EP2609331A2 - Membranpumpe sowie verfahren zum einstellen einer solchen - Google Patents

Membranpumpe sowie verfahren zum einstellen einer solchen

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EP2609331A2
EP2609331A2 EP11745538.6A EP11745538A EP2609331A2 EP 2609331 A2 EP2609331 A2 EP 2609331A2 EP 11745538 A EP11745538 A EP 11745538A EP 2609331 A2 EP2609331 A2 EP 2609331A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure
membrane
spring element
working fluid
hydraulic
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11745538.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Horst Fritsch
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Prominent GmbH
Original Assignee
Prominent Dosiertechnik GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Prominent Dosiertechnik GmbH filed Critical Prominent Dosiertechnik GmbH
Publication of EP2609331A2 publication Critical patent/EP2609331A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F04B43/06—Pumps having fluid drive
    • F04B43/067—Pumps having fluid drive the fluid being actuated directly by a piston
    • 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
    • F04B43/0009—Special features
    • F04B43/0081—Special features systems, control, safety measures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04B45/02—Pumps or pumping installations having flexible working members and specially adapted for elastic fluids having bellows
    • F04B45/033—Pumps or pumping installations having flexible working members and specially adapted for elastic fluids having bellows having fluid drive
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/10—Valves; Arrangement of valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/14—Pistons, piston-rods or piston-rod connections
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2210/00—Working fluid
    • F05B2210/10—Kind or type
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    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S417/00—Pumps

Definitions

  • the present invention relates to a diaphragm pump and a method for adjusting a diaphragm pump.
  • Diaphragm pumps generally have a delivery chamber which is separated from a hydraulic chamber by a membrane, wherein the delivery chamber is in each case connected to a suction connection and a pressure connection.
  • the filled with working fluid hydraulic chamber can then be acted upon with a pulsating working fluid pressure.
  • the pulsating working fluid pressure causes a pulsating movement of the diaphragm, whereby the volume of the delivery chamber is periodically larger and smaller. This makes it possible, via the suction connection, which is connected to the delivery chamber with a corresponding check valve, to draw in the delivery medium when the volume of the delivery chamber is increased, and via the pressure connection, which is likewise connected to the delivery chamber by a corresponding non-return valve. Relieve under pressure when the volume of the pumping chamber is reduced.
  • a working fluid usually a hydraulic oil is used.
  • suitable liquids such as e.g. Water can be used with a water-soluble mineral additive.
  • the medium to be conveyed is separated from the drive, whereby on the one hand the drive from harmful influences of the pumped medium is shielded and on the other hand, the pumped medium from harmful influences of the drive, e.g. Contamination is shielded.
  • the pulsating working fluid pressure is often provided by means of a movable piston in contact with the working fluid.
  • the piston is reciprocated, for example, in a hollow cylindrical element, whereby the volume of the hydraulic space is reduced and increased, which leads to an increase and decrease in the pressure in the hydraulic chamber and in consequence to a movement of the membrane.
  • a small amount of the working fluid is lost by the narrow remaining gap between the piston on the one hand and hollow cylindrical element on the other hand, thereby gradually working - Amount of liquid is reduced in the hydraulic space. This has the consequence that the pressure stroke is no longer completely carried out by the membrane, since not enough working fluid for the pressure movement of the membrane is available.
  • DE 1 034 030 has already been proposed to connect the hydraulic chamber with the interposition of a valve, a so-called leak-relief valve, with a working fluid reservoir.
  • working fluid can be replenished in the hydraulic chamber through this leak-relief valve.
  • the leak-relief valve generally has a closing body which can be moved back and forth between a closed position in which the valve passage is closed and an open position in which the valve passage is open, for example in the form of a closing ball.
  • This closing body is biased in the closed position by means of a pressure element, for example a spring.
  • This pressure element is designed such that only when the pressure in the hydraulic chamber is less than a set pressure p L , the closing body moves in the direction of the open position.
  • the diaphragms are often provided with a spring element which is designed to exert a force on the diaphragm so that the membrane is biased in the direction of the hydraulic space.
  • the spring element supports the movement of the diaphragm in the direction of its suction stroke.
  • the requirement is placed on the diaphragm pumps that they survive over a predetermined period, usually 5000 to 10,000 operating hours, without maintenance and repair.
  • the diaphragm will move in the direction of pressure stroke of the piston movement with the result that before the piston has completed the pressure stroke, it comes to rest on the walls of the pumping chamber and to the the valve leading holes is perforated.
  • the leak-relief valve is dimensioned so that it only opens when the membrane comes to rest on the hydraulic-side dome at the end of the suction stroke. This creates a temporary negative pressure, whereby the spring-loaded leak-relief valve opens and the hydraulic chamber is exactly complemented by the lack of working fluid.
  • the risk of perforation of the membrane always arises when the leak-relief valve opens before the membrane has reached its hydraulic limit position. To avoid this, the pressure in the hydraulic chamber during the suction stroke may only be lower than the set pressure of the leak-relief valve when the diaphragm is against the calotte.
  • the force F acting on the membrane due to the pressure difference is proportional to the square of the diameter D of the membrane, at the same time the area subjected to bending and shear at the clamping edges of the membrane only increases in proportion to the diameter, the shear stress increases in proportion to the membrane diameter D, what then Especially in large diaphragm pumps to overuse the membrane and ultimately lead to a rupture of the membrane before the expiry of the predicted runtime.
  • the spring force F increases in proportion to D 2 , a pressure of at least 1 bar requires very strong and thus expensive springs for large diameters of the membrane. For example, with a membrane diameter of 100 mm, the spring force is 750 N, while with a membrane diameter of 400 mm, it is already 12000 N.
  • a diaphragm pump with a delivery chamber, a pressure and a suction port, wherein the pressure and suction ports are connected to the pumping chamber, a hydraulic chamber, wherein the pumping chamber and hydraulic chamber are separated from each other by a membrane, wherein the A hydraulic fluid space which can be filled with a working fluid can be acted upon by a pulsating working fluid pressure, whereby the diaphragm is moved between a first position, in which the delivery space has a smaller volume, and a second position, in which the delivery space has a larger volume, and the hydraulic space a leak relief valve is connected to a working fluid reservoir, the diaphragm having a spring element which is designed such that it exerts a first predetermined force on the diaphragm in the direction of the second position.
  • the spring element can be exchanged for another spring element, which is designed such that it exerts a second predetermined force on the membrane in the direction of the second position, or that the force exerted by the spring element on the membrane in the direction of the second position, is adjustable.
  • the spring force can be adapted to the existing conditions of use, such as the static pressure at the suction port. If, for example, the desired application ensures that the static pressure at the suction connection itself is already 1 bar and a suction valve which connects the suction connection to the delivery chamber is designed such that it opens at a pressure difference of more than 0.3 bar the pressure in the delivery chamber does not fall below 0.7 bar. Consequently, the spring element only has to exert a smaller force on the membrane, which in turn increases the life of the membrane. According to the invention thus the spring force of the spring element can be adapted to the local conditions.
