EP1175563A1 - Membranpumpe mit einer durch die membrane gesteuerten einlassöffnung - Google Patents

Membranpumpe mit einer durch die membrane gesteuerten einlassöffnung

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EP1175563A1
EP1175563A1 EP00931084A EP00931084A EP1175563A1 EP 1175563 A1 EP1175563 A1 EP 1175563A1 EP 00931084 A EP00931084 A EP 00931084A EP 00931084 A EP00931084 A EP 00931084A EP 1175563 A1 EP1175563 A1 EP 1175563A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
membrane
pump
inlet opening
inlet
diaphragm
Prior art date
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Application number
EP00931084A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1175563B1 (de
Inventor
Gerhard Rinninger
Oswald Seibold
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ASF Thomas Industries GmbH
Original Assignee
ASF Thomas Industries GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by ASF Thomas Industries GmbH filed Critical ASF Thomas Industries GmbH
Publication of EP1175563A1 publication Critical patent/EP1175563A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1175563B1 publication Critical patent/EP1175563B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/028—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms with in- or outlet valve arranged in the plate-like flexible member

Definitions

  • the invention relates to a diaphragm pump according to the type of the main claim.
  • a diaphragm pump according to the preamble of claim 1 is known from utility model G 9406216.
  • the diaphragm pump resulting from this utility model has a diaphragm which can be actuated by a crank drive and which is fastened to an outer diaphragm ring on a pump body of a pump housing.
  • the membrane In addition to the outer membrane circular ring, the membrane has a membrane core which is connected to the outer membrane circular ring via an elastically deformable membrane ring.
  • the membrane With a pump body surface formed on the pump body, the membrane encloses a pump chamber (scoop chamber).
  • An inlet channel and an outlet channel are formed in the pump body and open into the pump body surface at an inlet opening and an outlet opening.
  • the inlet channel and the outlet channel are preferably connected to flow direction valves outside of the pump body, as a result of which a direction of flow through the inlet channel and the outlet channel is predetermined.
  • a disadvantage of the diaphragm pump known from utility model G 9406216 is that part of what is in the pump chamber during the ejection stroke
  • Exhaust opening is throttled depending on the stroke position of the crank drive, the throttling increasing before reaching the top dead center position of the crank drive s, so that at the end of the exhaust stroke the highly compressed pump medium can escape increasingly poorly.
  • the known diaphragm pump in the known diaphragm pump, a quantity of pump medium corresponding to the compression ratio of the diaphragm pump cannot be completely ejected from the pump chamber via the outlet opening.
  • the known diaphragm pump is only suitable to a limited extent for compressible pumping medium such as gases.
  • the present invention is based on the object of proposing a diaphragm pump which avoids the disadvantages in the prior art and permits the highest possible compression ratio of the pump medium located in the pump chamber.
  • the membrane pump according to the invention has the advantage that the inlet opening of the inlet channel is already closed during the exhaust stroke of the crank drive, so that a further compression of a pump medium takes place only in the pump chamber and the pump medium can be completely ejected via the outlet channel.
  • the center of the inlet opening lies at least approximately in the plane of rotation of the crank of the crank drive.
  • the inlet opening of the inlet channel is closed particularly early.
  • the elastically deformable membrane ring closes the inlet opening when the crank drive is in the crank rotational position, which is up to 90 ° before the top dead center position.
  • a seal is achieved from a maximum deflection of the diaphragm of the diaphragm pump.
  • the elastically deformable membrane ring closes the inlet opening at a crank rotational position of the crank mechanism, which is 20 ° to 90 ° before the top dead center position.
  • a crank rotational position of the crank mechanism which is 20 ° to 90 ° before the top dead center position.
  • a valve plate is arranged in a region of the inlet opening of the inlet channel to form a directional valve.
  • the valve plate By arranging the valve plate directly at the inlet opening of the inlet channel, the dead volume of the inlet channel can be further reduced. It is particularly advantageous that the Center axis of the inlet channel is oriented perpendicular to the pump body surface. This simplifies the structural design of the directional valve and the introduction of the valve plate into the inlet channel.
  • the outlet opening of the outlet channel is arranged in a region of the pump body surface which the membrane approaches last and which is reached by the membrane at the earliest at the top dead center position of the crank drive. It is thereby achieved that the pump medium can be pumped out of the pump chamber into the outlet channel as freely as possible. In addition, it is achieved that the outlet opening of the outlet channel is not closed before reaching the top dead center position of the crank drive.
  • the center of the outlet opening of the outlet channel is arranged in an inner region of the pump body surface, which lies opposite the membrane core of the membrane. Since, during the crank movement of the crank drive, the pump medium is finally pumped out from an area of the pump chamber arranged above the membrane core of the membrane due to the movement of the membrane core, the outlet opening of the outlet channel is thereby arranged particularly favorably.
  • FIG. 1 shows an axial section through an exemplary embodiment of a diaphragm pump according to the invention in the top dead center position of the crank drive;
  • Figure 2 shows the embodiment in a crank rotational position, which is 50 ° after the top dead center position;
  • FIG. 3 shows the embodiment in the bottom dead center position; and FIG. 4 shows the exemplary embodiment with a crank position of the crank drive which is 50 ° before the top dead center position.
  • FIG. 1 shows an excerpted sectional view of a diaphragm pump 1 according to the invention.
  • the diaphragm pump 1 can be used in particular as a vacuum pump or as a pressure pump for conveying pump media, e.g. Liquids and gases.
  • pump media e.g. Liquids and gases.
  • the diaphragm pump 1 according to the invention is also suitable for other applications.
  • the diaphragm pump 1 has a pump body 2 which is connected to a housing element 3.
  • the pump body 2 has an inlet channel 4, which in this Embodiment is formed by stepped bores 5a, 5b, 5c and an oblique bore 6.
