DE4018464A1 - Membran fuer eine hydraulisch angetriebene membranpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Membran für eine hydraulisch angetriebene Membranpumpe gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Bei derartigen Membranpumpen, die aus Sicherheitsgründen mit einer Membranbruchsignalisierung ausgestattet sind, ist die Membran üblicherweise aus zwei oder mehr Einzellagen aufgebaut, um im Fall eines Membranbruchs so schnell wie möglich Kenntnis hierüber zu erhalten und durch Ergreifen entsprechender Maßnahmen einen Austausch von Förder- und Hydraulikflüssigkeit zu verhindern. Die schnelle Signali­ sierung des Membranbruchs wird hierbei durch eine Verbin­ dung von dem zwischen den Membraneinzellagen gebildeten Membranzwischenraum zu einer Anzeigevorrichtung ermöglicht.

Um insbesondere im Saughub ein unerwünschtes Lösen der Ein­ zellagen der Membran voneinander zu verhindern, ist es er­ forderlich, die Einzellagen der Membran in geeigneter Weise anzuordnen und miteinander zu koppeln. In diesem Zusammen­ hang ist es bereits bekannt (DE-PS 7 10 320), die Membran aus drei Einzellagen zu bilden, die lose aufeinander lie­ gen. Dies hat jedoch den Nachteil, daß bei Saugbetrieb eine mangelnde Betriebssicherheit gegeben ist, da sich die Ein­ zellagen der Membran voneinander lösen können.

Zur Beseitigung dieses Nachteils ist es schon bekannt (DE-AS 12 26 740), den zwischen zwei Einzellagen der Membran gebildeten Membranzwischenraum zu evakuieren. Diese Maß­ nahme gewährleistet zwar eine gewisse Kopplung der Membran­ lagen, insbesondere im Saugbetrieb. Jedoch ist der Nachteil gegeben, daß ein großer apparativer Aufwand erforderlich ist, weil u. a. eine Vakuumpumpe vorgesehen sein und prak­ tisch ständig betrieben werden muß, um den Membranzwi­ schenraum evakuiert zu halten und die Kopplung zu gewähr­ leisten.

Der vorerwähnte Nachteil wird bei einer weiteren bekannten Membrananordnung (DE-PS 18 00 018) wirkungsvoll dadurch vermieden, daß der zwischen den Einzellagen der Membran ge­ bildete Membranzwischenraum mit einem Hydraulikmedium ge­ füllt ist, wobei der Membranzwischenraum nach außen durch ein Rückschlagventil verschlossen ist, derart, daß das Hydraulikmedium lediglich nach außen austreten kann. Hier­ durch ergibt sich eine einwandfreie hydraulische Kopplung der Membranlagen im Saughub, wobei gleichzeitig eine mecha­ nische Kopplung im Druckhub vorliegt. Eine derartige Aus­ bildung erfordert jedoch eine einwandfreie Befüllung des Membranzwischenraums mit Hydraulikmedium. Außerdem kann bei großer Ansaughöhe im Membranzwischenraum Gasbildung auftre­ ten, was zum Leistungsabfall der Pumpe führt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die für eine hydraulisch angetriebene Membranpumpe vorgesehene Mem­ bran der gattungsgemäßen Art derart auszugestalten, daß mit einfachen Mitteln sowohl im Druckhub als auch im Saughub eine einwandfreie, zuverlässige Kopplung der Membranlagen erzielt ist und gleichzeitig mit Sicherheit eine Rißbildung in einer Membranlage sofort signalisiert werden kann.

Diese Aufgabe wird bei der erfindungsgemäß ausgestalteten Membran mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprü­ chen beschrieben.