  • the spring element can be demounted from the membrane.
  • the spring element can be exchanged without the membrane having to be replaced.
  • the membrane itself has corresponding elastic properties.
  • a hydraulic body and a membrane body are provided, between which the membrane is clamped, so that the hydraulic space in the hydraulic body and the delivery space in the membrane body is arranged, wherein the hydraulic body arranged in the direction of force of the spring element closable opening has, through which the spring element replaced or its spring constant can be adjusted.
  • the drive piston is arranged in the direction of force behind the spring element, so that an exchange or adjustment of the spring element is possible only by a very expensive disassembly of the pump.
  • the pulsating working fluid is supplied via a channel into the hydraulic chamber, wherein the channel is aligned at least in the region of its confluence with the hydraulic chamber such that it encloses an angle ⁇ with the force direction of the spring element. which is greater than 0 °, preferably greater than 45 °, more preferably greater than 70 ° and most preferably about 90 °.
  • the object mentioned at the outset is achieved in that the step is provided that the spring constant is selected or adjusted such that the pressure p F v applied to the working fluid by the spring element applies : p w > p A - p so where p A is the atmospheric pressure and pso is the static pressure at the suction port.
  • the pressure p F v de ra rt applied to the working fluid by the spring element is selected
  • the force applied by the spring element to the working fluid force can be chosen significantly smaller than is usually the case in the prior art, since the invention is considered for the first time that at the suction connection static pressure is applied, so that in the pumping chamber in the rule no lower pressure can be present.
  • the suction connection is connected via a check valve to the delivery chamber, which likewise has a corresponding spring element, so that the check valve opens only at a pressure difference Ap S v between the pressure at the suction connection and the pressure in the delivery chamber
  • the pressure p F v applied to the working fluid by the spring element is set such that: p A > p w > p A -p so + ⁇ 8 ⁇ .
  • the hydraulic chamber is connected to a working fluid reservoir via a leak-relief valve, the leak-relief valve having a closing body which can be moved back and forth between a closed position in which the valve passage is closed and an open position in which the valve passage is open Help a pressure element is held in the closed position, wherein the pressure element is designed such that when the pressure in the hydraulic chamber is smaller than a set pressure p L , the closing body moves in the direction of the open position.
  • the pressure element of the leak-relief valve and the spring element of the membrane is designed and arranged such that at any time the sum of the pressure p H in the hydraulic chamber and the applied by the spring element to the working fluid pressure p F v greater than the set pressure
  • the mass of the closing body is so large that the closing body at not more than 1 ms lasting pressure drop to 0 bar due to a pressure surge in the hydraulic space by not more than 0.2 mm, preferably not moved more than 0, 1 mm in the direction of the open position.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a diaphragm pump head according to the invention
  • Figure 2 is a schematic diagram of the pressure in the hydraulic chamber over time
  • FIG. 1 shows a detail of a diaphragm pump head in a sectional view.
  • the membrane pump has a membrane 1, which is clamped between a hydraulic body 23 and a membrane body 22.
  • the membrane divides the dome-shaped cavity in a delivery chamber 9 and a hydraulic chamber 8.
  • the membrane 1 is connected via a screw with a bolt which is pulled by means of a spring element 10 in the hydraulic body.
  • the spring element 10 exerts a force in the direction of the hydraulic chamber 8 on the membrane 1.
  • the delivery space 9 is connected to a suction port (not shown) and a pressure port (not shown) via respective valves.
  • the membrane 1 can be acted upon via the channel 24 with an oscillating hydraulic pressure. If the pressure in the channel 24 increases, the membrane 1 in FIG. 1 is moved to the left, i. the delivery chamber 9 is reduced. Any fluid that may be present is then expelled from the pressure port via the valve. Wrd then reduces the pressure in the channel 24, the spring element 10 will ensure that the membrane is pulled back into the hydraulic chamber. The pressure in the delivery chamber 9 will drop until it is less than the static pressure applied to the suction connection. Then, conveying medium is fed into the delivery chamber 9 via the suction connection.
  • pumped medium is therefore periodically drawn from the suction port and discharged via the pressure port at a higher pressure.
  • the membrane is held between the clamping edges 1 1, 12. Due to the spring element 10 may lead to a bulging of the membrane 1.
  • a leak-relief valve 6 is provided, via which the hydraulic chamber 8 is connected to a working fluid reservoir.
  • This leak-relief valve 6 has a small ball 16 which is pressed into a valve seat by means of a spring 17.
  • a set pressure p L is set.
  • an opening is provided in the hydraulic element 23, which can be closed by means of the cap 21. If the cap 21 is removed from the hydraulic body, then the spring element 10 can be accessed. As a result, the spring element can be easily replaced or readjusted to ensure that as little force as possible is applied to the membrane 1 via the spring element 10, but at the same time it is ensured that the leak-relief valve 6 opens only in case of need.
  • FIG. 2 graphically plots the pressure in the hydraulic chamber during the suction stroke over time. At the beginning of the suction stroke, the pressure in the hydraulic chamber corresponds approximately to the pressure with which the pump discharges the fluid from the pressure port. This pressure is significantly higher than the static pressure of the suction line. It is understood that the pressure in the hydraulic chamber is additionally determined by the return spring 10.
  • the suction stroke begins when the piston is moved back to generate the pulsating working fluid pressure. This initially leads to the fact that the pressure in the hydraulic chamber slowly reduced and since the pressure in the pumping chamber is greater, the membrane will move to the right, ie in the direction of the hydraulic chamber. The pressure in the delivery chamber will slowly drop until it reaches the static pressure at the suction port p S o. If the pressure drops even further, the corresponding non-return valve, which connects the delivery chamber to the suction port, will open and delivery medium will flow in via the suction port. In the moment in which the pressure in the delivery chamber thus reaches the static pressure at the suction port, there is an abrupt change in the velocity of the fluid in the suction line.
  • This Joukowsky shock in the delivery room leads to a pressure surge in the hydraulic room, since the two rooms are connected via the membrane. The result triggered high-frequency rapidly decaying pressure oscillation can be ignored for the following consideration at first.
  • the known diaphragm pumps are therefore equipped with corresponding return springs 10, which ensure that in all cases the pressure in the hydraulic chamber is greater than the set pressure. Since the pressure in the pumping chamber can not become less than zero and the pressure in the working fluid reservoir is typically below atmospheric pressure (1 bar), the springs are chosen so that they can even at the end of the suction stroke, i. when the spring has pulled the diaphragm to its point of reversal in the hydraulic chamber, it is greater than 1 bar. This ensures that even in the worst case, no unplanned opening of the leak-relief valve occurs.
  • the force applied to the membrane by the return spring 10 can be adjusted, since the diaphragm pumps are usually used in an environment in which a static pressure p S o is present at the suction connection which is greater than zero. Depending on which pressure is applied here, therefore, the spring force can be reduced to prevent the membrane is pulled unnecessarily strong by the spring element 10 in the hydraulic chamber. The lower the set force, the longer the life of the membrane. In addition, then the drive of the pump can also be reduced because he now has to work against a lower spring force of the spring element 10.
