DE3112434A1

DE3112434A1 - Druckluftgetriebene doppelmembran-pumpe

Info

Publication number: DE3112434A1
Application number: DE19813112434
Authority: DE
Inventors: Dirk 4052 Korschenbroich Budde
Original assignee: Depa 4000 Duesseldorf GmbH; DEPA GmbH
Current assignee: Crane Process Flow Technologies GmbH
Priority date: 1981-03-28
Filing date: 1981-03-28
Publication date: 1982-10-07
Also published as: DE3112434C2; US4406596A; JPS57188788A

Description

drying. Ernst Stratmann

PATENTANWALT
D-4000 DÜSSELDORF 1 · SCHADOWPLATZ 9

!Düsseldorf, 27. März 1981

VNR 109126
8106

DEPA GmbH

4000 Düsseldorf

Druckluftgetriebene Doppelmembran-Pumpe

Die Erfindung betrifft eine druckluftgetriebene Doppelmembran-Pumpe, bestehend aus einem Pumpengehäuse mit zwei mit Abstand nebeneinander angeordneten Gehäusekammern, die jeweils eine Membraneinrichtung aufweisen und von dieser in eine Pumpenkammer und eine Luftkammer aufgeteilt sind, wobei die Luftkammern der beiden Gehäusekammern zueinander ausgerichtet sind und zwischen sich eine Druckluft-Umsteuereinrichtung aufweisen, die den beiden Luftkammern Druckluft zuführt und die Luftkammern wechselweise entlastet, wobei die Pumpenkammern über Ventileinrichtungen mit einem Saugstutzen und einem Druckstutzen in Verbindung stehen, über die das zu fördernde Gut in die Pumpenkammer aufgrund der durch die Druckluft erzeugten Membranbewegung eingesaugt bzw. aus der Pumpenkammer herausgedrückt wird, wobei die Druckluft-ümsteuereinrichtung einen Hauptventil-Steuerkolben zur Umsteuerung der Luftkammerverbindungswege besitzt.

Derartige druckluftgetriebene Doppelmembran-Pumpen sind bereits in verschiedener Ausführungsform bekannt.

Postscheck: Berlin west (BLZ 100 100 10) 132736-109 · deutsche bank (B LZ 300 7O 010) 6160253

So zeigt die Informationsschrift LP 004 der Anmelderin eine Membranpumpe der in Fig. 1 dargestellten Art. Derartige Druckluft-MembranpY^.pen sind besonders für rauhen Pumpenbetrieb geeignet/ also beispielsweise zum Fördern von Schlämmen, Pasten, Pulvern u. dgl. Der Vorteil derartiger Membranpumpen liegt darin, daß sie keine rotierenden Teile und keine Wellenabdichtungen benötigen und völlig trockenlauffest sind. Membranpumpen dieser Art sind selbstansaugend und können wahlweise im Über- und Unterwasser-Betrieb eingesetzt werden. Insbesondere ist aber auch ein Betrieb gegen geschlossene Druckleitungen ohne zusätzliches Überström-Ventil möglich.

Durch den Druckluftantrieb werden separate Antriebseinrichtungen mit den dann erforderlichen Grundplatten und Kupplungen entbehrlich. Membranpumpen der oben geschilderten Art sind besonders kompakt und leicht zu transportieren und unabhängig von anderen Energiequellen, wie insbesondere elektrischer Energie , einsetzbar.

Da keine engtolerierten gleitenden oder rotierenden Teile notwendig sind und die Bewegungsgeschwindigkeiten niedrig liegen, können auch abrasive,viskose und scherempfindliehe Medien ohne Schwierigkeiten gefördert werden.

Durch Änderung der Luftmenge der zugeführten Betriebs-Druckluft läßt sich die Pumpe auch auf einfache Weise regeln, ohne daß dazu teure und komplizierte Reglerantriebe notwendig wären.

Problematisch war allerdings bisher noch die Druckuft-Umsteuerungseinrichtung, die in Fig. 2 dargestellt ist. Der gemäß der Fig. bei der bekannten Einrichtung benutzte Ventil-Steuerkolben arbeitet als Zwei-Stellungs-Ventil, das entweder der in Fig. 1 links dargestellten Lufkammer über den Auslaß mit der freien Atmosphäre verbindet, oder aber nach Umschaltung die rechte Luftkammer entlastet.

Die jeweils abrupte Entlastung führt zu starken Strömungsgeräuschen und damit zu einem recht lauten Arbeiten der Membranpumpe. Ein weiterer umweltbelastender Umstand ist die Tatsache, daß der Arbeitsluft aus dem Ölbehälter aufgedrückte ölnebel zur Schmierung des Kolbens als störende Beimengung der Abluft zu einer Verschmutzung der Umgebung der Membranpumpe im Bereich des Auslasses führen kann, es sei denn, daß teure Auffang- und Filtereinrichtungen vorgesehen werden. Schließlich ergibt sich bei bestimmten Stellungen des Ventil-Steuerkolbens ein direkter Weg von unter Arbeitsdruck stehenden Luftbereichen mit den unter atmosphärischen Druck stehenden Bereichen der Druck-Umsteuereinrichtung, so daß in diesen Stellungen ein ungewünschter Druckluftverlust eintritt.