  • a central axis 7 of the oblique bore 6 of the inlet channel 4 is oriented perpendicular to a pump body surface 8 formed on the pump body 2.
  • the inlet channel 4 opens into the pump body surface 8 at an inlet opening 9.
  • the inlet opening 9 is arranged in an outer region of the pump chamber, ie in the vicinity of the clamping of the membrane in the pump body 2. Furthermore, the center of the inlet opening 9 advantageously lies in the rotation or swivel plane of the crank 31 of the crank drive 32.
  • the swivel plane of the crank 31 corresponds to the sectional plane of FIG.
  • the arrangement of the inlet opening in an outer region of the pump chamber and in the pivoting plane of the crank 31 results in an early closing of the inlet opening 9 when the pump medium is expelled from the pump chamber through the membrane.
  • the pump medium is no longer conveyed via the inlet channel 4 into the pump chamber from the early closing of the inlet opening 9. From this point on, the inlet channel is no longer effective as a harmful area. This therefore improves and optimizes the pumping process.
  • the inlet valve In the area of the inlet opening 9, ie directed towards the pump chamber, a direction or Inlet valve arranged.
  • the inlet valve consists of a valve plate 10 which is arranged in the region of the inlet opening 9 of the inlet channel 4 to form the directional valve or inlet valve.
  • the oblique bore 6 of the pump body 2 In the area of the inlet opening 9, the oblique bore 6 of the pump body 2 has a circumferential pocket directed towards the pump chamber, which pocket has a larger diameter than the oblique bore 6.
  • the valve plate 10 is supported on a peripheral edge 11 formed between the oblique bore 6 and the pocket.
  • the valve plate 10 is essentially aligned with the pump body surface 8, at least while it is being closed by the membrane, a control edge 35 being produced between the circumferential groove in the oblique bore 6 and the pump body surface 8.
  • a peripheral control edge 35 is formed in the edge region of the inlet opening 9 and extends slightly beyond the valve plate, on which the membrane closes the inlet opening 9.
  • the circumferential control edge 35 advantageously ensures that the inlet valve with the valve plate 10 is securely and reliably closed on all sides during the outlet stroke.
  • an outlet element 16 is screwed onto a thread 15, which has stepped bores 18a to 18d which, together with an outlet recess 19, form an outlet channel 17.
  • the outlet element 16 can also be inserted and fastened by screws.
  • the outlet channel 17 opens into an outlet opening 20 in the pump body surface 8.
  • a directional valve is formed by means of a valve plate 21.
  • the outlet valve with the valve plate 21 is arranged in the region of the outlet recess 19 towards the pump chamber, whereby a further improvement in the pumping effect is achieved.
  • the outlet opening 20 is arranged offset from the edge of the pump chamber towards the center in such a way that the outlet opening 20 is closed as late as possible during the outlet stroke. In other words, the outlet opening 20 is arranged in a region which is covered by the membrane at the end of the outlet stroke last.
  • Both the inlet valve with the valve plate 10 and the outlet valve with the valve plate 21 are advantageously designed as freely movable valves which switch at the smallest possible pressure differences in order not to cause any compression losses and thus an indirect increase in the displacement.
  • the valves are not preloaded in any direction by clamping or connection, which would require additional forces to switch the valves, but are designed to be freely movable.
  • a correspondingly designed valve holding device is provided so that the valves are returned to their respective seat as stress-free as possible after lifting off their valve seat, ie after opening, when the flow process ends.
  • the clamping of the valve plates 10 and 21 are free of tension, ie in the vicinity of the closed valve position the valve is as free of tension as possible, so that small pressure differences are sufficient for closing or opening.
  • tensions develop in the valve, which preload it in the direction of the closed position.
  • two bolts with a thin retaining collar are provided on both sides of the inlet opening 9 for the inlet valve.
  • the inlet valve has elongated or oval mounting holes through which the bolts protrude. When the valve is opened, the valve plate is thus movable along the bores and allows it to be bent out into the pump chamber.
  • the bore 18d is a preferably circumferential groove, which is formed in the outlet element 16 towards the seat of the valve plate 21 and enables the valve plate 21 to move freely from the pump chamber.
  • the diaphragm has a diaphragm core 25, an elastically deformable diaphragm ring 26 and an outer diaphragm circular ring 27, the diaphragm 24 being fastened to the outer diaphragm circular ring 27 between the pump body 2 and the housing element 3.
  • the membrane is essentially flat in the non-clamped state and is clamped between the pump body 2 and the housing element 3 in such a way that the membrane is prestressed in the direction of the pump body surface 8.
  • the membrane is clamped tangentially-globular, as can be seen in FIGS. 1 to 4.
  • the concave pump body surface 8 is also continued in the area of the clamping of the diaphragm ring 27, so that the diaphragm rests at least in the outer area, ie in the area of the diaphragm ring 27, at the edge areas of the concave pump body surface 8. This also ensures a reliable closing of the inlet valve by the membrane.
  • the tangential-global clamping of the diaphragm avoids the flat annular damage space usually present in known pumps in the area of the diaphragm clamping, which results from insufficient flexibility of the diaphragm and the pressure build-up in the pump during the discharge process and consequently the bulging of the diaphragm away from the pump chamber.
  • the diaphragm pump according to the invention is designed so that the compression ratio, ie the ratio of maximum to minimum pump chamber volume, is optimized. Since the compression ratio depends in particular on the minimum achievable pump chamber volume and is therefore determined by how well the elastic membrane can close off the pump chamber, an optimization is achieved in this regard by the properties of the membrane pump according to the invention described above.
  • a molded core 28 is vulcanized into the membrane core 25 of the membrane 24 and has a plate-shaped section 29 and a cylindrical section 30.
  • the cylindrical section 30 of the mandrel 28 is connected to a crank 31 of a crank drive 32 via a connecting device 31.