  • the energy consumption of the membrane pump can thus be significantly reduced. If, at a later time, the diaphragm pump is to be adapted to a different static pressure on the suction line, only the spring element 10 has to be adjusted or replaced by another one.
  • the pressure may fall below the set pressure p L , so that the leak-relief valve opens.
  • the set pressure p L can be significantly larger than p min be selected as long as p L is smaller than an average pressure P m in the hydraulic chamber.
  • the invention is based on the finding that the pressure surge occurs only during a very short time interval Ats ⁇ 1 millisecond.
  • the mass of the closing body is inventively chosen so large that such a pressure surge only leads to a stroke of less than 0.2 mm or preferably less than 0, 1 mm.
  • a corresponding leak-relief valve is shown in FIG.
  • This leak-relief valve has a closing body 16 accommodated in a valve body 18, which has a closing element 20 which, in the closed position, closes a bore in the valve body 18, so that the line to the working-fluid reservoir 19 is separated from the hydraulic space 8.
  • the closing body is biased by means of a spring element 17 in the closed position, which is shown in Figure 3.
  • the pressure of the working fluid in the working fluid reservoir and thus also the pressure in the conduit 19 remain substantially constant.
  • the closing body 16 is moved in the position shown in Figure 3 upwards, so that a connection between the conduit 19 and the hydraulic chamber 8 is opened.
  • the mass of the closing body must be at least 17.5 g to prevent movement of the closing body by more than 0.1 mm. If the mass of the closing body chosen so large, so even a pressure surge to 0 bar, the closing body does not move so far that a significant amount of working fluid leaking into the hydraulic chamber.
  • the described method can be improved even if one considers that the pressure surge generally does not lead to a pressure reduction to 0 bar, but only to a minimum pressure p min .
  • the difference p L - p m between the set pressure p L and the minimum pressure p min due to the surge can be used, whereby the mass can be further reduced.
  • the set pressure p L can be increased, whereby the spring 17 can be made weaker, which simplifies the handling of the pump.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membranpumpe mit einem Förderraum, einem Druck- und einem Sauganschluss, wobei Druck- und Sauganschluss mit dem Förderraum verbunden sind, einem Hydraulikraum, wobei Förderraum und Hydraulikraum über eine Membran voneinander getrennt sind, wobei der mit einer Arbeitsflüssigkeit befüllbare Hydraulikraum mit einem pulsierenden Arbeitsflüssigkeitsdruck beaufschlagt werden kann, wodurch die Membran zwischen einer ersten Position, in der der Förderraum ein kleineres Volumen aufweist, und einer zweiten Position, in der der Förderraum ein größeres Volumen aufweist, bewegt wird, wobei der Hydraulikraum über ein Leckergänzungsventil mit einem Arbeitsflüssigkeitsvorrat verbunden ist, wobei die Membran ein Federelement mit einer ersten Federkonstante aufweist, welches derart ausgelegt ist, dass es eine erste vorbestimmte Kraft auf die Membran in Richtung der zweiten Position ausübt. Um eine Membranpumpe sowie ein Verfahren zur Einstellung einer solchen bereitzustellen, durch das die geschilderten Probleme vermindert oder sogar vollständig gelöst werden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Federelement gegen ein anderes Federelement, welches derart ausgelegt ist, dass es eine zweite vorbestimmte Kraft auf die Membran in Richtung der zweiten Position ausübt, ausgetauscht werden kann oder dass die Kraft, die das Federelement auf die Membran in Richtung der zweiten Position ausübt, einstellbar ist.

Description

Membranpumpe sowie Verfahren zum Einstellen einer solchen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membranpumpe sowie ein Verfahren zum Einstellen einer Membranpumpe.
Membranpumpen weisen im Allgemeinen einen über eine Membran von einem Hydraulikraum getrennten Förderraum auf, wobei der Förderraum jeweils mit einem Sauganschluss und einem Druckanschluss verbunden ist. Der mit Arbeitsflüssigkeit befüllbare Hydraulikraum kann dann mit einem pulsierenden Arbeitsflüssigkeitsdruck beaufschlagt werden. Der pulsierenden Arbeitsflüs- sigkeitsdruck bewirkt eine pulsierende Bewegung der Membran, wodurch das Volumen des Förderraums periodisch größer und kleiner wird. Dadurch ist es möglich über den Sauganschluss, der mit einem entsprechenden Rückschlagventil mit dem Förderraum verbunden ist, das Fördermedium anzusaugen, wenn das Volumen des Förderraums vergrößert wird, und über den Druckanschluss, der ebenfalls mit einem entsprechenden Rückschlagventil mit dem Förderraum ver- bunden ist, unter Druck wieder abzugeben, wenn das Volumen des Förderraums verringert wird.
Als Arbeitsflüssigkeit wird in der Regel ein Hydrauliköl verwendet. Grundsätzlich können jedoch auch andere geeignete Flüssigkeiten, wie z.B. Wasser mit einem wasserlöslichen Mineralzusatz verwendet werden.
Durch die Membran wird das zu fördernde Medium vom Antrieb getrennt, wodurch einerseits der Antrieb von schädlichen Einflüssen des Fördermediums abgeschirmt ist und andererseits auch das Fördermedium von schädlichen Einflüssen des Antriebes, z.B. Verunreinigung, abgeschirmt ist.
Der pulsierende Arbeitsflüssigkeitsdruck wird häufig mit Hilfe eines beweglichen Kolbens, der mit der Arbeitsflüssigkeit in Kontakt steht, bereitgestellt.
Der Kolben wird dabei z.B. in einem hohlzylindrischen Element hin- und herbewegt, wodurch das Volumen des Hydraulikraums verkleinert und vergrößert wird, was zu einer Erhöhung und Absenkung des Drucks im Hydraulikraum sowie in der Folge zu einer Bewegung der Membran führt. Trotz verschiedenster Maßnahmen, die ein Umströmen des Kolbens mit Arbeitsflüssigkeit verhindern sollen, lässt sich in der Praxis nicht ausschließen, dass bei jedem Hubvorgang eine kleine Menge der Arbeitsflüssigkeit durch den schmalen verbleibenden Spalt zwischen Kolben einerseits und hohlzylindrischem Element andererseits verloren geht, wodurch allmählich die Arbeits- flüssigkeitsmenge im Hydraulikraum reduziert wird. Dies hat zur Folge, dass der Druckhub nicht mehr vollständig von der Membran ausgeführt wird, da nicht mehr genügend Arbeitsflüssigkeit zur Druckbewegung der Membran zur Verfügung steht.
Daher ist beispielsweise in der DE 1 034 030 bereits vorgeschlagen worden, den Hydraulikraum unter Zwischenschaltung eines Ventils, einem sogenannten Leckergänzungsventil, mit einem Arbeitsflüssigkeitsvorrat zu verbinden.