Der Membran gemäß der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die einzelnen Membranlagen zur rein mechanischen Kopplung sowohl im Druckhub als auch im Saughub über eine Vielzahl von Verbindungsflächen unter Bildung von dazwischenliegen­ den Freiflächen bzw. Freiräumen miteinander zu verbinden. Um dies praktisch zu erreichen, wäre zwar denkbar, die Mem­ branlagen miteinander zu verkleben. Jedoch wäre die zwi­ schen den Membranlagen angeordnete Klebschicht bei hohem Druck großen Scherkräften unterworfen, was zu vorzeitigem Ausfall der Verbindung führen würde.

Stattdessen sieht eine bevorzugte Ausführungsform der Er­ findung vor, daß die Membranlagen aus Kunststoff, insbeson­ dere aus Fluorkunststoff, bestehen und daß die Verbindungs­ flächen durch Verschweißen der Membranlagen gebildet sind. Derartige Fluorkunststoffe ermöglichen eine kompakte und preisgünstige Pumpenbauform. Vorzugsweise gelangt als Fluorkunststoff Polytetrafluoräthylen (PTFE) zum Einsatz, das sich durch eine fast uneingeschränkte Beständigkeit ge­ gen Medien sowie durch gute Flexibilität auszeichnet.

Reines PTFE läßt sich aufgrund seiner hohen Schmelzviskosi­ tät zwar nur schwer verschweißen. Diesem Umstand läßt sich jedoch wirkungsvoll dadurch begegnen, daß beispielsweise als Material für die Membranlagen modifizierte PTFE-Sorten verwendet werden, die aus der Verkaufsinformation VM423, S. 11, der Firma Hoechst AG, Frankfurt, bekannt sind und gute Schweißeigenschaften aufweisen. Hierbei erfolgt der Schweißvorgang bei etwa 360 bis 390°C.

Stattdessen ist es auch möglich, zwischen den Membranlagen eine oder mehrere dünne Zwischenlagen aus Copolymeren mit 90 bis 99,5 Gew.-% PTFE und 0,5 bis 10 Gew.-% Perfluoral­ kyl-perfluorvinyläther vorzusehen. Hierbei entsteht die Schweißverbindung unter Druck und Temperatur, wobei die Temperatur bei 360 bis 390°C liegt, d. h. oberhalb des Schmelzpunktes von PTFE (325°C).

Mit derartigen Schweißverbindungen lassen sich Schweißfak­ toren von bis zu 1,0 erreichen. Dies bedeutet, daß die Festigkeit der die jeweilige Verbindungsfläche bildenden Schweißstelle derjenigen des Grundwerkstoffes entspricht.

Es ist von Vorteil, wenn die Verbindungsflächen unter Bil­ dung größtmöglicher Freiflächen bzw. Freiräume so klein wie möglich ausgestaltet sind. Hierbei empfiehlt es sich gleichzeitig, die Ausgestaltung derart zu treffen, daß die Verbindungsflächen einen geringstmöglichen Abstand zwischen sich aufweisen. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Ver­ bindungsflächen weitgehend gleichmä8ig verteilt sind.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Verbindungsflächen entweder als - radial verlaufende - Verbindungsstreifen auszubilden oder als Verbindungspunkte auszugestalten. In jedem Fall sind hierbei die einzelnen Verbindungsstellen bzw. -flächen in ihrem Durchmesser so dimensioniert, daß einerseits eine sichere Verbindung gebildet ist und daß an­ dererseits Membranrisse, die innerhalb einer Schweißverbin­ dungsstelle entstehen, sich auf den Bereich außerhalb der Schweißverbindungsstelle ausbreiten, bevor ein durch alle Schichten durchgehender Riß entsteht. Dadurch ist eine ein­ wandfreie Membranbruchsignalisierung gewährleistet.