  • a peripheral control edge 35 is formed in the edge region of the inlet opening 9, on which the elastically deformable membrane ring 26 closes the inlet opening 9.
  • FIGS. 2 to 4 show the exemplary embodiment of the diaphragm pump from FIG. 1 with different crank rotational positions of the crank drive.
  • the continuous examination of FIGS. 1 to 4 gives an impression of the sequence of movements of the diaphragm pump 1.
  • 1 is the Crank rotary position of the diaphragm pump at an upper dead center, in FIG. 2 50 ° after the upper dead center, in FIG. 3 at the lower dead center and in FIG. 5 50 ° before an upper dead center. Since the elements shown in FIGS. 2 to 4 correspond to the elements from FIG. 1, a repeated description is omitted.
  • FIG. 2 shows the crank rotational position of the crank drive 32 after the crank drive 32 has been rotated in a direction of rotation 36 by 50 °.
  • the axis 37 of the diaphragm core 25 is tilted relative to the axis 39 of the concave pump body surface 8.
  • the membrane core 25 initially lifts off from the pump body surface 8 on the side of the inlet opening 9, wherein it initially remains in contact with the pump body surface 8 in the region of the outlet opening 20.
  • the inlet opening 9 of the inlet channel 4 is closed by the elastically deformable membrane ring 26 of the membrane 24 in the crank rotational position shown in FIG.
  • the membrane ring 26 and / or the pump body surface 8 can also be designed such that the inlet opening 9 of the inlet channel 4 is already open when the crank drive 32 is in the crank position shown in FIG.
  • the inlet opening 9 of the inlet channel 4 is open when the crank drive 32 is in a cranked position, which is 90 ° after the top dead center position.
  • the diaphragm 24 lifts off from the pump body surface 8 due to the rotary crank movement of the crank drive 32, as a result of which a pump space 38 formed between the diaphragm 24 and the pump body surface 8 enlarges and, from the opening of the inlet opening 9 of the inlet duct 4, a pump medium from the inlet duct 4 through the Inlet opening 9 is sucked into the pump chamber 38.
  • the pump medium flows through the directional valve formed by the valve plate 10.
  • a directional valve is formed in the outlet channel 17 by the valve plate 21, so that a pump medium on the side of the sealing plate 21 facing away from the outlet opening 20 does not flow back into the pump chamber 38 during the suction stroke of the crank drive 32.
  • the diaphragm pump 1 is shown at a bottom dead center position of the crank drive 32.
  • the crank drive 32 of the diaphragm pump 1 has made a rotation in the direction of rotation 36 of 180 °. In this position there is an at least approximately maximum volume of the pump chamber 38.
  • the membrane 24 is therefore only in the area of the outer membrane ring 27, where it is connected to the pump body 2 and the housing element 3.
  • the inlet opening 9 of the inlet channel 4 and the outlet opening 20 of the outlet channel 17 are completely open.
  • An ejection stroke of the diaphragm 24 follows the crank rotational position of the diaphragm pump 1 shown in FIG.
  • FIG. 4 shows a crank position of the crank drive 32 which is 50 ° before the top dead center position of the crank drive 32 shown in FIG.
  • the axis 37 is tilted relative to the axis 39 of the pump body surface 8, the tilting taking place in the opposite direction to the tilting in FIG. 2.
  • the membrane 24 first approaches the inlet opening 9 of the inlet channel 4, the inlet opening 9 already being closed by the elastically deformable membrane ring 26 in the rotational angle position of the crank drive 32 shown.
  • the pump chamber 38 is widened from the inlet opening to the outlet opening 20 of the outlet channel 17, so that the pumping medium from the pump chamber 38 collects preferably in the region of the outlet opening 20 of the outlet channel 17 during the further rotary movement of the crank drive 32, thereby completely pumping out the Pump medium from the pump chamber 38 into the outlet channel 17.
  • the premature closing of the inlet opening 9 of the inlet channel 4 with the diaphragm ring 26 ensures that a dead volume adjoining the pump chamber 38 in the inlet channel 4 is closed, so that a pump medium present in the inlet channel 4 is no longer compressed by the further exhaust stroke of the crank drive and the exhaust stroke can be used completely to compress the pumping medium to be pumped out via the outlet channel 17. It is particularly advantageous if the valve plate 10 is positioned in the inlet channel 4 close to the inlet opening 9, since the dead volume is thereby reduced even before the inlet opening 9 is closed with the membrane ring 26.
  • the outlet opening 20 of the outlet channel 17 is arranged in an area of the pump body surface 8 which the membrane 24 approaches last and which is reached by the membrane 24 at the earliest at the top dead center position of the crank drive 32. It is thereby achieved that the outlet opening 20 can only be closed after the exhaust stroke of the crank drive 32 has taken place. So that the outlet opening 20 is not partially closed by the membrane ring 26 of the membrane 24 and thus a pumping medium flow of the pumping medium is not additionally throttled when pumping out into the outlet opening 17, it is particularly advantageous that the center of the outlet opening 20 of the outlet channel 17 in an inner Area of the pump body surface 8 is arranged, which is opposite the membrane core 25 of the membrane 24.
  • the invention is not limited to the exemplary embodiment described.

Landscapes

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Abstract

Eine Membranpumpe (1) mit einer von einem Kurbelantrieb (32) betätigbaren Membrane (24), die zusammen mit einer konkaven Pumpenkörperfläche (8) einen Pumpraum (38) einschließt, einem Einlaßkanal (4) und einem Auslaßkanal (17), die an einer Einlaßöffnung (9) und einer Auslaßöffnung (20) in die Pumpenkörperfläche (8) münden, wobei die Membrane (24) einen Membrankern (25) und einen elastisch verformbaren Membranring (26) aufweist, und der Membrankern (25) eine an die Pumpenkörperfläche (8) angepaßte, konvexe Oberfläche aufweist. Dabei ist die Einlaßöffnung (9) in einem Bereich der Pumpenkörperfläche (8) angeordnet, dem sich die Membrane (24) bei einem Ausstoßhub des Kurbelantriebs (32) zuerst nähert und der elastisch verformbare Membranring (26) verschließt die Einlaßöffnung (9) vor dem Erreichen der oberen Totpunktstellung des Kurbelantriebs (32).