Druckluftverluste treten im übrigen auch durch die nicht beliebig zu verkleinernden Toleranzen zwischen Kolben und Gehäuse auf, die trotz der Ölschmierung den Durchtritt von Druckluft nicht ganz verhindern können.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß die in den Fig. 1 und 2 dargestellte bekannte druckluftgetriebene Doppelmembran-Pumpe zwar außerordentlich einfach aufgebaut und sehr robust ist, aber einen recht schlechten Wirkungsgrad besitzt und zudem die Umwelt durch Geräusch und ölnebel stark belastet.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Doppelmenbran-Pumpe der eingangs genannten Art, bei der die Druckluft-Umsteuereinrichtung so ausgestaltet wird, daß die oben geschilderten Nachteile vermieden werden.

Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß der Hauptventil-Steuerkolben über ein pneumatisch arbeitendes Pilotsteuersystem mit einem Pilotventil-Steuerkolben angetrieben wird^ wobei der Pilotventil·Steuerkolben seinerseits von der Bewegung der Membraneinrichtungen betätigt wird.

Durch diese Anordnung ergibt sich zum einen eine gewünschte und die direkte Verbindung zwischen Arbeitsluft und Außenluft verhindernde Schleusenwirkung, zum anderen läßt sich die Umsteuerung des Hauptventil-Steuerkolbens in einer solchen Weise verzögern, daß durch entsprechende weitere Maßnahmen, die in den Unteransprüchen gelehrt werden, ein Druckausgleich zwischen den beiden Luftkammern sich ergibt. Durch diesen Druckausgleich, der beim Stand der Technik nicht erreichbar war, ergibt sich zum einen eine Verbesserung des Wirkungsgrades, und zwar dadurch, daß der unvermeidliche Totraum in den Luftkammern nicht von der Arbeitsluft selbst, sondern von der Entlastungsluft der jeweils anderen Luftkammer beaufschlagt wird, bevor durch den Hauptventil-Steuerkolben die Luftkammer mit der Arbeitsluft in Verbindung gebracht wird. Des weiteren wird auch durch den Druckausgleich die Geräuschentwicklung, die sich insbesondere am Auslaß zeigt, erheblich verringert.

Durch die erfindungsgemäße Konstruktion wird es möglich, statt Metall-Metall-Dichtungsflächen Kunststoff-Metall-Dichtungsflächen zu verwenden, so daß eine Schmierung mit ölnebel entbehrlich wird.

Dies verhindert nicht nur die Umweltbelastung durch ölnebel, auch die Luftverluste durch Toleranzen zwischen Ventilkolben und Ventilgehäuse lassen sich weitgehend ausschalten, da die Metall-Kunststoff-Dichtungen viel dichter sind als die Metall-Metall-Dichtungsflächen.

Auch auf diese Weise läßt sich somit der Wirkungsgrad erfindungsgemäß verbessern.

Infolge der durch den Druckausgleich verringerten Druckentlastung beim Ablaßvorgang verringert sich im übrigen auch die Vereisungsgefahr am Luftaustritt, so daß gegenüber Pumpen des Standes der Technik mit erhöhter Leistung ohne größere Vereisungsgefahr gearbeitet werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in den Zeichnungen dargestellt ist.

Es zeigt:

Fig. 1 in einer Schnittansicht eine bekannte

Doppelmembran-Pumpe;

Fig. 2 eine herkömmliche Druckluft-Umsteuerein

richtung, wie sie bei einer Doppelmembran-Pumpe gemäß Fig. 1 verwendet werden kann;

Fig. 3 eine mit der Doppelmembran-Pumpe gemäß Fig.

anwendbare, erfindungsgemäß verbesserte Druckluft-Umsteuereinrichtung in einer Längsschnittansicht, die durch den Hauptventil-Steuerkolben gelegt ist;

Fig. 3a - 3c die wesentlichsten Teile der in Fig. 3 dargestellten Umsteuereinrichtung als einzelne Teile, wobei die Fig. 3b neben einem Axialschnitt noch verschiedene Radialschnitte des in Fig. 3b dargestellten Teils wiedergibt;

Fig. 4 eine durch die Pilotventilachse verlaufende

Schnittansicht durch die neuartige Umsteuereinrichtung, wobei der Schnitt längs der Linie IV-IV der Fig. 3 gelegt ist;

Fig. 5 einen gleichfalls durch die Pilotventilachse

verlaufenden Schnitt, jedoch senkrecht zu dem Schnitt der Fig. 4, wobei dieser Schnitt längs der Linie V-V der Fig. 3 verläuft;

Fig. 5a - 5c die einzelnen Teile der in Fig. 5 dargestellten Anordnung, wobei die Schnittansicht

— Q —

der Fig. 5a auch entlang der Linie Va-Va der Fig. 8 entspricht;

Fig. 6 eine zum Schnitt der Fig. 5a parallele

Schnittansicht längs der Linie VI-VI der Fig. 9;

Fig. 7 eine zum Schnitt der Fig. 6 parallele

Schnittansicht längs der Linie VII-VII der Fig. 9;

Fig. 8 eine Seitenansicht auf die erfindungsge

mäße Druckluft-Umsteuereinrichtung von rechts gemäß Fig. 4 in Richtung der Pfeile VIII-VIII;

Fig. 9 eine Seitenansicht von links gemäß Fig. 4

in Richtung der Pfeile IX-IX; und

Fig. 10 in einer schematisierten Darstellung drei

verschiedene Arbeitsstellungen des Hauptventils zur Erläuterung der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Druckluft-Umsteuereinrichtung.