Im Fall der Ausbildung der Verbindungsstellen als Schweiß­ punkte lassen sich gute Ergebnisse erzielen, wenn die Schweißpunkte einen Durchmesser von 3 bis 5 mm aufweisen. Der Abstand zwischen den Verbindungspunkten, der vorzugs­ weise ein geringstmögliches Ausmaß aufweist, soll so ge­ wählt sein, daß die Membranlagen zwischen den Verbindungs­ punkten während des Saugvorganges nicht nennenswert vonein­ ander abheben, da sich bei zu großem Abstand mit zunehmen­ der Saughöhe die Förderleistung der Pumpe vermindern würde. Es hat sich gezeigt, daß ein günstiger Abstand zwischen den Schweißverbindungspunkten beispielsweise im Bereich von etwa 10 bis 15 mm liegt.

Weitere Vorteile ergeben sich, wenn bei der erfindungsgemäß ausgestalteten Membran, die üblicherweise eine randseitige Einspannzone, eine die Förderung aktiv bewirkende Auslenk­ zone und eine Biege- oder Übergangszone zwischen Einspann­ zone und Auslenkzone aufweist, die Verbindungsflächen aus­ schließlich in der Auslenkzone angeordnet sind, derart, daß die Auslenkzone der Membran randseitig einen verbindungs­ freien umlaufenden Bereich, beispielsweise von 5 bis 10 mm Breite, aufweist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können die äußeren Membranlagen unter Anordnung einer Zwischenlage mechanisch miteinander verbunden sein. Hierbei ist die An­ ordnung entweder derart getroffen, daß die Zwischenlage aus einem Trenngewebe oder einem Trennvlies besteht, bei dem die jeweils vorgesehenen Zwischenräume zusammen mit den Freiräumen zwischen den Membranlagen den mit der Anzei­ gevorrichtung in Verbindung stehenden Membranzwischenraum bilden. Stattdessen ist es auch möglich, als Zwischenlage eine solche zu verwenden, die aus dem Werkstoff der äußeren Membranlagen besteht und mit Schlitzen versehen ist. Hier­ bei bilden dann die Schlitze zusammen mit den Freiräumen zwischen den Membranlagen den Membranzwischenraum.

In jedem Fall wird aufgrund der Membran gemäß der Erfindung eine einfache Handhabung bei der Membranmontage sowie beim Membranwechsel erzielt, da die Membran als Verbundteil in der Handhabung sehr einfach ist und keinerlei gesonderten Aufwand zu ihrer Inbetriebnahme erfordert. Die zwischen den Membranlagen vorgesehene rein mechanische Kopplung funktio­ niert im Saughub auf Dauer störungsfrei, und zwar unabhän­ gig von den jeweiligen Betriebsparametern. Hierbei haben hohe Betriebstemperaturen, z. B. 150°C, und hohe Drücke, z. B. 350 bar, auf die erfindungsgemäß vorgesehene Verbin­ dung keinerlei Einfluß. Schließlich ist auch zwischen den einzelnen Membranlagen jegliche Relativbewegung unterbun­ den, so daß somit kein Reibverschleiß auftritt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 im Querschnitt eine mit der erfindungsgemäßen Membran ausgestattete, hydraulisch angetriebene Membranpumpe;

Fig. 2 die Membran gemäß der Erfindung schematisch in Draufsicht sowie

Fig. 3 im Querschnitt;

Fig. 4 im Querschnitt das randseitige Detail der Membran gemäß Fig. 3 in vergrößertem Maßstab;

Fig. 5 eine abgewandelte Ausführungsform der Membran in teilweise geschnittener Draufsicht und

Fig. 6 im Querschnitt;

Fig. 7 eine weitere abgewandelte Ausführungsform der Membran mit als Verbindungsstreifen ausgestalte­ ten Verbindungsflächen schematisch in Draufsicht und