Durch dieses Leckergänzungsventil kann bei Bedarf Arbeitsflüssigkeit in dem Hydraulikraum nachgefüllt werden. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass nicht zuviel Arbeitsflüssigkeit in den Hydraulikraum gebracht wird, da dann sich die Membran im Druckhub zu weit in den Förderraum hineinbewegt und unter Umständen mit Ventilen oder anderen Bauteilen in Kontakt gerät und beschädigt wird.
Zu diesem Zweck weist das Leckergänzungsventil in der Regel einen zwischen einer Schließstel- lung, in welcher der Ventildurchgang geschlossen ist, und einer Offenstellung, in welcher der Ventildurchgang geöffnet ist, hin- und her bewegbaren Schließkörper, z.B. in Form einer Schließkugel, auf. Dieser Schließkörper ist mit Hilfe eines Druckelementes, z.B. einer Feder, in der Schließstellung vorgespannt. Dieses Druckelement ist derart ausgelegt, dass nur dann, wenn der Druck im Hydraulikraum kleiner als ein Einstelldruck pL ist, der Schließkörper sich in der Richtung der Offenstellung bewegt. Um während des Saughubes, d.h. während sich der Kolben zurückbewegt und daher das Volumen im Hydraulikraum vergrößert wird, ein zu frühes Öffnen des Leckergänzungsventils zu verhindern, sind häufig die Membrane mit einem Federelement ausgestattet, welches derart ausgelegt ist, dass es eine Kraft auf die Membran aufbringt, so dass die Membran in Richtung des Hydraulikraums vorgespannt wird. Dadurch unterstützt das Federele- ment die Bewegung der Membran in Richtung deren Saughubes.
Üblicherweise wird an die Membranpumpen die Anforderung gestellt, dass sie über eine vorbestimmte Laufzeit, üblicherweise 5000 bis 10000 Betriebsstunden, ohne Wartungs- und Reparaturaufwand überstehen.
Um dies zu gewährleisten, muss sichergestellt sein, dass der Arbeitsbereich der Membran innerhalb des dafür vorgesehenen Kalottenraums, welcher durch den Förderraum und den Hydraulikraum gebildet wird, verbleibt und stets der Bewegung des Kolbens folgt. Wenn daher aus irgendwelchen Gründen sich zuviel Arbeitsflüssigkeit im Hydraulikraum befindet, wird die Membran sich in Richtung Druckhub von der Kolbenbewegung entfernen mit der Folge, dass sie, bevor der Kolben den Druckhub beendet hat, an den Wänden des Förderraums zur Anlage kommt und an den zu den Ventilen führenden Bohrungen perforiert wird.
Da die Perforation zu einem Ausfall der Membranpumpe führt, ist dies unbedingt zu vermeiden.
Es ist daher äußerst wichtig, dass das Leckergänzungsventil derart dimensioniert ist, dass es nur dann öffnet, wenn die Membran an der hydraulikseitigen Kalotte am Ende des Saughubes zur Anlage kommt. Dadurch entsteht kurzzeitig ein Unterdruck, wodurch das federbelastete Leckergänzungsventil öffnet und der Hydraulikraum exakt um die fehlende Menge Arbeitsflüssigkeit ergänzt wird. Die Gefahr einer Perforierung der Membran entsteht immer dann, wenn das Leckergänzungsventil öffnet, bevor die Membran ihre hydraulikseitige Grenzlage erreicht hat. Um dies zu vermeiden, darf der Druck im Hydraulikraum während des Saughubes nur dann kleiner werden als der Einstelldruck des Leckergänzungsventils, wenn die Membran an der Kalotte anliegt. Weiterhin ist es notwendig, dass während des Stillstandes der Pumpe, selbst wenn im Förderraum ein Unterdruck besteht, der Druck im Hydraulikraum mindestens 1 bar (= Atmosphärendruck) beträgt, da sonst aufgrund immer vorhandener Leckagen sich die Membran in Richtung Druckhub bewegen würde und als Flüssigkeit entweder über den Kolben oder über das Leckergänzungsventil in geringer Menge einströmen würde, was beim Anfahren der Pumpe zur Perfora- tion der Membran führen würde.
Um diese Bedingung in jedem Fall zu erfüllen, ist in der EP 1 291 524 vorgeschlagen worden, dass die Federkraft so bemessen wird, dass die Membran im Saughub dem Kolben auch dann folgt, wenn im Förderraum Vakuum anliegt, d.h. der durch die Federkraft über die Membran auf die Arbeitsflüssigkeit aufgebrachte Druck beträgt immer mehr als 1 bar. Erst wenn am Ende des Saughubes die Membran am hydraulikseitigen Ende der Kalotte anliegt, fällt der Druck ab, da dann die Membran dem Kolben nicht mehr folgen kann. In diesem Moment kann über das Leckergänzungsventil Arbeitsflüssigkeit nachgefüllt werden, sofern dies erforderlich ist. Da die durch den Druckunterschied auf die Membran wirkende Kraft F proportional zum Quadrat des Durchmessers D der Membran ist, gleichzeitig die auf Biegung und Scherung beanspruchte Fläche an den Einspannrändern der Membran aber nur proportional zum Durchmesser zunimmt, erhöht sich die Scherbeanspruchung proportional zum Membrandurchmesser D, was dann ins- besondere bei großen Membranpumpen zu einer Überbeanspruchung der Membran und schlussendlich zu einem Bruch der Membran vor Ablauf der prognostizierten Laufzeit führen kann. Da die Federkraft F proportional zu D2 zunimmt, erfordert ein Druck von mindestens 1 bar bei großen Membrandurchmessern sehr starke und damit teure Federn. Beispielsweise beträgt bei einem Membrandurchmesser von 100 mm die Federkraft 750 N, während sie bei einem Membrandurchmesser von 400 mm bereits 12000 N beträgt. Ausgehend von dem beschrieben Stand der Technik, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Membranpumpe sowie ein Verfahren zur Einstellung einer solchen bereitzustellen, durch das die geschilderten Probleme vermindert oder sogar vollständig gelöst werden.
Hinsichtlich der Membranpumpe wird dies gelöst durch eine Membranpumpe mit einem Förder- räum, einem Druck- und einem Sauganschluss, wobei Druck- und Sauganschluss mit dem Förderraum verbunden sind, einem Hydraulikraum, wobei Förderraum und Hydraulikraum über eine Membran voneinander getrennt sind, wobei der mit einer Arbeitsflüssigkeit befüllbare Hydraulikraum mit einem pulsierenden Arbeitsflüssigkeitsdruck beaufschlagt werden kann, wodurch die Membran zwischen einer ersten Position, in der der Förderraum ein kleineres Volumen aufweist, und einer zweiten Position, in der der Förderraum ein größeres Volumen aufweist, bewegt wird, und der Hydraulikraum über ein Leckergänzungsventil mit einem Arbeitsflüssigkeitsvorrat verbunden ist, wobei die Membran ein Federelement aufweist, welches derart ausgelegt ist, dass es eine erste vorbestimmte Kraft auf die Membran in Richtung der zweiten Position ausübt. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Federelement gegen ein anderes Federelement, wel- ches derart ausgelegt ist, dass es eine zweite vorbestimmte Kraft auf die Membran in Richtung der zweiten Position ausübt, ausgetauscht werden kann oder dass die Kraft, die das Federelement auf die Membran in Richtung der zweiten Position ausübt, einstellbar ist.