In Fig. 1 ist in einer etwas schematisierten Schnittansicht eine herkömmliche druckluftgetriebene Doppelmembran-Pumpe 10 dargestellt, bestehend aus einem Pumpengehäuse 12 mit zwei mit Abstand nebeneinander angeordneten Gehäusekammern 14, die jeweils eine Membran 16 aufweisen und von dieser in eine Pumpenkammer 18 und eine Luftkammer 20 aufgeteilt sind, wobei, wie ohne weiteres ersichtlich, die beiden Luftkammein 20 zueinander ausgerichtet sind und zwischen sich eine Druckluft-Umsteuereinrichtung 22 aufweisen, die von oben zugeführte, unter Druck stehende Arbeitsluft, siehe Pfeil 24, den beiden Luftkammern 20 (Pfeil 26) zuführt.

Die Pumpenkairanern stehen über Kugelventileinrichtungen 30 mit einem gemeinsamen Saugstutzen 32 in Verbindung/ der seinerseits an einen das zu fördernde Medium liefernden Vorratsbehälter angeschlossen ist, sowie über ein weiteres Ventil 28 mit einem wiederum gemeinsamen Druckstutzen 34, der mit der Einrichtung in Verbindung steht, der das zu fördernde Gut geliefert werden soll.

Die Membraneinrichtungen 16 umfassen jeweils ringförmige Membranstützplatten 36, die jeweils auf dem Ende eines Membrankolbens 38 aufgeschraubt sind und zwischen sich druckdicht eine ringförmige, aus nachgiebigen Material bestehende Membran 40 an ihrer inneren Umrandung halten, während die äußere Umrandung des ringförmigen Membranteils 40 zwischen den Rändern von entsprechend geformten Teilen des Pumpengehäuses 12 druckdicht gehalten wird.

In Fig. 2 ist in größeren Einzelheiten die bei der Doppelmembran-Pumpe gemäß Fig. 1 verwendete Durckluft-Umsteuereinrichtung 22 dargestellt, die aus einem mit dem Pumpengehäuse 12 verschraubbaren Luftsteuerventilgehäuse 42 besteht, das einen Einlaß 44 für Arbeitsluft und einen Auslaß 46 für Abluft aufweist. Der Auslaß 46 mündet in einen Schalldämpfer 48, der zumindest einen Teil des Strömungsgeräusches der austretenden Druckluft dämpfen soll.

Das bekannte Luftsteuerventilgehäuse gemäß Fig. 2 besitzt einen Ölbehälter 50, und die am oberen Ende eines in diesen Ölbehälter hineinreichenden Rohrs vorbeiströmende Arbeitsluft saugt aus dem Ölbehälter 50 öl an und zerstäubt dieses, so daß die dann in die Umsteuereinrichtung eintretende Arbeitsluft feine öltröpfchen mitführt, die zur Schmierung der beweglichen Teile des Luftsteuerventilgehäuses dienen. Diese beweglichen Teile umfassen einen Metall-Kolben 52, der in einem entsprechenden, vom Gehäuse 42 gebildeten und aus Metall bestehenden Zylinder zwischen zwei Endstellungen hin und her verschieblich ist.

In der in Fig. 2 dargestellten Stellung gelangt Arbeitsluft längs der Strömungsrichtung des Pfeiles 26 der Fig. 1 in die rechte Lufkammer 20 auf der Rückseite der Memebraneinrichtung 40, woraufhin die Luft die Membran nach außen in die gestrichelt dargestellte Stellung drückt und damit das Fördergut aus der Pumpenkammer 18 über das obere Kugelventil 28 in den Druckstutzen 34 fördert.

Gleichzeitig wird die andere Membran auf der linken Seite nach innen gezogen und damit neues Produkt aus dem Saugstutzen 32 durch das untere, links dargestellte Kugelventil 30 in die linke Pumpenkammer 18 gesaugt. Während dieser Zeit ist die linke Luftkammer über einen Kanal mit dem Auslaßraum 64 verbunden, welcher Kanal durch entsprechende Durchbrüche im Luftsteuerventilgehäuse 42, bezeichnet mit der Bezugszahl 60 und 62, zu je einer entsprechenden Durchbruchsbrücke 58 gebildet wird, die sich innerhalb des Kolbens 52 befindet. Gleichzeitig wird auch der oberhalb des Kolbens 52 befindliche Raum 66 entlüftet, so daß trotz diesem Raum über schmale Düsen zugeführter unter Druck stehender Arbeitsluft der Kolben auf dieser Seite entlastet wird. Die untere Seite des Kolbens 52 ist dagegen nicht entlüftet, so daß dort die zugeführte Arbeiteluft zu einem Druckaufbau führt und schließlich den Kolben 52 aus der in Fig. 2 dargestellten Stellung weg und nach oben bewegt, wodurch nunmehr die im Kolben 52 vorhandene Verbindung 58 die Durchbrüche 68 und 56 überbrückt und damit die rechte Luftkammer mit dem Auslaßraum 64 verbindet. Gleichzeitig wird die entsprechende Verbindung der linken Luftkammer mit dem Ablaßraum 64 unterbrochen, wodurch sich nunmehr in der linken Luftkammer aufgrund der Arbeitsluft Druck aufbauen kann, so daß sich der Arbeitszyklus in umgekehrter Richtung wiederholt.

Das bekannte Luftsteuerventil versorgt somit beide Luftkammern unter allen Betriebsbedingungen und in jeder beliebigen Stellung der Membranen mit Arbeitsluft. Die Membranbewegung erfolgt jeweils durch Entlüftung der Luftkammer.