Fig. 8 im Querschnitt sowie

Fig. 9 im Querschnitt eine weitere abgewandelte Ausfüh­ rungsform der Membran.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist die dargestellte hydrau­ lisch angetriebene Membranpumpe eine noch näher zu be­ schreibende Membran 1 auf. Diese ist mit einer randseitigen Einspannzone A versehen, an der sie zwischen einem Pumpen­ gehäuse 2 sowie einem hieran stirnseitig lösbar festgeleg­ ten Pumpendeckel 3 eingespannt ist. Die Membran 1 trennt einen Förderraum 4 von einem mit Hydraulikflüssigkeit ge­ füllten Druckraum 5. Letzterer steht über mehrere gehäuse­ seitige axiale Bohrungen 6 mit einem Hydraulikraum 7 in Verbindung. Die dargestellte Membranpumpe weist einen hydraulischen Membranantrieb in Form eines oszillierenden Verdrängerkolbens 8 auf, der im Pumpengehäuse 2 abgedichtet zwischen dem Hydraulikraum 7 und einem Vorratsraum 9 für die Hydraulikflüssigkeit verschiebbar ist.

Wie ersichtlich, wird der Druckraum 5 einerseits durch die Membran 1 sowie andererseits durch eine hintere kolbensei­ tige Kalotte 10 begrenzt. Die Membran 1 liegt dieser hinte­ ren Begrenzungskalotte 10 am Ende des Saughubes an.

Der Pumpendeckel 3, in dem auch eine vordere Begrenzungska­ lotte 11 gebildet ist, weist in der üblichen Weise ein Ein­ laßventil 12 sowie ein Auslaßventil 13 auf. Diese beiden Ventile 12, 13 stehen über einen Einlaßkanal 14 sowie einen Auslaßkanal 15 derart mit dem Förderraum 4 in Verbindung, daß das Fördermedium bei dem nach rechts gemäß Fig. 1 er­ folgenden Saughub des Verdrängerkolbens 8 und damit der Membran 1 in Pfeilrichtung über das Einlaßventil 12 und den Einlaßkanal 14 in den Förderraum 4 angesaugt wird. Bei dem nach links gemäß Fig. 1 erfolgenden Druckhub der Membran 1 wird dann das Fördermedium über den Auslaßkanal 15 und das Auslaßventil 13 in Pfeilrichtung dosiert aus dem Förderraum 4 herausgedrückt.

Um am Ende des Saughubs eine Überlastung der Membran 1 so­ wie das Auftreten von Kavitation zu verhindern, ist im Pum­ pengehäuse 2 ein übliches federbelastetes Schnüffelventil 16 vorgesehen, das über Kanäle 17, 18 mit einer der axialen Bohrungen 6 bzw. mit dem Vorratsraum 9 in Verbindung steht und somit - einstellbar - bei einer zu großen Saughubwir­ kung des Verdrängerkolbens 8 die Verbindung zwischen dem Vorratsraum 9 und dem Druckraum 5 bzw. dem Hydraulikraum 7 öffnet.

Die Membran 1 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel als Zweilagenmembran mit zwei Einzellagen 20, 21 ausgestal­ tet, zwischen denen ein Membranzwischenraum 19 gebildet ist. Dieser Membranzwischenraum 19 dient im Fall eines Bruchs einer der Membranlagen 20, 21 zur schnellen Membran­ bruchsignalisierung, und zwar mittels einer entsprechenden Anzeigevorrichtung 22, die mit dem Membranzwischenraum 19 in Verbindung steht. Zu diesem Zweck sind die einzelnen Membranlagen 20, 21 in ihrer randseitigen Einspannzone A durch einen Ring 23 auf Abstand gehalten, wie gleichfalls deutlich aus Fig. 4 ersichtlich. Dieser Ring 23 ist mit ei­ nem oder mehreren Kanälen 24 versehen, welche die Verbin­ dung zwischen dem Membranzwischenraum 19 und dem Innern der Membranbruchanzeigevorrichtung 22 herstellen.

Diese Anzeigevorrichtung 22 ist beim dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel als Membrandruckschalter ausgebildet, der an­ spricht, sobald sich beim Bruch einer der Membranlagen 20, 21 der Flüssigkeitsdruck - entweder vom Förderraum 4 oder vom Druckraum 5 - in den Membranzwischenraum 19 und von da aus zum Membrandruckschalter 22 fortpflanzt. Durch eine entsprechend angeschlossene akustische Anzeige 25 und/oder eine optische Anzeige 26 kann dann der Membranbruch fernge­ meldet werden.

