie im Hydraulikraum 5, 9 beauf
schlagenden Hydraulikmediums den Druckhub durch, und zwar
bis in die der Normalposition entsprechende Druckhubend
stellung gemäß Fig. 3. Hierbei folgt der unter der Wirkung
der Druckfeder 23 stehende Steuerschieber 19 der Membran 1
lediglich über eine Wegstrecke, die etwa 30-40% des ge
samten Membrandruckhubes entspricht, da dann der Anschlag
28 des Steuerschiebers 19 am gehäuseseitigen Bund 29 an
schlägt und somit den Verschiebeweg des Steuerschiebers 19
begrenzt.
Demgegenüber tastet der Ventilstößel 22, der unter der Vor
spannung der Druckfeder 24 steht, die Membran 1 auf deren
gesamten Druckhub ab. Hierbei läuft der Ventilstößel 22
gleichsam leer mit, solange die Membran 1 in ihrem vorgege
benen Hubbereich arbeitet. Dies bedeutet, daß in der norma
len Druckhubendstellung der Membran 1 der Ventilstößel 22
eine solche Stellung aufweist, daß der Ventilteller 21 die
Verbindungskanäle 8 zwischen dem Kolbenarbeitsraum 5 und
dem Membranarbeitsraum 9 nicht verschließt.
Wenn demgegenüber jedoch die Membran 1 den vorgesehenen Ar
beitsbereich um einen bestimmten Betrag, beispielsweise um 20%
des normalen Membranhubes, in Richtung Förderraum 4
verläßt und somit in ihrer Druckhubendstellung eine die
Normalposition überschreitende Grenzposition einnimmt, er
gibt sich eine Stellung gemäß Fig. 4, in welcher der Ven
tilteller 21 den bzw. die Verbindungskanäle 8 zwischen Kol
benarbeitsraum 5 und Membranarbeitsraum 9 verschlossen hat.
Hierdurch ergibt sich eine rein hydraulische Membranwegbe
grenzung in der Druckhubgrenzstellung, so daß die Membran 1
nicht weiter in Richtung des Förderraums 4 verformt werden
kann und zuverlässig vor Überdehnungen gesichert ist. Die
im Kolbenarbeitsraum 5 vorhandene überschüssige Hydraulik
flüssigkeit wird über das Druckbegrenzungsventil 27 sowie
die Kanäle 33, 34 in den Vorratsraum 7 zurückgeschoben.
Zur Durchführung des Saughubes wiederholt sich dann der
einleitend beschriebene Vorgang mittels der nach rechts er
folgenden Verschiebebewegung des Verdrängerkolbens 6, und
zwar solange, bis die Membran 1 in der Saughubendstellung
der Abstützfläche 10, 10′, 10′′ anliegt und sich dort voll
kommen mechanisch abstützt.
Bei dem in Fig. 6 lediglich des Beispiels halber darge
stellten Störungsfall hat sich der Steuerschieber 19 in
seiner Führungsbohrung, beispielsweise aufgrund von
Schmutzeinwirkung, festgesetzt, und zwar derart, daß er
dauernd in einer geöffneten Position bleibt. Dies bedeutet,
daß seine Umfangsnut 30 ständig in Verbindung mit dem Kanal
18 steht, so daß die Leckergänzungsverbindung zwischen Vor
ratsraum 7 und Hydraulikraum 5, 9 - über die Kanäle 17, 18,
8 und das Schnüffelventil 16 - fortlaufend offen ist. Ob
schon hierbei ein unkontrolliertes Anschnüffeln von Hydrau
likflüssigkeit in den Hydraulikraum 5, 9 möglich ist, wird
jedoch aufgrund der beschriebenen Ausgestaltung zuverlässig
ein Membranschaden verhindert. Dies wird durch das zweite
Steuerventil 20 bewirkt, dessen Ventilteller 21 beim näch
sten Druckhub der Membran 1 in deren Druckhubgrenzstellung
die Verbindungskanäle 8 verschließt, so daß sich dadurch
die hydraulische Membranwegbegrenzung in der Druckhubgrenz
stellung ergibt. Auch hierbei wird dann die überschüssige
Hydraulikflüssigkeit aus dem Kolbenarbeitsraum 5 über das
Druckbegrenzungsventil 27 in den Vorratsraum 7 abgeführt.