Dieser Aufbau des Luftsteuerventils erfordert lediglich einen beweglichen Kolben, der in Fig. 2 mit der Bezugszahl 5-2 versehen ist. Diesem einfachen Aufbau steht als Nachteil natürlich die Tatsache entgegen, daß der Verbrauch an Druckluft sehr hoch ist, wie eingangs bereits dargelegt. Außerdem muß der Kolben 52 durch ölnebel geschmiert werden, den die eintretende Arbeitsluft aus dem Ölbehälter 50 mitzieht.

In Fig. 3 ist in einem Längsschnitt eine erfindungsgemäß verbesserte Druckluft-Umsteuereinrichtung in einer Längsschnittansicht dargestellt, die im wesentlichen der Schnittansicht der Fig. 2 entspricht, also durch die Achse des Hauptventil-Steuerkolbens 52 gelegt ist und gleichzeitig den die beiden Membraneinrichtungen 60 starr miteinander verbindenden Membrankolben 38 senkrecht schneidet.

Auch die neuartige Druckluft-Steuereinrichtung 22 umfaßt ein Luftsteuerventilgehäuse 42 mit einem Einlaß 44 für Zuluft und einem Auslaß 46 für Abluft. Ein Schalldämpfer kann auch hier vorgesehen sein, jedoch ist er wegen des erfindungsgemäß wesentlich geringeren Strömungsgeräusches der Druckluft nicht unbedingt erforderlich. Auch ein Ölbehälter fehlt hier, da der Kolben 52 in seinem Zylinder 54 so gelagert ist, daß keine Reibung Metall-Metall mehr auftritt, wie noch erläutert wird.

Die in Fig. 3 dargestellte Druckluft-Umsteuereinrichtung 22 besitzt nun neben dem Hauptventil-Steuerkolben, der an sich wie beim Stand der Technik durch Druckluft angetrieben wird, ein der Steuerung dieser Druckluft dienendes pneumatisch arbeitendes Pilotsteuersystem, bestehend aus einem Pilotventil-Steuerkolben 70, der gemäß Fig. 3 senkrecht zum Hauptventil 52 angeordnet ist, so daß er parallel zum Membrankolben 38 liegt und so auf sehr einfache Weise mechanisch von der Bewegung beispielsweise der Membranstützplatten oder Membranteller 36 betätigbar ist.

Dies ist in Fig. 4 deutlicher zu erkennen, die eine Schnittansicht durch den Membrankolben 38 und das tfilotventil 70 gemäß der Linie IV-IV in der Fig. 3 wiedergibt. Die in Fig. 4 dargestellte Ansicht entspricht also im wesentlichen der der Fig: 1, so daß auch hier die Membran 40 sichtbar wird, die von Membrantellern 36 mittels einer Schraube 72 am Ende des Membrankolbens 38 befestigt ist. Das Ende des Membrankolbens 38 trägt außerdem einen Anschlagteller 74, dessen innere Ringfläche 76 mit dem Stirnende des Pilotventil-Steuerkolbens 70 in Berührung kommt und diesen in die jeweils andere Stellung verschiebt, sobald der Membrankolben 38 in seine jeweilige Endstellung gelangt. Gemäß Fig. 4 ist es die am weitesten rechts liegende Stellung, in der der Pilotkolben 70 nach rechts verschoben wird, wie dargestellt. Der Pilotventil-Steuerkolben 70 ist derart geformt, daß er in dieser Stellung eine mittlere Öffnung 7 8 im Pilotkolbenzylinder 80 mit einer gemäß Fig. 4 rechts davon liegenden öffnung 82 verbindet, die auch in der Fig. 5 erkennbar ist, welche Fig. einen senkrecht zu der Schnittansicht der Fig. 4 liegenden Schnitt durch die Pilotventilachse ist, siehe auch die Pfeile 5-5 der Fig. 3. Die Öffnung 78 ist auch in Fig. 3 zu erkennen, die einen Längsschnitt durch das Hauptventil 52 und damit einen Schnitt längs der Linie III-III der Fig. 5 darstellt. Wie zu erkennen ist, strömt somit dem Einlaß 44 zugeführte Arbeitsluft über beispielsweise ein Staubfilter 84 in den Zuluftraum 86 und von dort in den Kanal 88, von wo aus die Luft durch die öffnung 78 in den vom Pilotventil 70 gebildeten Ringraum 90 gelangt. Von dort gelangt die Luft dann, siehe Fig. 5, gemäß der in Fig. 5 dargestellten Stellung des Pilotventils 70 durch die öffnung 82 in einen Kanal 92, der in einen Kanal 94 mündet, der in Fig. 3a, die lediglich das Luftsteuerventilgehäuse 42 in einer Schnittansicht ähnlich der der Fig. 3 zexgt, erkennbar ist und der am rechten Ende des Zylinders 54 in einer öffnung 96 endet. Die rechte Seite des in Fig. 3 dargestellten Hauptventils 52 steht also unter dem Druck der Arbeitsluft und das Hauptventil nimmt

daher die in Fig. 3 dargestellte, nach links verschobene Stellung ein. Diese Stellung ist schematisiert auch in Fig. 10 oben dargestellt, wobei diese schematische Darstellung die beiden an sich senkrecht zueinander liegenden Ventilkolben 52 und 70 gleichzeitig in ihrer Längserstreckung widergibt.