Wie im einzelnen aus Fig. 2-4 ersichtlich, sind die Ein­ zellagen 20, 21 der Membran 1 über eine Vielzahl von Ver­ bindungsflächen in Form von Verbindungspunkten 27 unter Bildung von dazwischenliegenden Freiflächen bzw. Freiräumen miteinander verbunden, derart, daß sowohl im Druckhub als auch im Saughub der Membran 1 eine rein mechanische Kopp­ lung vorliegt. Diese Verbindungspunkte sind in der schon erwähnten Weise durch Verschweißen der Membranlagen 20, 21 gebildet, wobei die Membran zu diesem Zweck aus geeignetem Fluorkunststoff in der ebenfalls bereits beschriebenen Weise besteht. Die Verbindungspunkte 27 sind in einem von der randseitigen Einspannzone A umgebenen Membranbereich angeordnet, der die aktive Auslenkzone B der Membran 1 dar­ stellt und mittels einer Biege- oder Übergangszone C mit der Einspannzone A verbunden ist. Da diese Übergangszone C durch die Membranbewegung am stärksten belastet ist, ist dieser Bereich vorteilhafterweise überhaupt nicht durch Verbindungspunkte 27 beeinträchtigt. Stattdessen weisen die jeweils am weitest außen liegenden Verbindungspunkte 27, wie aus Fig. 2 ersichtlich, einen gewissen Mindestabstand, beispielsweise 5-10 mm, zur Übergangszone C auf.

Die Verbindungspunkte 27 weisen einen Durchmesser von bei­ spielsweise 3-5 mm auf, sind weitgehend gleichmäßig ver­ teilt und besitzen einen geringstmöglichen Abstand zwischen sich, beispielsweise 10-15 mm, wobei gleichzeitig aber gewährleistet sein muß, daß die zwischen den Verbindungs­ punkten 27 gebildeten Freiräume den Membranzwischenraum 19 bilden.

Bei der aus Fig. 5 und 6 ersichtlichen abgewandelten Aus­ führungsform der Membran 1 sind die äußeren Membranlagen 20, 21 unter Anordnung einer Zwischenlage 28 mittels der Verbindungspunkte 27 mechanisch miteinander verbunden. Bei dieser Ausführungsform, die sich insbesondere für Nieder­ druckanwendungen der Membranpumpe eignet, ist die Zwischen­ lage 28 aus dem Werkstoff der Membranlagen 20, 21 herge­ stellt und mit Schlitzen 29 versehen, die beispielsweise in der aus Fig. 5 ersichtlichen Weise verlaufen. Diese Schlitze 29 weisen eine mindestens der Breite der Einspann­ zone A entsprechende Länge auf. Es bilden somit die in der Zwischenlage 28 vorgesehenen Schlitze 29 zusammen mit den zwischen den Verbindungspunkten 27 gebildeten Freiräumen Kanäle, welche die Verbindung von der aktiven Auslenkzone B durch die Einspannzone A nach außen, z. B. zur Mem­ branbruchanzeigevorrichtung 22, herstellen.

Bei dieser Ausführungsform kann der Sandwichaufbau der Mem­ bran 1 in größeren Abmessungen als Halbzeug hergestellt bzw. erreicht werden. Die einzelnen Membranlagen 20, 21 so­ wie auch die Zwischenlage 28 lassen sich durch einfaches Ausstanzen fertigen, so daß insgesamt eine einfache Her­ stellung gewährleistet ist.

Bei der weiterhin abgewandelten Ausführungsform gemäß Fig. 7 und 8 sind die Verbindungsflächen nicht in Form von Ver­ bindungspunkten, sondern als Verbindungsstreifen 30 ausge­ staltet, die in der dargestellten Weise radial verlaufen und ebenfalls sowohl im Druckhub als auch im Saughub der Membran 1 eine rein mechanische Kopplung der Membranlagen 20, 21 bewirken.