Durch die Einstellbarkeit bzw. Austauschbarkeit des Federelementes kann die Federkraft an die vorliegenden Einsatzbedingungen, wie z.B. den statischen Druck am Sauganschluss angepasst werden. Ist beispielsweise bei der gewünschten Anwendung sichergestellt, dass der statische Druck am Sauganschluss selbst bereits 1 bar beträgt und ein Saugventil, welches den Sauganschluss mit dem Förderraum verbindet, derart ausgelegt, dass es bei einer Druckdifferenz von mehr als 0,3 bar öffnet, so kann der Druck im Förderraum nicht unter 0,7 bar abfallen. Folglich muss auch das Federelement nur eine geringere Kraft auf die Membran ausüben, was wiederum die Lebensdauer der Membran erhöht. Erfindungsgemäß kann somit die Federkraft des Federelementes an die lokalen Gegebenheiten angepasst werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass das Federelement von der Membran abmontierbar ist. Dadurch kann das Federelement getauscht werden, ohne dass die Membran ausgetauscht werden muss. Grundsätzlich wäre aber auch der Fall denkbar, in dem die Membran selbst entsprechende federelastische Eigenschaften aufweist.
Weiterhin kann es von Vorteil sein, wenn ein Hydraulikkörper und ein Membrankörper vorgese- hen sind, zwischen den die Membran eingespannt ist, so dass der Hydraulikraum im Hydraulikkörper und der Förderraum im Membrankörper angeordnet ist, wobei der Hydraulikkörper eine in Kraftrichtung des Federelementes angeordnete verschließbare Öffnung aufweist, durch die das Federelement ausgetauscht oder dessen Federkonstante eingestellt werden kann. Im Allgemeinen ist nämlich der Antriebskolben in Kraftrichtung hinter dem Federelement angeordnet, so dass ein Austausch bzw. eine Einstellung des Federelementes nur durch eine sehr aufwendige Demontage der Pumpe möglich ist. Durch die erfindungsgemäße verschließbare Öffnung, kann nun, nachdem die Pumpe montiert worden ist und der statische Druck am Sauganschluss feststeht, die Federkonstante leicht eingestellt und an die Bedingungen angepasst werden. Grundsätzlich wäre es auch möglich, das Federelement im Förderraum anzuordnen. In diesem Falle wäre es von Vorteil, wenn der Membrankörper eine in Kraftrichtung des Federelementes angeordnete verschließbare Öffnung aufweist, durch die das Federelement ausgetauscht oder eingestellt werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die pulsierende Arbeitsflüs- sigkeit über einen Kanal in den Hydraulikraum zugeführt wird, wobei der Kanal zumindest im Bereich seiner Einmündung in den Hydraulikraum derart ausgerichtet ist, dass er mit der Kraftrichtung des Federelementes einen Winkel α einschließt, der größer als 0°, vorzugsweise größer als 45°, besonders bevorzugt größer als 70° und am Besten etwa 90° beträgt. Durch die dadurch bewirkte seitliche Zuführung der pulsierenden Arbeitsflüssigkeit in den Hydraulikraum ist genü- gend Platz, um„von hinten", d.h. von der der Membran abgewandten Seite auf das Federelement zuzugreifen, um es einzustellen oder auszutauschen.
Hinsichtlich des Verfahrens zum Einstellen einer Membranpumpe wird die eingangsgenannte Aufgabe dadurch gelöst, dass der Schritt vorgesehen ist, dass die Federkonstante derart ausge- wählt bzw. eingestellt wird, dass für den durch das Federelement über die Membran auf die Arbeitsflüssigkeit aufgebrachten Druck pFv gilt: pw > pA - pso , wobei pA der Atmosphärendruck und pso der statische Druck am Sauganschluss ist. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der durch das Federelement auf die Arbeitsflüssigkeit aufgebrachte Druck pFv de ra rt gewä h lt wi rd, dass
Dadurch ist sichergestellt, dass nicht zuviel Arbeitsflüssigkeit über das Leckergänzungsventil in den Hydraulikraum zugeführt wird. Dennoch kann die durch das Federelement auf die Arbeitsflüssigkeit aufgebrachte Kraft deutlich kleiner gewählt werden, als dies üblicherweise im Stand der Technik der Fall ist, da erfindungsgemäß erstmalig berücksichtigt wird, dass am Saugan- schluss ein statischer Druck anliegt, so dass im Förderraum in der Regel kein geringerer Druck vorliegen kann.
Da bei manchen Ausführungsformen der Sauganschluss über ein Rückschlagventil mit dem För- derraum verbunden ist, das ebenfalls ein entsprechendes Federelement aufweist, so dass erst bei einer Druckdifferenz ApSv zwischen dem Druck am Sauganschluss und dem Druck in der Förderkammer das Rückschlagventil öffnet, ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass der durch das Federelement auf die Arbeitsflüssigkeit aufgebrachte Druck pFv derart eingestellt wird, dass gilt: : pA > pw > pA - pso + ίψ8ν .
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Hydraulikraum über ein Leckergänzungsventil mit einem Arbeitsflüssigkeitsvorrat verbunden, wobei das Leckergänzungsventil einen zwischen einer Schließstellung, in welcher der Ventildurchgang geschlossen ist, und einer Offenstellung in welcher der Ventildurchgang geöffnet ist, hin und her bewegbaren Schließkörper aufweist, welcher mit Hilfe eines Druckelementes in der Schließstellung gehalten wird, wobei das Druckelement derart ausgelegt ist, dass wenn der Druck im Hydraulikraum kleiner als ein Einstelldruck pL ist, der Schließkörper sich in Richtung der Offenstellung bewegt. Mit Vorteil ist das Druckelement des Leckergänzungsventils und das Federelement der Membran derart ausgebildet und angeordnet, dass zu jeder Zeit die Summe aus dem Druck pH im Hydraulikraum und dem durch das Federelement auf die Arbeitsflüssigkeit aufgebrachten Druck pFv größer als der Einstelldruck
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Masse des Schließkörpers so groß ist, dass sich der Schließkörper bei einem nicht länger als 1 ms andauernden Druckabfall auf 0 bar aufgrund eines Druckstoßes im Hydraulikraum um nicht mehr als 0,2 mm, vorzugsweise um nicht mehr als 0, 1 mm in Richtung der Offenstellung bewegt. Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform sowie der zugehörigen Figuren. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Membranpumpenkopfes, Figur 2 ein schematisches Diagramm des Druckes im Hydraulikraum über der Zeit und
Figur 3 eine Schnittansicht eines speziell ausgebildeten Leckergänzungsventils. In Figur 1 ist ein Detail eines Membranpumpenkopfes in einer Schnittansicht gezeigt. Die Membranpumpe weist eine Membran 1 auf, die zwischen einem Hydraulikkörper 23 und einem Membrankörper 22 eingespannt ist. Die Membran unterteilt die kalottenförmige Kavität in einen Förderraum 9 und einen Hydraulikraum 8. Die Membran 1 ist über eine Schraubverbindung mit einem Bolzen verbunden, der mit Hilfe eines Federelementes 10 in den Hydraulikkörper gezogen wird. Mit anderen Worten übt das Federelement 10 eine Kraft in Richtung des Hydraulikraums 8 auf die Membran 1 aus.