Ähnlich wie das Pilotventil bildet das Hauptventil 52 zusammen mit seinem Zylinder 54 Ringräume 98, 100 und 102, die zur Überbrückung von verschiedenen Kanälen dienen, die ihrerseits in Öffnungen enden, die teilweise in der Fig. 3 erkennbar sind, insgesamt aber den verschiedenen Radialschnittansichten der Fig. 3b entnommen werden können.

Neben diesen drei genannten ziemlich breiten Ringräumen 98, 100 und 102 bildet das Hauptventil 52 noch zwei schmale Ringräume 104 und 106, die durch eine innerhalb des Ventilkolbens 52 verlaufende Bohrung 108 sowie durch jeweils eine von dieser Axialbohrung 108 ausgehende Radialbohrung 110 bzw. miteinander in Verbindung stehen.

Wie aus Fig. 3 erkennbar ist, steht der Kanal 88 und damit die unter Druck stehende Zuluft über Öffnung 114 mit dem Ringraum 98 in Verbindung, der wiederum über eine in Fig. 3 oberhalb der Zeichenebene liegende und damit nicht sichtbare Öffnung im Zylinder 54 (im Schnitt D der Fig. 3b zu erkennen und mit der Bezugszahl 116 versehen) und einem weiteren von dieser Öffnung ausgehenden Kanal mit der linken Luftkammer gemäß Fig. in Verbindung steht. Die mit der Verbindung zur rechten Luftkammer verknüpften Öffnungen im Zylinder 54 sind dagegen in der Fig. 3 erkennbar, siehe Bezugszahl 118. Diese Öffnungen 118 münden, siehe Fig. 3a, im Kanal 120, der auch in Fig. 5 zu erkennen ist, der mit der rechten Luftkammer in Verbindung steht. Da andererseits der Ringraum 100 über in Fig. 3 oberhalb der Zeichenebene liegende Durchbrüche 122, siehe Schnitt G der Fig. 3b, über einen Kanal mit dem Abluftraum 124 in Verbindung

steht, ergibt sich eine erwünschte Entlüftung der rechten Luftkammer. Die entsprechenden öffnungen 126 für die andere LuftkammSr sind in Fig. 3 wiederum zu erkennen, wie auch der zugehörige/ in die Ablufkammer 124 führende Kanal 128, siehe Fig. 3a.

Der oben geschilderte Zustand wird nicht lange aufrecht erhalten bleiben. Infolge der durch den Zentralkanal 108 des Hauptventils 52 fließenden Zuluft, die in die linke Luftkammer gelangt, wird sich der Druck in der linken Luftkammer erhöhen und bei Erreichen des in der zugehörigen Pumpenkammer herrschenden Druckes die linke Membran und damit den zugehörigen Membranteller und die Kolbenstange 38 nach links verschieben. Damit hebt sich der Membranteller vom Ende der Pilotventil-Kolbenstange 70 ab. Das Pilotventil bleibt jedoch noch in seiner Stellung, da die rechte Membran mit zugehörigem Membranteller erst am Ende des Pumpenhubes das rechte Ende des Filotventxlkolbens 70 erreicht und diesen nach links verschiebt. Wie der Fig. 10 entnommen werden kann, erfolgt dadurch eine Umschaltung derart, daß nunmehr die durch den Kanal 78 eintretende Zuluft nicht mehr in den rechten Kanal 94 und damit zum rechten Ende des Hauptventils gelangt, sondern statt dessen über den linken, mit der Bezugszahl 194 versehenen Kanal zur Öffnung 196 und damit zur linken Seite des Hauptventils 52. Damit beginnt das Hauptventil 52 sich nach rechts zu verschieben, allerdings nur verzögert, da die auf der rechten Seite des Hauptventilkolbens 52 befindliche Luft iurch die öffnung 9 6 und dem Kanal 94 vorbei an einer Engstelle in die rechte Luftkammer, die gegenwärtig entlüftet ist, fließen muß, wobei die Engstelle durch einen Ring 128 gebildet ist, der vom Pilotventil-Steuerkolben getragen wird und einen nur geringfügig kleineren Durchmesser aufweist, als der Innendurchmesser des Pilotkolbenzylinders 80. Der dadurch zwischen der Zylinderwand und dem Düsenring-Außenumfang sich ergebende Ringspalt 130 ist so bemessen, daß sich unter den Betriebsbe- * dingungen das Hauptventil mit einer vorbestimmten verzögerten

Geschwindigkeit in die jeweils andere Richtung bewegt. Dies hat seinen besonderen Grund.

Es wurde bereits gesagt, daß es günstig ist, vor dem Hubwechsel der Membranpumpe einen Druckausgleich zwischen den beiden Luftkammern herzustellen, weil dadurch zum einen Druckenergie besser ausgenutzt und damit der Wirkungsgrad erhöht wird, zum anderen die dann an die freie Atmosphäre abgeblasene Abluft einen geringeren Druck aufweist, als die Arbeitsluft, so daß die Abblasgeräusche reduziert und auch die Vereisungsgefahr verringert wird.