Description

Membranpumpe mit einer durch die Membrane gesteuerten Einlaßöffnung
Die Erfindung geht aus von einer Membranpumpe nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Aus dem Gebrauchsmuster G 9406216 ist eine Membranpumpe nach der Gattung des Anspruchs 1 bekannt. Die aus diesem Gebrauchsmuster hervorgehende Membranpumpe weist eine von einem Kurbelantrieb betätigbare Membran auf, die an einem äußeren Membrankreisring an einem Pumpenkörper eines Pumpengehäuses befestigt ist. Neben dem äußeren Membrankreisring weist die Membran einen Membrankern auf, der über einen elastisch verformbaren Membranring mit dem äußeren Membrankreisring verbunden ist. Die Membrane schließt mit einer an dem Pumpenkörper ausgebildeten Pumpenkörperfläche einen Pumpraum (Schöpfraum) ein. In dem Pumpenkörper sind ein Einlaßkanal und ein Auslaßkanal ausgebildet, die an einer Einlaßöffnung und einer Auslaßöffnung in die Pumpenkörperfläche münden. Der Einlaßkanal und der Auslaßkanal sind außerhalb des Pumpenkörpers vorzugsweise mit Strömungsrichtungsventilen verbunden, wodurch eine Strömungsrichtung durch den Einlaßkanal und den Auslaßkanal vorgegeben ist. Bei einem Ansaughub des Kurbelantriebs wird ein Pumpmedium durch den Einlaßkanal in den Pumpraum befördert und bei einem sich anschließenden Ausstoßhub des Kurbelantrieb s wird das Pumpmedium über den Auslaßkanal aus dem Pumpraum verdrängt.
Nachteilig bei der aus dem Gebrauchsmuster G 9406216 bekannten Membranpumpe ist, daß während des Ausstoßhubes ein Teil des in dem Pumpraum befindlichen
Pumpmediums in den Einlaßkanal zurückgedrückt bzw. hineinkomprimiert wird.
Insbesondere bei einem kompressiblen Druckmittel verschlechtert sich daher der
Wirkungsgrad der Membranpumpe erheblich. Ein weiterer Nachteil ist, daß die
Auslaßöffnung in Abhängigkeit von der Hubstellung des Kurbelantriebs gedrosselt ist, wobei die Drosselung vor Erreichen der oberen Totpunktstellung des Kurbelantrieb s zunimmt, so daß am Ende des Ausstoßhubes das hochkomprimierte Pumpmedium zunehmend schlechter entweichen kann.
Zusammenfassend läßt sich bei der bekannten Membranpumpe eine dem Kompressionsverhältnis der Membranpumpe entsprechende Pumpmediummenge nicht vollständig über die Auslaßöffnung aus dem Pumpraum ausstoßen. Außerdem eignet sich die bekannte Membranpumpe nur eingeschränkt für komprimierbare Pumpmedium wie z.B. Gase. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Membranpumpe vorzuschlagen, die die Nachteile im Stand der Technik vermeidet und ein möglichst großes Verdichtungsverhältnis des im Pumpraum befindlichen Pumpmediums erlaubt.
Die Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Membranpumpe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße Membranpumpe hat den Vorteil, daß die Einlaßöffnung des Einlaßkanals bereits während des Ausstoßhubs des Kurbelantriebs verschlossen wird, so daß eine weitere Komprimierung eines Pumpmediums nur in dem Pumpraum erfolgt und das Pumpmedium vollständig über den Auslaßkanal ausgestoßen werden kann.
Vorteilhaft ist es, daß der Mittelpunkt der Einlaßöffnung zumindest annähernd in der Drehebene der Kurbel des Kurbelantriebs liegt. Dadurch wird die Einlaßöffnung des Einlaßkanals besonders frühzeitig geschlossen.
Vorteilhaft ist es, daß in dem Randbereich der Einlaßöffnung eine umlaufende Steuerkante ausgebildet ist, an der der elastisch verformbare Membranring die Einlaßöffnung verschließt. Dadurch wird die Einlaßöffnung zuverlässig und allseitig geschlossen.
In vorteilhafter Weise verschließt der elastisch verformbare Membranring die Einlaßöffnung bei einer Kurbeldrehstellung des Kurbelantriebs, die bis zu 90° vor der oberen Totpunktlage liegt. Dadurch wird ab einer maximalen Auslenkung der Membran der Membranpumpe eine Abdichtung erreicht.
In vorteilhafter Weise schließt der elastisch verformbare Membranring die Einlaßöffnung bei einer Kurbeldrehstellung des Kurbelan triebs, die 20° bis 90° vor der oberen Totpunktlage liegt. Dadurch wird die Abdichtung der Einlaßöffnung des Einlaßkanals ab einer maximalen Auslenkung der Membran der Membranpumpe erreicht, wobei bei einer verschlossenen Einlaßöffnung des Einlaßkanals ein Teil der Kurbeldrehung zur Verfügung steht, um eine stärkere Komprimierung des Pumpmediums zu erreichen.
Vorteilhaft ist es, daß eine Ventilplatte in einem Bereich der Einlaßöffnung des Einlaßkanals zur Bildung eines Richtungsventils angeordnet ist. Indem die Ventilplatte unmittelbar an der Einlaßöffnung des Einlaßkanals angeordnet ist kann das Totvolumen des Einlaßkanals weiter verringert werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß die Mittelachse des Einlaßkanals senkrecht zu der Pumpenkörperfläche orientiert ist. Dadurch wird die bauliche Ausgestaltung des Richtungsventils und das Einbringen der Ventilplatte in den Einlaßkanal vereinfacht.