Wie schließlich aus der weiterhin abgewandelten Ausfüh­ rungsform gemäß Fig. 9 ersichtlich, sind hier die beiden Membranlagen 20, 21 der Membran 1 ebenfalls durch eine Zwi­ schenlage 31 auf Abstand gehalten. Diese Zwischenlage 31 besteht aus einem Trenngewebe oder einem Trennvlies, das mit seinen Zwischenräumen ein Kanalsystem zwischen den Mem­ branlagen 20, 21 bildet. Bei einem Membranbruch kann sich der Flüssigkeitsdruck äußerst schnell in Richtung der Mem­ branbruchanzeigevorrichtung 22 fortpflanzen, so daß auch der Membranbruch schnellstmöglich angezeigt wird. Wie dar­ gestellt, sind die Membranlagen 20, 21 über Verbindungs­ punkte 27 - ähnlich wie bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 2 oder 5 - miteinander verbunden.

Claims (11)

1. Membran für eine hydraulisch angetriebene Membran­ pumpe, die mit einer Vorrichtung zur Anzeige eines Membran­ bruchs versehen ist, wobei die randseitig zwischen Pumpen­ gehäuse und Pumpendeckel eingespannte Membran aus wenig­ stens zwei Einzellagen besteht, zwischen denen ein Mem­ branzwischenraum gebildet ist, der mit der Anzeigevorrich­ tung in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die ein­ zelnen Membranlagen (20, 21) zur rein mechanischen Kopplung sowohl im Druckhub als auch im Saughub über eine Vielzahl von Verbindungsflächen (27, 30) unter Bildung von dazwischenliegenden Freiflächen bzw. Freiräumen miteinander verbunden sind.

2. Membran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranlagen (20, 21) aus Kunststoff, insbesondere aus Fluorkunststoff, bestehen und daß die Verbindungsflächen (27, 30) durch Verschweißen der Membranlagen (20, 21) gebil­ det sind.

3. Membran nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Verbindungsflächen (27, 30) unter Bildung größtmöglicher Freiflächen bzw. Freiräume so klein wie mög­ lich ausgestaltet sind.

4. Membran nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verbindungsflächen (27, 30) einen ge­ ringstmöglichen Abstand zwischen sich aufweisen.

5. Membran nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verbindungsflächen (27, 30) weitgehend gleichmäßig verteilt sind.

6. Membran nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verbindungsflächen als Verbindungs­ punkte (27) ausgebildet sind.

7. Membran nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verbindungsflächen als Verbindungs­ streifen (30) ausgebildet sind, die radial verlaufen.

8. Membran nach einem der Ansprüche 1-7, die eine randseitige Einspannzone (A), eine die Förderung aktiv bewirkende Auslenkzone (B) und eine Übergangszone (C) zwi­ schen Einspannzone und Auslenkzone aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsflächen (27, 30) ausschließlich in der Auslenkzone (B) angeordnet sind, derart, daß die Auslenk­ zone (B) der Membran (1) randseitig einen verbindungsfreien umlaufenden Bereich, beispielsweise von 5-10 mm Breite, aufweist.

9. Membran nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die äußeren Membranlagen (20, 21) unter Anordnung einer Zwischenlage (28, 31) mechanisch miteinander gekoppelt sind.

10. Membran nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlage (28) aus dem Werkstoff der äußeren Membranlagen (20, 21) besteht und mit Schlitzen (29) verse­ hen ist, die zusammen mit den Freiräumen zwischen den Membranlagen (20, 21) den mit der Anzeigevorrichtung (22) in Verbindung stehenden Membranzwischenraum bilden.

11. Membran nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlage (31) aus einem Trenngewebe oder einem Trennvlies besteht.