Erreicht wird dieser Druckausgleich durch eine aufgrund der langsamen Umschaltbewegung des Hauptventils 52 ausreichend lange beibehaltene Zwischenstellung, die in Fig. 10 unter 2 dargestellt ist. In dieser Zwischenstellung verbindet die Zentralbohrung 108 mit ihren Ringräumen 104 und 106 die Öffnungen 116 und 118 miteinander, während die mit der Abluftkammer in Verbindung stehenden Öffnungen 132 wie auch die mit der Zuluftkammer in Verbindung stehenden Öffnungen 114 in Ringräumen 100, 102 bzw. 98 blind enden und damit verschlossen sind, wie durch die Kreuze angedeutet ist. Damit verbleibt nur eine Verbindung zwischen der linken Luftkammer und der rechten Luftkammer, so daß über die Öffnungen 116 und 118 nebst zugehörigen Verbindungskanälen sowie der Axialbohrung 108 des Hauptventils 52 der erwünschte Druckausgleich zwischen den beiden Luftkammern erfolgt. Da in diesem Verbindungsweg keine Engstellen vorgesehen sind, ergibt sich ein ausreichend schneller Druckausgleich, so daß das Hauptventil nicht extrem langsam verschoben werden muß, es muß lediglich ein plötzliches Herüberschießen verhindert werden, wie es ohne die hinsichtlich des Pilotventils 70 geschilderte Engstelle 130 auftreten würde.

Die durch den Druckausgleich gewonnene Energie ist abhängig von der Größe des toten Volumens der Luftkammer in der Endstellung der Membranpumpe. Mit Hilfe des Druckausgleichs wird dieser

zunächst auf Atmosphärendruck befindliche Totraum durch die unter Arbeitsdruck stehende rechte Luftkammer auf einen Druck angehoben, der je nach Volumenverhältnis zwischen dem Totraum und der maximal großen anderen Luftkammer entweder nur knapp unter dem Arbeitsdruck (bei sehr kleinem Totraum) liegt, oder aber etwas stärker absinkt, falls der Totraum einen größeren Anteil vom nutzbaren Raum einnimmt. In beiden Fällen erspart man sich durch den Druckausgleich das Füllen des Totraums mit kostbarer unter Druck stehender Arbeitsluft, Arbeitsluft wird soiuit nur noch benötigt, um den eigentlichen Arbeitshub auszuführen. Je nach Größe des Totraums lassen sich bei den üblichen Doppelmembran-Pumpen Wirkungsgradverbesserungen zwischen 10 und 30 % erreichen.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß an keiner Position des Membrankolbens ein direkter Verbindungsweg zwischen dem Anschluß für Arbeitsluft und dem Auslaß sich ergibt, wie beim Stand der Technik, so daß beim Stehenbleiben der Membrankolbenstange an irgendeiner Stelle aufgrund beispielsweise eines blockierten Fördermaterialabflusses keine Arbeitsluft verbraucht wird. Beim Stand der Technik konnte es vorkommen, daß bei bestimmten Stellungen der Membrankolbenstange dieser direkte Weg vorhanden war, so daß ein dauerndes Abblasen von Arbeitsluft die Folge war mit entsprechend hohen Betriebskosten.

Wenn gemäß Fig. 10 drei der Hauptventilkolben 52 schließlich die andere, gemäß der Darstellung rechte Stellung erreicht hat, haben sich die Verhältnisse bezüglich der Darstellung 1 gerade umgekehrt, so daß nunmehr die linke Luftkammer mit der Abluftkammer und damit dem Atmosphärendruck in Verbindung steht, so daß nun der noch verbliebene, durch den Druckausgleich stark verringerte Restdruck an die freie Atmosphäre abgegeben wird, während die rechte Luftkammer mit Zuluft beschickt wird, bis der Druck in der rechten Luftkammer wieder den Druck des Fördermediums erreicht, woraufhin die Pumpe ihren nächsten Hub ausführt.

Die Bohrungen im Zylinder 54 für den Hauptsteuerkolben sowie die Ringräume des Hautsteuerkolbens sind zueinander so ausgerichtet, daß beim Umschalten des Pilotventils und damit der Umsteuerung der Antriebsluft für den Hauptsteuerkolben, der Hauptsteuerkolben zunächst auf der ersten Hälfte seines Weges schnell vorankommt und die in Fig. 10, 2 dargestellte Stellung erreicht. Inzwischen hat sich aber dann durch die Drosselung im Pilotventil (Ringspalt 130) auf der Ablüftseite des Hauptsteuerkolbens ein Luftpolster aufgebaut, so daß ziemlich genau in dieser Mittelstellung der Hauptventilkolben 52 stark verzögert wird und so eine ausreichend lange Zeit in der Stellung verharrt, in der der Druckausgleich durch das überströmen von Luft von der einen Luftkammer in die andere erfolgen kann. Gleichzeitig sind Zuluft und Abluft gesperrt, nur die beiden Luftkammern miteinander verbunden. In der schließlich erreichten anderen Stellung beginnt dann die Füllung der vorher entlasteten Luftkammer und die Entlastung der vorher gefüllten und durch Druckausgleich teilentlasteten anderen Luftkammer.

Die Einsparungen im Druckluftverbrauch durch den oben geschildertei Druckausgleich werden noch stärker, wenn die Membranpumpe aus verschiedenen Gründen nur mit reduzierter Hublänge gefahren wird. Bei Hublängenreduzierung vergrößern sich nämlich die Toträume.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die Luftkammern beim Umschalten nicht mehr vom vollen Arbeitsdruck schlagartig entleert werden, sondern nur noch vom reduzierten, durch den Druckausgleich erreichten niedrigeren Druck, so daß harte Druckspitzen vermieden werden, die nicht nur den Geräuschpegel ungünstig beeinflussen, sondern auch die einzelnen Teile der Pumpe belasten.