Der Förderraum 9 ist mit einem Sauganschluss (nicht gezeigt) und einem Druckanschluss (nicht gezeigt) über entsprechende Ventile verbunden. Die Membran 1 kann über den Kanal 24 mit einem oszillierenden Hydraulikdruck beaufschlagt werden. Steigt der Druck im Kanal 24, so wird die Membran 1 in Figur 1 nach links bewegt, d.h. der Förderraum 9 wird verkleinert. Darin eventuell befindliches Fördermedium wird dann über das Ventil aus dem Druckanschluss ausgestoßen. Wrd dann der Druck im Kanal 24 reduziert, so wird das Federelement 10 dafür sorgen, dass die Membran zurück in den Hydraulikraum gezogen wird. Der Druck im Förderraum 9 wird abfal- len bis er geringer ist als der am Sauganschluss anliegende statische Druck. Dann wird über den Sauganschluss Fördermedium in den Förderraum 9 zugeführt.
Durch die periodische Bewegung der Membran wird daher periodisch aus dem Sauganschluss Fördermedium angesaugt und über den Druckanschluss bei höherem Druck ausgegeben.
Die Membran wird zwischen den Einspannrändern 1 1 , 12 gehalten. Aufgrund der Federelement 10 kann es zu einer Ausbeulung der Membran 1 kommen.
Während des Betriebes kann unter Umständen Arbeitsflüssigkeit aufgrund nicht zu vermeidender Lecks über dem Kolben, der den pulsierenden Arbeitsflüssigkeitsdruck erzeugt, entweichen. Um sicherzustellen, dass immer die ausreichende Menge Arbeitsflüssigkeit im Hydraulikraum 8 vorhanden ist, ist ein Leckergänzungsventil 6 vorgesehen, über das der Hydraulikraum 8 mit einem Arbeitsflüssigkeitsvorrat verbunden ist. Dieses Leckergänzungsventil 6 weist eine kleine Kugel 16 auf, die in einen Ventilsitz mittels einer Feder 17 gedrückt wird. Über die Feder 17 des Leckergänzungsventils 6 wird ein Einstelldruck pL festgelegt. Unterschreitet der Druck im Hydraulikraum 8 diesen Einstelldruck pL, so hebt die Kugel des Leckergänzungsventils vom Ventilsitz ab und zusätzliche Arbeitsflüssigkeit kann vom Arbeitsflüssigkeitsvorrat 15, der im Allgemeinen unter Atmosphärendruck (1 bar) steht, in den Hydraulikraum 8 strömen, bis der Druck im Hydraulikraum 8 über den Einstelldruck pL angestiegen ist, da dann die Feder des Leckergänzungsventils 6 die Kugel wieder in den Ventilsitz drückt und damit den Ventildurchgang verschließt.
Bei der gezeigten Ausführungsform ist im Hydraulikelement 23 eine Öffnung vorgesehen, die mit Hilfe der Kappe 21 verschlossen werden kann. Nimmt man die Kappe 21 vom Hydraulikkörper ab, so kann auf das Federelement 10 zugegriffen werden. Dadurch kann das Federelement leicht ausgetauscht oder neu eingestellt werden, um sicherzustellen, dass über das Federelement 10 möglichst wenig Kraft auf die Membran 1 aufgebracht wird, zugleich jedoch sichergestellt wird, dass das Leckergänzungsventil 6 nur im Bedarfsfalle öffnet.
Diese leichte Zugänglichkeit wird ermöglicht, da die pulsierende Arbeitsflüssigkeit über den Kanal 24 zugeführt wird, während diese im Wesentlichen im 90° Winkel zur Kraftrichtung des Federelementes 10 angeordnet ist. In Figur 2 ist graphisch der Druck im Hydraulikraum während des Saughubes über der Zeit aufgetragen. Zu Beginn des Saughubes entspricht der Druck im Hydraulikraum in etwa dem Druck, mit dem die Pumpe das Fördermedium aus dem Druckanschluss ausgibt. Dieser Druck ist deutlich höher als der statische Druck der Saugleitung. Es versteht sich, dass der Druck im Hydraulikraum zusätzlich über die Rückholfeder 10 bestimmt wird.
Der Saughub beginnt, wenn der Kolben zur Erzeugung des pulsierenden Arbeitsflüssigkeits- drucks zurückbewegt wird. Dies führt zunächst dazu, dass sich der Druck im Hydraulikraum langsam reduziert und da der Druck im Förderraum größer ist, wird sich die Membran nach rechts, d.h. in Richtung des Hydraulikraums bewegen. Dabei wird der Druck im Förderraum langsam abfallen, bis er den statischen Druck am Sauganschluss pSo erreicht. Wenn der Druck noch weiter abfällt, wird das entsprechende Rückschlagventil, das den Förderraum mit dem Sauganschluss verbindet, öffnen und Fördermedium wird über den Sauganschluss nachströmen. In dem Moment, in dem der Druck im Förderraum somit den statischen Druck am Sauganschluss erreicht, kommt es in der Saugleitung zu einer abrupten Geschwindigkeitsänderung des Fluids. Diese Geschwindigkeitsänderung AV führt zu dem sogenannten Joukowsky-Stoß ApST = p x a x AV, wobei p die Dichte des Fördermediums und a die Wellenfortpflanzungsgeschwindigkeit im flüssigkeitsgefüllten Saugrohr ist. Dieser Joukowsky-Stoß im Förderraum führt zu einem Druckstoß im Hydraulikraum, da die beiden Räume über die Membran verbunden sind. Die dadurch ausgelöste hochfrequente schnell abklingende Druckschwingung kann für die folgende Überlegung zunächst vernachlässigt werden.
Durch das Zurückbewegen des Kolbens sinkt der Druck im Hydraulikraum ab. Mit Hilfe des Fe- derelementes 10 muss daher auf die Arbeitsflüssigkeit im Hydraulikraum genügend Kraft ausgeübt werden, so dass der Druck im Hydraulikraum nicht unter dem Einstelldruck des Leckergänzungsventils absinkt, da ansonsten das Leckergänzungsventil öffnen würde und zusätzliche Arbeitsflüssigkeit in den Hydraulikraum zuführen würde. Die bekannten Membranpumpen werden daher mit entsprechenden Rückholfedern 10 ausgestattet, die sicherstellen, dass in allen Fällen der Druck im Hydraulikraum größer als der Einstelldruck ist. Da der Druck im Förderraum nicht kleiner als null werden kann und der Druck im Arbeitsflüs- sigkeitsvorrat typischerweise unter Atmosphärendruck (1 bar) steht, werden die Federn so gewählt, dass sie selbst am Ende des Saughubes, d.h. wenn die Feder die Membrane bis an ihren Umkehrpunkt im Hydraulikraum gezogen hat, größer als 1 bar ist. Damit ist sichergestellt, dass selbst im ungünstigsten Fall kein unplanmäßiges Öffnen des Leckergänzungsventils auftritt.