In vorteilhafter Weise ist die Auslaßöffnung des Auslaßkanals in einem Bereich der Pumpenkörperfläche angeordnet, dem sich die Membrane zuletzt nähert und der von der Membrane frühestens bei der oberen Totpunktstellung des Kurbelantriebs erreicht ist. Dadurch wird erreicht, daß das Pumpmedium aus dem Pumpraum möglichst ungedrosselt in den Auslaßkanal gepumpt werden kann. Außerdem wird erreicht, daß die Auslaßöffnung des Auslaßkanals nicht bereits vor dem Erreichen der oberen Totpunktstellung des Kurbelantriebs verschlossen ist.
Vorteilhaft ist es, daß der Mittelpunkt der Auslaßöffnung des Auslaßkanals in einem inneren Bereich der Pumpenkörperfläche angeordnet ist, der dem Membrankern der Membrane gegenüberliegt. Da bei der Kurbelbewegung des Kurbelantriebs das Pumpmedium bedingt durch die Bewegung des Membrankerns zuletzt aus einem über dem Membrankern der Membran angeordneten Bereich des Pumpraums ausgepumpt wird, ist die Auslaßöffnung des Auslaßkanals dadurch besonders günstig angeordnet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen axialen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfϊndungsgemäßen Membranpumpe in der oberen Totpunktstellung des Kurbelantriebs; Figur 2 das Ausführungsbeispiel bei einer Kurbeldrehstellung, die 50° nach der oberen Totpunktlage liegt;
Figur 3 das Ausführungsbeispiel in der unteren Totpunktlage; und Figur 4 das Ausführungsbeispiel bei einer Drehkurbelstellung des Kurbelantriebs, der 50° vor der oberen Totpunktlage liegt.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Figur 1 zeigt in einer auszugsweisen Schnittdarstellung eine erfindungsgemäße Membranpumpe 1. Die Membranpumpe 1 kann insbesondere als Vakuumpumpe oder als Druckpumpe zum Fördern von Pumpmedien, z.B. Flüssigkeiten und Gasen, eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße Membranpumpe 1 eignet sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
Die Membranpumpe 1 weist einen Pumpenkörper 2 auf, der mit einem Gehäuseelement 3 verbunden ist. Der Pumpenkörper 2 weist einen Einlaßkanal 4 auf, der in diesem Ausführungsbeispiel durch gestufte Bohrungen 5a, 5b, 5c und eine Schrägbohrung 6 ausgebildet ist. Eine Mittelachse 7 der Schrägbohrung 6 des Einlaßkanals 4 ist dabei senkrecht zu einer an dem Pumpenkörper 2 ausgebildeten Pumpenkörperfläche 8 orientiert. Der Einlaßkanal 4 mündet an einer Einlaßöffnung 9 in die Pumpenkörperfläche 8. Die Einlaßöffnung 9 ist in einem äußeren Bereich des Pumpraums, d.h. in der Nähe der Einspannung der Membran im Pumpenkörper 2 angeordnet. Weiterhin liegt der Mittelpunkt der Einlaßöffnung 9 vorteilhafterweise in der Dreh- bzw. Schwenkebene der Kurbel 31 des Kurbelantriebs 32. Es ist anzumerken, daß die Schwenkebene der Kurbel 31 mit der Schnittebene der Figur 1 übereinstimmt. Durch die Anordnung der Einlaßöffnung in einem äußeren Bereich des Pumpraums und in der Schwenkebene der Kurbel 31 wird ein frühzeitiges Verschließen der Einlaßöffnung 9 beim Ausstoßen des Pumpmediums aus dem Pumpraum durch die Membrane erzielt. Das Pumpmedium wird ab dem frühzeitigen Verschließen der Einlaßöffnung 9 nicht mehr über den Einlaßkanal 4 in den Pumpraum gefördert. Der Einlaßkanal ist ab diesem Zeitpunkt nicht mehr als Schadraum wirksam. Hierdurch wird daher eine Verbesserung und Optimierung des Pumpvorgangs erreicht.
Im Bereich der Einlaßöffnung 9, d.h. zum Pumpraum hin gerichtet, ist ein Richtungsbzw. Einlaßventil angeordnet. Das Einlaßventil besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer Ventilplatte 10, die im Bereich der Einlaßöffnung 9 des Einlaßkanals 4 zur Bildung des Richtungsventils bzw. Einlaßventils angeordnet ist. Im Bereich der Einlaßöffnung 9 weist die Schrägbohrung 6 des Pumpenkörpers 2 zum Pumpraum hin gerichtet eine umlaufende Tasche auf, die einen größeren Durchmesser als die Schrägbohrung 6 hat. Die Ventilplatte 10 stützt sich an einer zwischen der Schrägbohrung 6 und der Tasche gebildeten umlaufenden Kante 11 ab. Die Ventilplatte 10 fluchtet im wesentlichen mit der Pumpenkörperfläche 8, jedenfalls während sie von der Membrane verschlossen wird, wobei sich zwischen der umlaufenden Nut in der Schrägbohrung 6 und der Pumpenkörperfläche 8 eine Steuerkante 35 ergibt. Mit anderen Worten ist in dem Randbereich der Einlaßöffnung 9 eine umlaufende und geringfügig über die Ventilplatte hinausragende Steuerkante 35 ausgebildet, an der die Membran die Einlaßöffnung 9 verschließt. Die umlaufende Steuerkante 35 gewährleistet in vorteilhafter Weise, daß das Einlaßventil mit der Ventilplatte 10 beim Auslaßhub sicher und zuverlässig allseitig verschlossen wird. Die Anordnung des Einlaßventils mit der Ventilplatte 10 direkt im Bereich der Einlaßöffnung 9 und das unmittelbare Verschließen des Einlaßventils durch die Membrane beim Auslaßhub verringert den Schadraum beim Auslaßhub weiter und trägt damit zu einer weiteren Steigerung der Effizienz und Zuverlässigkeit der Pumpe bei. In dem Pumpenkörper 2 ist an einem Gewinde 15 ein Auslaßelement 16 eingeschraubt, das gestufte Bohrungen 18a bis 18d aufweist, die zusammen mit einer Auslaßaussparung 19 einen Auslaßkanal 17 bilden. Das Auslaßelement 16 kann auch eingesteckt und durch Schrauben befestigt sein. Der Auslaßkanal 17 mündet in einer Auslaßöffnung 20 in die Pumpenkörperfläche 8. Zwischen der Auslaßaussparung 19 und der Bohrung 18d ist mittels einer Ventilplatte 21 ein Richtungsventil gebildet. Das Auslaßventil mit der Ventilplatte 21 ist im Bereich der Auslaßaussparung 19 zum Pumpraum hin gerichtet angeordnet, wodurch eine weitere Verbesserung der Pumpwirkung erzielt wird. Die Auslaßöffnung 20 ist vom Rand des Pumpraums zur Mitte hin versetzt dergestalt angeordnet, daß die Auslaßöffnung 20 beim Auslaßhub möglichst spät verschlossen wird. Mit anderen Worten ist die Auslaßöffnung 20 in einem Bereich angeordnet, der von der Membrane am Ende des Auslaßhubs zuletzt überdeckt wird.