Es wurde schon ausgeführt, daß die neuartige Konstruktion ohne Ölnebel auskommt. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß das Hauptventil und das Pilotventil von Zylinderhülsen 54 bzw. 80 gebildet sind, in denen die Ventilkolben 52 bzw. 70 gleiten, die Ringnuten aufweisen (beispielsweise die breiten Ringnuten

98, 100 und 102 des Kolbens 52 sowie dessen schmale Ringnuten 104 und 106 sowie die Ringnut des Pilotkolbens 70, die mit der Bezugszahl 90 versehen ist), die von Dichtringen aus nachgiebigem Material abgeschlossen werden. Diese Dichtringe, die in der Fig. 3 die Bezugszahl 132 tragen, sind in entsprechende Nuten 134 in Kolbenringwulsten 136, siehe Fig. 3c, eingelegt. Beim Pilotkolben wird ein entsprechender Dichtring 132 auf eine Ringfläche 138 (siehe Fig. 5c) gegen eine Schulter 140 aufgeschoben und dann durch den anschließend aufgeschobenen Drosselring 128 festgehalten, siehe auch die Fig. 5.

Diese Dichtringe 132 können durchaus herkömmlicher Art sein, beispielsweise können es sich um handelsübliche Mantelringe handeln, die einen inneren O-Ring aus einem Kautschukmaterial und einem äußeren Laufring aus PTFE (Teflon) bestehen. Gegenüber rein gummi-elastischen Dichtringen weisen Mantelringe eine geringere Laufreibung und geringere Losbrechkräfte auch nach langen Stillstandszeiten auf, außerdem haben sie hohe Verschleißfestigkeit auch bei völligem Trockenlauf. Das PTFE ist üblicherweise mit pulverförmiger Bronze gefüllt, so daß sich bezüglich der z.B. gleichfalls aus Bronzelegierungen bestehenden Metallteile der Ventileinrichtungen günstige Trockenlaufeinrichtungen ergeben.

Der als Drosseleinrichtung dienende Ring 128 kann ebenfalls aus PTFE bestehen und beispielsweise zwischen seinem äußeren Umfang und der Innenfläche des Kolbeneinsatzes 80 einen Spalt von etwa 0,2 mm bilden, der üblicherweise ausreicht, um die erwünschte Luftdrosselwirkung und damit die Verzögerung des Hauptventils zu erreichen.

Die geschilderten Dichtungsringe ermöglichen die Vermeidung irgendwelcher Luftverluste zwischen Kolbhn und Kolbengehäuse, obwohl keine ölschmierung vorgesehen ist.

Die Anwendung von Zylinder-Einsatzbuchsen, die in ein Gehäuse 42 eingeschoben werden, erlaubt die Herstellung des Gehäuses 42 aus Metalldruckguß und ergibt so ein sehr einfaches und kostensparendes Herstellungsverfahren ohne aufwendige Metallbearbeitungsschritte.

Die in den Ventilzylinderhülsen 54 bzw. 80 angeordneten Durchbrüche (in Fig. 3b z.B. 114, 118, 126) könnten auch in Form von in Umfangsrichtung angeordneten Langlöchern gebildet werden, jedoch lassen sich mehrere nebeneinander angeordnete Rundlöcher leichter herstellen und ergeben auch eine bessere Abstützung der Dichtungsringe beim überfahren dieser öffnungen.

Um den Hauptkolben 52 gemäß Fig.3c herzustellen, insbesondere dessen Axialbohrung 108, wird das Bauteil entweder zunächst aus zwei Teilen 152 und 153 hergestellt, siehe Fig. 3c, oder ein einstückiges Bauteil an der Stelle 154 zerschnitten und dann die Axialbohrung 108 eingebracht, wonach durch beispielsweise Verschweißung die beiden Teile 152 und 153 miteinander verbunden werden.

Die Hauptventil-Anordnung, bestehend aus dem Zylinder 54 und dem Kolben 52 wird nach dem Einschieben in das Gehäuse durch beidseitige Dichtungs- und Halteschrauben 138, 140 festgelegt, siehe Fig. 3.

Beim Pilotventil wird die Ventilhülse 80 und der Kolben 70 durch die Gehäusewände 142 der Membranpumpe, siehe Fig. 4, gehalten, an die das Luftsteuerventilgehäuse 42 unter Zwischenlage einer Dichtungsscheibe 144 einschraubbar ist. Entsprechende Gewindelöcher sind in den Fig. 8 und 9 erkennbar und mit der Bezugszahl 144 versehen.

Die Gesamtkonstruktion der Druckluft-Umsteuereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist so konzipiert, daß sie für ver-

schieden große Membranpumpeneinheiten verwendbar ist. Insbesondere läßt sich die Umsteuereinrichtung für beliebige Hubwege der Membran einsetzen, weil die Umsteuerung immer erst im letzten Teil des jeweiligen Hubes erfolgt, d. h., daß der Ventilweg des Pilotventils unabhängig vom Hubweg der Membran ist und insbesondere viel kleiner als der Hubweg der Membran ist. Dies vergrößert nicht nur die Vielseitigkeit der Umsteuereinrichtung, es verringert auch den Verschleiß.