Erfindungsgemäß wird nun jedoch vorgesehen, dass die durch die Rückholfeder 10 auf die Membran aufgebrachte Kraft einstellbar ist, da die Membranpumpen üblicherweise in einer Um- gebung eingesetzt werden in der am Sauganschluss ein statischer Druck pSo anliegt, welcher größer als null ist. Je nach dem, welcher Druck hier anliegt, kann daher die Federkraft reduziert werden, um zu verhindern, dass die Membran unnötig stark durch das Federelement 10 in den Hydraulikraum gezogen wird. Je geringer die eingestellte Kraft, umso länger ist die Lebensdauer der Membran. Zudem kann dann der Antrieb der Pumpe ebenfalls reduziert werden, da er nun gegen eine geringere Federkraft des Federelementes 10 arbeiten muss.
Durch das erfindungsgemäße Einstellen der durch das Federelement 10 auf die Membran aufgebrachten Kraft, kann somit der Energieverbrauch der Membranpumpe deutlich reduziert werden. Soll zu einem späteren Zeitpunkt die Membranpumpe an einen anderen statischen Druck auf der Saugleitung angepasst werden, muss lediglich das Federelement 10 eingestellt oder durch ein anderes ersetzt werden.
Durch die erfindungsgemäße Gestaltung, ist dies ohne großen Aufwand möglich.
Wie bereits Eingangs erwähnt wurde, sinkt nach einer gewissen Zeit ab Beginn des Saughubes s der Druck pH im Hydraulikraum schlagartig für ein kurzes Zeitintervall (Δρδτ) ab. Kurz darauf steigt er wieder stark an, so dass sich eine hochfrequente, schnell abklingende Druckschwingung ergibt (Joukowsky-Stoß). Man erkennt sofort, dass der Druckstoß maximal zu einer Absenkung auf p = 0 führen kann. Tatsächlich wird jedoch der Druck im Hydraulikraum nicht auf null, sondern auf einen Minimaldruck pmin absinken, der durch die Betriebsparameter und den Aufbau der Membranpumpe vorgesehen ist.
Durch dieses kurzzeitige Absinken des Druckes kann der Druck unter den Einstelldruck pL fallen, so dass das Leckergänzungsventil öffnet.
Um ein Öffnen bei dem bis pmin abfallenden Druckstoß zu verhindern, ist es daher im Stand der Technik üblich, den Einstelldruck des Leckergänzungsventils pL < pmin zu wählen. Dies hat jedoch zur Folge, dass am Ende des Saughubes entsprechend konstruktive Maßnahmen ergriffen werden müssen, um sicherzustellen, dass der Einstelldruck des Leckergänzungsventils dann tatsächlich unterschritten wird, wenn zu wenig Arbeitsflüssigkeit im Hydraulikraum enthalten ist. Dies erhöht die Kosten der Membranpumpe.
Daher wird vorgeschlagen, die Masse des Schließelementes des Leckergänzungsventils zu erhöhen, so dass ein Druckstoß während einer Zeitdauer von bis zu 1 ms nicht ausreicht, den Schließkörper um mehr als 0,1 mm zu bewegen. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme kann jedoch der Einstelldruck pL deutlich größer als pmin gewählt werden, solange pL kleiner ist als ein mittlerer Druck pm im Hydraulikraum.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Druckstoß nur während eines sehr kurzen Zeitintervalls Ats < 1 Millisekunde auftritt.
Die Masse des Schließkörpers wird erfindungsgemäß derart groß gewählt, dass ein solcher Druckstoß nur zu einem Hub von weniger als 0,2 mm bzw. vorzugsweise weniger als 0, 1 mm führt. Ein entsprechendes Leckergänzungsventil ist in Figur 3 dargestellt.
Dieses Leckergänzungsventil weist einen in einem Ventilkörper 18 aufgenommenen Schließkörper 16 auf, welches ein Schließelement 20 aufweist, das in der Schließstellung einer Bohrung im Ventilkörper 18 verschließt, so dass die Leitung zum Arbeitsflüssigkeitsvorrat 19 von dem Hyd- raulikraum 8 getrennt ist. Der Schließkörper wird mit Hilfe eines Federelementes 17 in die Schließstellung vorgespannt, die in Figur 3 gezeigt ist. Der Druck der Arbeitsflüssigkeit im Arbeitsflüssigkeitsvorrat und damit auch der Druck in der Leitung 19 bleiben im Wesentlichen konstant. Wenn der Druck im Hydraulikraum 8 unter den Einstelldruck pL, der im Wesentlichen durch die Feder 17 vorgegeben wird, absinkt, so wird der Schließkörper 16 in der Figur 3 gezeigten Position nach oben bewegt, so dass eine Verbindung zwischen der Leitung 19 und dem Hydraulikraum 8 geöffnet wird. Grundsätzlich geht man davon aus, dass wenn sich der Schließkörper lediglich um 0,2 Millimeter bewegt, dass der Spalt zwischen Ventilkörper 18 und Schließelement 20 nicht ausreicht, um eine nennenswerte Menge an Arbeitsflüssigkeit durch die Leitung 19 in den Hydraulikraum abzugeben. Der Hubweg des Schließkörpers As berechnet sich zu:
At2
As = b . (1)
2
Dabei ist At die Dauer des Druckstoßes und b die Beschleunigung, der der Schließkörper auf- grund des Druckstoßes unterlegt. Die Beschleunigung berechnet sich zu b = F/m, (2) wobei F die Kraft auf den Schließkörper ist und m die Masse des Schließkörpers. Es ergibt sich somit:
F At2
As = - ■— (3)
m 2
bzw.
At2
m =— - ■ F. (4)
2As
Geht man davon aus, dass der Druckstoß nicht länger als 1 Millisekunde andauert, d. h. Ats = 1 Millisekunde, dass die Bewegung des Schließkörpers maximal 0,1 mm sein soll, d. h. Ass = 0, 1 mm, und dass der Druckstoß eine Druckverringerung auf 0 bar bewirkt, d. h. der Druckstoß hat die Größe des Einstelldruckes pL, z. B. 0,7 bar, so ergibt sich bei einem Durchmesser des Schließelementes von 8 mm, d. h. einer entsprechenden Fläche von ungefähr 0,5 cm2: F = pL - A = 0,7 - 10■ 0,5 = 3,5 N (5) und somit
1(T4
m = 3,5■ j = 1 ,75 - 10"2 kg = 17,5g . (6)
2- 10
Im gezeigten Beispiel muss daher die Masse des Schließkörpers mindestens 17,5 g betragen, um eine Bewegung des Schließkörpers um mehr als 0,1 mm zu verhindern. Wird die Masse des Schließkörpers derart groß gewählt, so kann selbst ein Druckstoß auf 0 bar den Schließkörper nicht soweit bewegen, dass eine nennenswerte Menge Arbeitsflüssigkeit in den Hydraulikraum austritt.