Sowohl das Einlaßventil mit der Ventilplatte 10 als auch das Auslaßventil mit der Ventilplatte 21 sind vorteilhafterweise als frei bewegliche Ventile ausgebildet, die bei möglichst geringen Druckdifferenzen schalten, um keine Kompressionsverluste und damit eine indirekte Schadraumvergrößerung hervorzurufen. Die Ventile sind nicht durch eine Einspannung oder Anbindung in irgendeiner Richtung vorgespannt, wodurch zusätzliche Kräfte zum Schalten der Ventile nötig wären, sondern frei beweglich ausgebildet. Damit die Ventile jedoch nach dem Abheben von ihrem Ventilsitz, d.h. nach dem Öffnen, bei Beendigung des Strömungsvorganges wieder möglichst spannungsfrei auf ihren jeweiligen Sitz zurückgeführt werden, ist eine entsprechend ausgebildete Ventilhalteeinrichtung vorgesehen. Dabei ist sowohl beim Einlaßventil als auch beim Auslaßventil wichtig, daß die Einspannung der Ventilplatten 10 bzw. 21 spannungsfrei sind, d.h. in der Nähe der geschlossenen Ventilstellung ist das Ventil möglichst spannungsfrei, so daß geringe Druckdifferenzen zum Schließen bzw. auch zum Öffnen ausreichen. Bei Auslenkung, bei Öffnen des Ventils entstehen im Ventil Spannungen, durch die es in Richtung zur Schließstellung vorgespannt wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind hierzu für das Einlaßventil zwei Bolzen mit einem dünnen Rückhaltebund zu beiden Seiten der Einlaßöffnung 9 vorgesehen. Das Einlaßventil hat längliche bzw. ovale Befestigungsbohrungen, durch die die Bolzen ragen. Beim Öffnen des Ventils ist die Ventilplatte damit entlang der Bohrungen beweglich und ermöglicht ein Ausbiegen nach innen in den Pumpraum hinein. Ähnliches wird beim Auslaßventil durch die Bohrung 18d im Auslaßelement 16 erreicht. Die Bohrung 18d ist eine vorzugsweise umlaufende Nut, die im Auslaßelement 16 zum Sitz der Ventilplatte 21 hin gerichtet ausgebildet ist und der Ventilplatte 21 eine freie Öffnungsbewegung vom Pumpraum weg ermöglicht. Die Membrane weist einen Membrankern 25, einen elastisch verformbaren Membranring 26 und einen äußeren Membrankreisring 27 auf, wobei die Membrane 24 an dem äußeren Membran-kreisring 27 zwischen dem Pumpenkörper 2 und dem Gehäuseelement 3 befestigt ist. Die Membrane ist im nicht eingespannten Zustand im wesentlichen flach und wird dergestalt zwischen dem Pumpenkörper 2 und dem Gehäuseleelement 3 eingespannt, daß die Membrane in Richtung zur Pumpenkörperfläche 8 vorgespannt ist. Hierzu wird die Membran tangential-globular eingespannt, wie in den Figuren 1 bis 4 zu erkennen ist. Hierzu wird die konkave Pumpenkörperfläche 8 auch in den Bereich der Einspannung des Membrankreisrings 27 weitergeführt, so daß die Membrane zumindest im äußeren Bereich, d.h. im Bereich des Membrankreisringes 27 an den Randbereichen der konkaven Pumpenkörperfläche 8 anliegt. Hierdurch wird auch ein zuverlässiges Verschließen des Einlaßventils durch die Membrane gewährleistet. Die tangential-globulare Einspannung der Membrane vermeidet den bei bekannten Pumpen üblicherweise im Bereich der Membraneinspannung vorhandenen flachen ringförmigen Schadraum, der aus einer ungenügenden Flexibilität der Membrane und dem Druckaufbau in der Pumpe beim Auslaßvorgang und darausfolgend der Ausbeulung der Membrane weg von der Pumpenkammer herrührt. Die erfindungsgemäße Membranpumpe ist so konzipiert, daß das Verdichtungsverhältnis, d.h. das Verhältnis von maximalen zu minimalen Pumpraumvolumen optimiert ist. Da das Verdichtungsverhältnis insbesondere von dem minimal erreichbaren Pumpraumvolumen abhängig ist und daher dadurch bestimmt wird, wie gut die elastische Membrane den Pumpraum abschließen kann, wird durch die oben beschriebenen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Membranpumpe diesbezüglich eine Optimierung erreicht. Weiterhin werden durch die Anordnung und Ausgestaltung des Einlaßventils und des Auslaßventils die Volumina in den Strömungskanälen minimiert, so daß sich eine stark verbesserte Pumpwirkung ergibt. In dem Membrankern 25 der Membrane 24 ist ein Formkern 28 einvulkanisiert, der einen tellerförmigen Abschnitt 29 und einen zylinderförmigen Abschnitt 30 aufweist. Über eine Verbindungseinrichtung 31 ist der zylinderförmige Abschnitt 30 des Formkerns 28 mit einer Kurbel 31 eines Kurbelantriebs 32 verbunden.