Mit der vorstehend beschriebenen Druckluft-Umsteuereinrichtung für eine Doppelmembran-Pumpe werden somit vor allem ein höherer Wirkungsgrad erreicht, da keine Luftverluste während eines Hubes der Pumpe und in den Umsteuerphasen auftreten, insbesondere auch nicht beim Betrieb der Pumpe gegen höhere Drücke des zu fördernden Gutes (beispielsweise von einigen bar) und auch nicht im Stillstand unter vollem Luftdruck bei geschlossener Pumpendruckleitung (Druckhaltung). Auch die verbesserte Abdichtung der Ventilkolben in ihren Ventilzylindern trägt zu dieser Wirkungsgraderhöhung wegen der vermiedenen Luftverluste durch Undichtigkeiten bei.

Infolge der verringerten Druckhöhe der abgeblasenen Luft verringert sich auch die Vereisungsgefahr und die Geräuschbildung. Da eine Schmierung nicht erforderlich ist, entfällt die damit verbundene Wartung eines ölVorratsbehälters und es entfallen insbesondere auch Verunreinigungen des Fördermediums und der Umgebung der Pumpe durch Abluft-ölnebel.

Durch die besondere Konstruktion läßt sich die Druckluft-Umsteuereinrichtung auf verhältnismäßig preiswerte Weise als Massenprodukt fertigen, die einzelnen Teile, insbesondere die Kolbenzylinder der Ventile können leiche ausgewechselt werden, ebenso die Ventilkolben und deren Dichtungsringe.

Auch die Lagerung des Membrankolbens 38, siehe Fig. 4, erfolgt in auswechselbaren Führungsringen, von denen drei in der Fig. 4 dargestellt und mit der Bezugszahl 146 versehen sind. Zwischen jeweils zwei dieser Führungsringe 146 liegen gleichfalls auswechselbare Dichtungssätze 148, die ähnlich aufgebaut sind wie, die Dichtungsringe 132, d.h. aus einem mit Bronze beladenen PTFE-Dichtring und einem O-Ring aus z.B. Synthesekautschuk als Anpressring bestehen.

Claims

drying. ERNST STRATMANN

PATENTANWALT
D-4000 DÜSSELDORF 1 · SCHADOWPLATZ 9

•Düsseldorf, 27. März 1981

VNR 109126
8106

DEPA GmbH

Düsseldorf

Patentansprüche

Druckluftgetriebe Doppelmembran-Pumpe (10) bestehend aus einem Pumpengehäuse (12) mit zwei mit Abstand nebeneinander angeordneten Gehäusekammern (14), die jeweils eine Membraneinrichtung (16) aufweisen und von dieser in eine Pumpenkammer (18) und eine Luftkammer (20) aufgeteilt sind, wobei die Luftkammern (20) der beiden Gehäusekammern (14) zueinander ausgerichtet sind und zwischen sich eine Druckluft-Umsteuereinrichtung (22) aufweisen, die den beiden Luftkammern (20) Druckluft zuführt und die Luftkammern wechselweise entlastet, wobei die Pumpenkammer (18) über Ventileinrichtungen (28, 30) mit einem Saugstutzen (32) und einem Druckstutzen (34) in Verbindung stehen über die das zu fördernde Gut in die Pumpenkammer (18) aufgrund der durch die Druckluft erzeugten Membranbewegung angesaugt bzw. aus der Pumpenkammer (18) herausgedrückt wird, wobei die Druckluft-Umsteuereinrichtung (22) einen Hauptventil-Steuerkolben (52) zur Umsteuerung der Luftkammerverbindungswege besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptventil-Steuerkolben (52) über ein pneumatisch arbeitendes Pilot-Steuersystem mit einem Pilotventil-Steuerkolben (70) angetrieben wird, wobei der

POSTSCHECKsBERLiNWESr(BLZ 10010010) 132736-109· deutsche bank (BLZ 300 700 10) 6160 253

Pilotventil-Steuerkolben (70) seinerseits von der Bewegung der Membraneinrichtungen (16) betätigt wird.
2. Doppelmembran-Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pneumatische Antrieb des Hauptventil-Steuerkolbens (52) durch das Pilot-Steuersystem (70, 80) mittels einer Engstelle (130) im Kanal für die Antriebsluft und/oder die vom Hauptventil-Steuerkolben (52) verdrängte Luft verzögert ist.
3. Doppelmembran-Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Pilot-Steuersystem (70, 80) einen pneumatischen Umschalter darstellt, der jeweils bei Erreichen der Endstellungen der Membraneinrichtungen (16) betätigbar ist.
4. Doppelmembran-Pumpe nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptventil-Steuerkolben (52) eine Mittelstellung durchläuft, in der die Luftkammern (20) von der Arbeitsluft bzw. der Atmosphärenluft abgetrennt sind.
5. Doppelmembran-Pumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mittelstellung des Hauptventil-Steuerkolbens

(52) die beiden Luftkammern (20) miteinander verbunden sind.
6. Doppelmembran-Pumpe nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptventil und das Pilotventil von in ein Spritzgußgehäuse (42) einschiebbaren Zylinderhülsen (54, 80) gebildet sind, in die die Ventilkolben (52, 70) gleitend aufgenommen sind.
7. Doppelmembran-Pumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilkolben (52, 70) Ringnuten (98, 100, 102; 90) aufweisen, die von Dichtringen (132) aus nachgiebigem Material abgeschlossen werden.
8. Doppelmembran-Pumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Engstelle (130) von einem auf r)*=n Pilotventil-Steuerkolben (70) aufgeschobenen Ring (128) und der Wand des Pilotkolbenzylinders (80) gebildet wird.