Das beschriebene Verfahren kann noch verbessert werden, wenn man berücksichtigt, dass der Druckstoß im Allgemeinen nicht zu einer Druckabsenkung auf 0 bar, sondern lediglich auf einen minimalen Druck pmin führt. In der oben genannten Gleichung (5) kann dann statt dem Einstelldruck pL die Differenz pL - pmin zwischen dem Einstelldruck pL und dem minimalen Druck pmin aufgrund des Druckstoßes verwendet werden, wodurch die Masse noch weiter reduziert werden kann. Alternativ dazu kann der Einstelldruck pL erhöht werden, wodurch die Feder 17 schwächer ausgelegt werden kann, was die Handhabung der Pumpe vereinfacht.
Bezugszeichenliste
Membran
Leckergänzungventil
Hydraulikraum
Förderraum
Federelement
Einspannräder
Arbeitsflüssigkeitsvorrat
Kugel
Feder
Ventilkörper
Leitung
Schließelement
Kappe
Membrankörper
Hydraulikkörper
Kanal

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Membranpumpe mit
einem Förderraum,
einem Druck- und einem Sauganschluss,
wobei Druck- und Sauganschluss mit dem Förderraum verbunden sind,
einem Hydraulikraum,
wobei Förderraum und Hydraulikraum über eine Membran voneinander getrennt sind, wobei der mit einer Arbeitsflüssigkeit befüllbare Hydraulikraum mit einem pulsierenden Arbeitsflüssigkeitsdruck beaufschlagt werden kann,
wodurch die Membran zwischen einer ersten Position, in der der Förderraum ein kleineres Volumen aufweist, und einer zweiten Position, in der der Förderraum ein größeres Volumen aufweist, bewegt wird,
wobei der Hydraulikraum über ein Leckergänzungsventil mit einem Arbeitsflüssigkeitsvor- rat verbunden ist,
wobei die Membran ein Federelement mit einer ersten Federkonstante aufweist, welches derart ausgelegt ist, dass es eine erste vorbestimmte Kraft auf die Membran in Richtung der zweiten Position ausübt, dadurch gekennzeichnet, dass
das Federelement gegen ein anderes Federelement, welches derart ausgelegt ist, dass es eine zweite vorbestimmte Kraft auf die Membran in Richtung der zweiten Position ausübt, ausgetauscht werden kann oder dass die Kraft, die das Federelement auf die Membran in Richtung der zweiten Position ausübt, einstellbar ist.
Membranpumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement von der Membran abmontierbar ist.
Membranpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hydraulikkörper und ein Membrankörper vorgesehen sind, zwischen denen die Membran eingespannt ist, so dass der Hydraulikraum im Hydraulikkörper und der Förderraum im Membrankörper angeordnet ist, wobei der Hydraulikkörper eine in Kraftrichtung des Federelementes angeordnete verschließbare Öffnung aufweist, durch die das Federelement ausgetauscht oder dessen Federkonstante eingestellt werden kann.
Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die pulsierende Arbeitsflüssigkeit über einen Kanal in den Hydraulikraum zugeführt wird, wobei der Kanal zumindest im Bereich seiner Einmündung in den Hydraulikraum derart ausgerichtet ist, dass er mit der Kraftrichtung des Federelementes einen Winkel α einschließt, der > 0°, vorzugsweise > 45° besonders bevorzugt > 70 ° und am besten etwa 90° beträgt.
Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydraulikraum über ein Leckergänzungsventil mit einem Arbeitsflüssigkeitsvorrat verbunden ist, wobei das Leckergänzungsventil einen zwischen einer Schließstellung, in welcher der Ventildurchgang geschlossen ist, und einer Offenstellung, in welcher der Ventildurchgang geöffnet ist, hin- und her bewegbaren Schließkörper aufweist, welcher mit Hilfe eines Druckelementes in der Schließstellung gehalten wird, wobei das Druckelement derart ausgelegt ist, dass wenn der Druck im Hydraulikraum kleiner als ein Einstelldruck pL ist, der Schließkörper sich in Richtung der Offenstellung bewegt.
Membranpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Druckelement des Leckergänzungsventil und Federelement der Membran derart ausgebildet und angeordnet sind, dass zu jeder Zeit die Summe aus dem Hydraulikraumdruck pH und dem durch Federelement auf die Arbeitsflüssigkeit aufgebrachte Kraft pFv größer als der Einstelldruck pL ist.
Membranpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse des Schließkörpers (16) so groß ist, dass sich der Schließkörper (16) bei einem nicht länger als 1 Millisekunde andauernden Druckabfall auf 0 bar aufgrund eines Druckstoßes im Hydraulikraum (8) um nicht mehr als 0,2 mm vorzugsweise um nicht mehr als 0,1 mm in Richtung der Offenstellung bewegt.
Verfahren zum Einstellen einer Membranpumpe einem Förderraum,
einem Druck- und einem Sauganschluss,
wobei Druck- und Sauganschluss mit dem Förderraum verbunden sind,
einem Hydraulikraum,
wobei Förderraum und Hydraulikraum über eine Membran voneinander getrennt sind, wobei der mit einer Arbeitsflüssigkeit befüllbare Hydraulikraum mit einem pulsierenden Arbeitsflüssigkeitsdruck beaufschlagt werden kann,
wodurch die Membran zwischen einer ersten Position, in der der Förderraum ein kleineres Volumen aufweist, und einer zweiten Position, in der der Förderraum ein größeres Volumen aufweist, bewegt wird,
wobei der Hydraulikraum über ein Leckergänzungsventil mit einem Arbeitsflüssigkeitsvorrat verbunden ist, wobei die Membran ein Federelement mit einer ersten Federkonstante aufweist, welches derart ausgelegt ist, dass es eine Kraft auf die Membran in Richtung der zweiten Position ausübt,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Federkonstante derart ausgewählt wird, dass für den durch das Federelement über die Membran auf die Arbeitsflüssigkeit aufgebrachten Druck pFv gilt: pw > pA - pSo > wobei pA der Atmosphärendruck und pSo der statische Druck am Sauganschluss ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement derart ausgewählt wird, dass für den durch das Federelement auf die Arbeitsflüssigkeit aufgebrachten Druck PFV gilt: pA > pw > pA - pso , wobei pA der Atmosphärendruck ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Membranpumpe verwendet wird, bei welcher der Sauganschluss über ein Rückschlagventil mit dem Förderraum verbunden ist, wobei das Rückschlagventil derart ausgelegt ist, dass es bei einer
Druckdifferenz ίψ8ν zwischen dem Druck am Sauganschluss und dem Druck in der Förderkammer öffnet, wobei das Federelement derart ausgewählt wird, dass für den durch das Federelement auf die Arbeitsflüssigkeit aufgebrachten Druck pFv gilt:
PA > PFV > PA - Pso + &Psv
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