Die geschilderte Störung läßt sich aufgrund des verstärkten
Ansprechens des Druckbegrenzungsventils 27 sowie aufgrund
der verminderten Pumpenleistung leicht und rechtzeitig er
kennen, so daß die Störung sofort behoben werden kann.
Bei der abgewandelten Ausführungsform der Membranpumpe ge
mäß Fig. 7 ist im Pumpengehäuse 2 eine Entlüftungsbohrung
25 vorgesehen, die vom geodätisch höchsten Punkt des Mem
branarbeitsraumes 9 bis zum kombinierten
Druckbegrenzungs- und Gasaustragventil 27 verläuft. Am ventilseitigen Ende
weist die Entlüftungsbohrung 25 ein Rückschlagventil 26
auf. Dieses ist derart vorgespannt bzw. angeordnet, daß es
die gewünschte Entlüftung des Membranarbeitsraums 9 ermög
licht, d. h. eine Steuerung vom Membranarbeitsraum 9 zum
Gasaustragsventil 27 zuläßt. Demgegenüber verhindert das
Rückschlagventil 26 bei geschlossenem zweitem Steuerventil
20 eine Bypass-strömung vom Kolbenarbeitsraum 5 zum Membran
arbeitsraum 9.
Die weiterhin abgewandelte Ausführungsform gemäß Fig. 8
stellt eine gegenüber der zuvor beschriebenen Konstruktion
vereinfachte Ausführung dar, und zwar insofern, als das
zweite Steuerventil 20 lediglich aus dem scheibenartig aus
gebildeten Ventilteller 21 besteht, d. h. also keinen geson
dert im Steuerschieber 19 geführten, unter Wirkung einer
Druckfeder stehenden Ventilstößel aufweist. Der Ventiltel
ler 21 ist fest mit dem kolbenseitigen Ende des Steuer
schiebers 19 verbunden und derart angeordnet bzw. dimensio
niert, daß er gleichfalls in der einer Grenzposition ent
sprechenden Druckhubendstellung der Membran 1 die Verbin
dungskanäle 8 zwischen Kolbenarbeitsraum 5 und Membranar
beitsraum 9 verschließt. Die jeweilige Membranlage wird le
diglich durch den unter der Wirkung der Druckfeder 23 ste
henden Steuerschieber 19 bzw. durch dessen Stützteller 31
abgetastet, wobei sich ansonsten dieselben vorteilhaften
Effekte wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen
ergeben.
In der Saughubendstellung der Membran 1 wird die Leckergän
zung des Hydraulikraums 5, 9 über eine im Steuerschieber 19
vorgesehene Axialbohrung 35 bewirkt, die einerseits durch
den Ventilteller 21 hindurch in den Kolbenarbeitsraum 5
ausmündet und andererseits über einen radial verlaufenden
Bohrungsabschnitt 36 mit dem Kanal 18 bzw. dem
Schnüffelventil 16 in Verbindung steht.
Hinsichtlich vorstehend nicht im einzelnen näher erläuter
ter Merkmale der Erfindung wird im übrigen ausdrücklich auf
die Zeichnung sowie auf die Ansprüche verwiesen.
Claims (7)
1. Hydraulisch angetriebene Membranpumpe mit einer
randseitig zwischen einem Pumpenkörper und einem Pumpendec
kel eingespannten Membran, die einen Förderraum von einem
Hydraulikraum trennt, wobei der Hydraulikraum in einen Mem
branarbeitsraum und einen hiermit über wenigstens einen
Verbindungskanal verbundenen Kolbenarbeitsraum unterteilt
ist,
einem hydraulischen Membranantrieb in Form eines oszillie renden Verdrängerkolbens, der im Pumpenkörper zwischen ei nem Vorratsraum für die Hydraulikflüssigkeit und dem Kol benarbeitsraum verschiebbar ist,
und mit einer membranlagengesteuerten Leckergänzungsein richtung, die ein Steuerventil mit einem im Bereich des Verbindungskanals zwischen Membranarbeitsraum und Kolbenar beitsraum verschiebbar geführten Steuerschieber aufweist, der in bzw. jenseits der Saughubendstellung der Membran eine Verbindung vom Vorratsraum zum Kolbenarbeitsraum öffnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Steuerschieber (19) der Leckergänzungseinrichtung an seinen beiden Enden mit Einrichtungen (31; 20) zur Hub wegbegrenzung der freischwingend eingespannten Membran (1) versehen ist derart,
daß der Steuerschieber (19) an seinem membranseitigen Ende einen Stützteller (31) aufweist, der so ausgebildet ist, daß er zusammen mit der zugeordneten Pumpenkörperfläche (10) des Membranarbeitsraumes (9) eine der natürlichen Mem brangeometrie angepaßte, nahezu spaltfreie mechanische Ab stützfläche (10, 10′, 10′′) für die Membran (1) in deren Saughubendstellung bildet,
und daß der Steuerschieber (19) an seinem kolbenseitigen Ende ein zweites Steuerventil (20) mit einem Ventilglied (21) aufweist, das in bzw. jenseits der Druckhubendstellung der Membran (1) die hydraulische Verbindung vom Kolbenarbeitsraum (5) zum Membranarbeitsraum (9) un terbricht.