Wie oben erwähnt ist in dem Randbereich der Einlaßöffnung 9 eine umlaufende Steuerkante 35 ausgebildet, an der der elastisch verformbare Membranring 26 die Einlaßöffnung 9 verschließt.
In den Figuren 2 bis 4 ist das Ausführungsbeispiel der Membranpumpe aus Figur 1 bei unterschiedlichen Kurbeldrehstellungen des Kurbelantriebs dargestellt. Durch die fortlaufende Betrachtung der Figuren 1 bis 4 läßt sich dadurch ein Eindruck von dem Bewegungsablauf der Membranpumpe 1 gewinnen. Dabei ist in Figur 1 die Kurbeldrehstellung der Membranpumpe in einem oberen Totpunkt, in Figur 2 50° nach dem oberen Totpunkt, in Figur 3 im unteren Totpunkt und in Figur 5 50° vor einem oberen Totpunkt dargestellt. Da in den Figuren 2 bis 4 die dargestellten Elemente mit den Elementen aus Figur 1 übereinstimmen, wird auf eine wiederholende Beschreibung verzichtet.
In Figur 2 ist die Kurbeldrehstellung des Kurbelantriebs 32 nach einer Drehung des Kurbelantriebs 32 in einer Drehrichtung 36 um 50° dargestellt. Dadurch wird die Achse 37 des Membrankerns 25 gegenüber der Achse 39 der konkaven Pumpenkörperfläche 8 verkippt. Dadurch hebt sich der Membrankern 25 zunächst auf der Seite der Einlaßöffnung 9 von der Pumpenkörperfläche 8 ab, wobei er im Bereich der Auslaßöffnung 20 zunächst in Kontakt mit der Pumpenkörperfläche 8 bleibt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Einlaßöffnung 9 des Einlaßkanals 4 bei der in Figur 2 dargestellten Kurbeldrehstellung von dem elastisch verformbeiren Membranring 26 der Membrane 24 verschlossen. Der Membranring 26 und/oder die Pumpenkörperfläche 8 können auch so ausgebildet sein, daß die Einlaßöffnung 9 des Einlaßkanals 4 bei der in Figur 2 gezeigten Drehkurbelstellung des Kurbelantriebs 32 bereits geöffnet ist. Im allgemeinen ist bei einer Drehkurbelstellung des Kurbelantriebs 32, die 90° nach der oberen Totpunktstellung liegt, die Einlaßöffnung 9 des Einlaßkanals 4 geöffnet. Die Membrane 24 hebt sich durch die Drehkurbelbewegung des Kurbelantriebs 32 von der Pumpenkörperfläche 8 ab, wodurch sich ein zwischen der Membrane 24 und der Pumpenkörperfläche 8 gebildeter Pumpraum 38 vergrößert und ab der Öffnung der Einlaßöffnung 9 des Einlaßkanals 4 ein Pumpmedium aus dem Einlaßkanal 4 durch die Einlaßöffnung 9 in den Pumpraum 38 eingesaugt wird. Beim Einsaugen des Pumpmediums aus dem Einlaßkanal 4 in den Pumpraum 38 strömt das Pumpmedium durch das durch die Ventilplatte 10 gebildete Richtungsventil. Ebenso ist in dem Auslaßkanal 17 durch die Ventilplatte 21 ein Richtungsventil gebildet, so daß ein auf der der Auslaßöffnung 20 abgewandten Seite der Dichtplatte 21 vorhandenes Pumpmedium beim Ansaughub des Kurbelantriebs 32 nicht in den Pumpraum 38 zurückfließt.
In Figur 3 ist die Membranpumpe 1 bei einer unteren Totpunktstellung des Kurbelantriebs 32 dargestellt. Gegenüber der oberen Totpunktstellung in Figur 1 hat der Kurbelantrieb 32 der Membranpumpe 1 eine Drehung in Drehrichtung 36 von 180° vollzogen. In dieser Stellung ist ein zumindest annähernd maximales Volumen des Pumpraums 38 gegeben. Die Membran 24 liegt daher nur im Bereich des äußeren Membrankreisrings 27, an dem sie mit dem Pumpenkörper 2 und dem Gehäuseelement 3 verbunden ist, an. Dadurch sind die Einlaßöffnung 9 des Einlaßkanals 4 und die Auslaßöffnung 20 des Auslaßkanals 17 vollständig geöffnet. An die in Figur 3 gezeigte Kurbeldrehstellung der Membranpumpe 1 schließt sich ein Ausstoßhub der Membran 24 an, wodurch das Pumpmedium in dem Pumpraum 38 komprimiert und über die Auslaßöffnung 20 des Auslaßkanals 17 aus der Membranpumpe 1 ausgestoßen wird. Dabei wird durch die Ventilplatte 10 erreicht, daß das Pumpmedium aus dem Pumpraum 38 nicht in den Einlaßkanal 4 zurückfließt.
Mit zunehmenden Ausstoßhub nähert sich die Membrane 24 der Pumpenkörperfläche 8. In Figur 4 ist eine Drehkurbelstellung des Kurbelantriebs 32 dargestellt, die 50° vor der in Figur 1 dargestellten oberen Totpunktstellung des Drehkurbelantriebs 32 liegt. Dabei ist die Achse 37 gegenüber der Achse 39 der Pumpenkörperfläche 8 gekippt, wobei die Verkippung entgegengesetzt zu der Verkippung in Figur 2 erfolgt. Dadurch nähert sich die Membrane 24 zunächst der Einlaßöffnung 9 des Einlaßkanals 4, wobei in der dargestellten Drehwinkelstellung des Kurbelantriebs 32 die Einlaßöffnung 9 bereits von dem elastisch verformbaren Membranring 26 verschlossen ist. Außerdem ist der Pumpraum 38 von der Einlaßöffnung zur Auslaßöffnung 20 des Auslaßkanals 17 sich verbreiternd ausgebildet, so daß sich das Pumpmedium aus dem Pumpraum 38 bei der weiteren Drehbewegung des Kurbelantriebs 32 vorzugsweise im Bereich der Auslaßöffnung 20 des Auslaßkanals 17 sammelt, wodurch ein vollständiges Auspumpen des Pumpmediums aus dem Pumpraum 38 in den Auslaßkanal 17 erfolgt.
Durch das frühzeitige Schließen der Einlaßöffnung 9 des Einlaßkanals 4 mit dem Membranring 26 wird erreicht, daß ein im Einlaßkanal 4 sich an dem Pumpraum 38 anschließendes Totvolumen verschlossen wird, so daß ein im Einlaßkanal 4 vorhandenes Pumpmedium durch den weiteren Ausstoßhub des Kurbelantriebs nicht weiter komprimiert wird und der Ausstoßhub vollständig zur Komprimierung des über den Auslaßkanal 17 auszupumpenden Pumpmediums verwendet werden kann. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Ventilplatte 10 in dem Einlaßkanal 4 nahe an der Einlaßöffnung 9 positioniert ist, da dadurch bereits vor Verschließen der Einlaßöffnung 9 mit dem Membranring 26 das Totvolumen verringert ist. Die Auslaßöffnung 20 des Auslaßkanals 17 ist in diesem Ausführungsbeispiel in einem Bereich der Pumpenkörperfläche 8 angeordnet, dem sich die Membran 24 zuletzt nähert und der von der Membran 24 frühestens bei der oberen Totpunktstellung des Kurbelantriebs 32 erreicht ist. Dadurch wird erreicht, daß die Auslaßöffnung 20 erst nach dem erfolgten Ausstoßhub des Kurbelantriebs 32 verschlossen werden kann. Damit die Auslaßöffnung 20 nicht teilweise von dem Membranring 26 der Membrane 24 verschlossen ist und somit ein Pumpmediumstrom des Pumpmediums beim Auspumpen in die Auslaßöffnung 17 nicht zusätzlich gedrosselt wird ist es besonders vorteilhaft, daß der Mittelpunkt der Auslaßöffnung 20 des Auslaßkanals 17 in einem inneren Bereich der Pumpenkörperfläche 8 angeordnet ist, der dem Membrankern 25 der Membrane 24 gegenüberliegt.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.

Claims

Patentansprüche
1. Membranpumpe (1) mit einer von einem Kurbelantrieb (32) betätigbaren Membrane (24), die zusammen mit einer konkaven Pumpenkörperfläche (8) einen Pumpraum (38) einschließt, einem Einlaßkanal (4) und einem Auslaßkanal (17), die an einer Einlaßöffnung (9) und einer Auslaßöffnung (20) in die Pumpenkörperfläche (8) münden, wobei die Membrane (24) einen Membrankern (25) und einen elastisch verformbaren Membranring (26) aufweist, und der Membrankern (25) eine an die Pumpenkörperfläche (8) angepaßte, konvexe Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnung (9) in einem Bereich der Pumpenkörperfläche (8) angeordnet ist, dem sich die Membrane (24) bei einem Ausstoßhub des Kurbelantriebs (32) zuerst nähert, und daß der elastisch verformbare Membranring (26) die Einlaßöffnung (9) vor dem Erreichen der oberen Totpunkstellung des Kurbelantriebs (32) verschließt.
2. Membranpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelpunkt der Einlaßöffnung (9) zumindest annähernd in der Drehebene der Kurbel (31) des Kurbelantriebs (32) liegt.
3. Membranpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einlaßventil vorgesehen ist, das in dem Bereich der Einlaßöffnung 9 des Einlaßkanals 4 angeordnet ist.
4. Membranpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlaßventil eine Ventilplatte 10 aufweist, die die Einlaßöffnung 9 überdeckt.
5. Membranpumpe nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Randbereich der Einlaßöffnung 9 eine umlaufende Steuerkante 35 ausgebildet ist, an der der elastisch verformbare Membranring 26 das Einlaßventil verschließt.
6. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elastisch verformbare Membranring (26) die Einlaßöffnung (9) bei einer Kurbeldrehstellung des Kurbelantriebs (32) verschließt, die bis zu 90° vor der oberen Totpunktlage liegt.
7. Membranpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der elastisch verformbare Membranring (26) die Einlaßöffnung (9) bei einer Kurbeldrehstellung des Kurbelantriebs (32) verschließt, die 20° bis 90° vor der oberen Totpunktlage liegt.
8. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelachse (7) des Einlaßkanals (4) senkrecht zu der Pumpenkörperfläche (8) orientiert ist.
9. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung (20) des Auslaßkanals (17) in einem Bereich der Pumpenkörperfläche (8) angeordnet ist, dem sich die Membrane (24) zuletzt nähert und der von der Membrane (24) frühenstens bei der oberen Totpunktstellung des Kurbelantriebs (32) erreicht ist.
10. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelpunkt der Auslaßöffnung (20) des Auslaßkanals (17) in einem inneren Bereich der Pumpenkörperfläche (8) angeordnet ist, der dem Membrankern (25) der Membrane (24) gegenüberliegt.
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