einem hydraulischen Membranantrieb in Form eines oszillie renden Verdrängerkolbens, der im Pumpenkörper zwischen ei nem Vorratsraum für die Hydraulikflüssigkeit und dem Kol benarbeitsraum verschiebbar ist,
und mit einer membranlagengesteuerten Leckergänzungsein richtung, die ein Steuerventil mit einem im Bereich des Verbindungskanals zwischen Membranarbeitsraum und Kolbenar beitsraum verschiebbar geführten Steuerschieber aufweist, der in bzw. jenseits der Saughubendstellung der Membran eine Verbindung vom Vorratsraum zum Kolbenarbeitsraum öffnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Steuerschieber (19) der Leckergänzungseinrichtung an seinen beiden Enden mit Einrichtungen (31; 20) zur Hub wegbegrenzung der freischwingend eingespannten Membran (1) versehen ist derart,
daß der Steuerschieber (19) an seinem membranseitigen Ende einen Stützteller (31) aufweist, der so ausgebildet ist, daß er zusammen mit der zugeordneten Pumpenkörperfläche (10) des Membranarbeitsraumes (9) eine der natürlichen Mem brangeometrie angepaßte, nahezu spaltfreie mechanische Ab stützfläche (10, 10′, 10′′) für die Membran (1) in deren Saughubendstellung bildet,
und daß der Steuerschieber (19) an seinem kolbenseitigen Ende ein zweites Steuerventil (20) mit einem Ventilglied (21) aufweist, das in bzw. jenseits der Druckhubendstellung der Membran (1) die hydraulische Verbindung vom Kolbenarbeitsraum (5) zum Membranarbeitsraum (9) un terbricht.
2. Membranpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die mechanische Abstützfläche (10, 10′, 10′′) für
die Membran (1) in deren Saughubendstellung bohrungsfrei
ausgebildet ist.
3. Membranpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß das zweite Steuerventil (20) ein Tellerventil ist,
dessen als Ventilteller (21) ausgebildetes Ventilglied in
der Druckhubgrenzstellung der Membran (1) den bzw. die
Verbindungskanäle (8) verschließt.
4. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (21) des zweiten
Steuerventils (20) am einen Ende eines Ventilstößels (22)
befestigt ist, der verschiebbar im Steuerschieber (19) des
ersten Steuerventils, koaxial zu diesem, geführt ist und
mit seinem anderen Ende unter Federkraft der Membran (1)
anliegt, so daß er die Membran (1) auf dem gesamten Mem
branhub abtastet.
5. Membranpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich
net, daß der Steuerschieber (19) des ersten Steuerventils
in Richtung der Membran (1) durch eine Feder (23) vorge
spannt ist, die stärker ist als die den Ventilstößel (22)
des zweiten Steuerventils (20) vorspannende Feder (24).
6. Membranpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich
net, daß die den Ventilstößel (22) des zweiten Steuerven
tils (20) vorspannende Feder (24) am Steuerschieber (19)
abgestützt ist.
7. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß der Steuerschieber (19) an seinem
kolbenseitigen Ende einen Anschlag (29) aufweist, der den
Verschiebeweg des Steuerschiebers (19) in Richtung des Mem
brandruckhubes begrenzt.
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