DE3632717A1 - Aggregat mit einer membrane - Google Patents

Description

In meiner DE-OS 35 45 631 ist ein Aggregat mit einer Membrane beschrieben, die zwischen zwei Körpern mittels Membranenflansch gehalten ist und in einem Raum zwischen Drucken beiderseits der Membrane schwingt.

Außerdem sind Membranpumpen seit langem bekannt, zum Beispiel aus der BG-Patentschrift 11 54 723 für eine Bierpumpe.

Die bekannten Membranen der bekannten Membranpumpen sind aber entweder nicht für hohe Drucke geeignet oder sie haben zu geringe Lebensdauer. Membranen aus dehnbaren Materialien, wie z. B. Gummi, werden leicht beschädigt und haben eine maximale Lebensdauer von nur wenigen Millionen Hüben. Membranen aus Metall erhalten zu hohe innere Spannungen, wenn sie wie in der eingangs erwähnten DE-OS beschrieben, mit einem Flansch in der Einspannung gehalten sind. Die bisher bekannten Membranpumpen können daher Anforderungen, die in naher Zukunft erwünscht sein mögen, wie 30 Millionen Hübe bei mehreren tausend Bar Druck, nicht erfüllen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Membranpumpe für hohe Drucke und lange Lebensdauer zu schaffen.

Diese Aufgabe wird in der Technik des Gattungsbegriffs des Patentanspruchs 1 nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung und ihrer Aufgabe sind in den Patentansprüchen 2 bis 12 beschrieben.

Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine Anordnung der Erfindung.

Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch eine Anordnung der Erfindung.

In den Figuren ist der Kopfdeckel 1 auf dem Gehäuse 91 des Aggregates befestigt. Direkt oder indirekt ist die Membrane zwischen dem Gehäuse 91 und dem Kopfdeckel 1 angeordnet, wobei einerends der Membrane 1506 oder 1520 die erste Kammer 35, auch Außenkammer genannt, ausgebildet und andernends der Membrane die zweite Kammer 37, auch Innenkammer genannt, angeordnet ist. Zur ersten Kammer 35 führt der Zylinder (die Zylinder) 1535 mit dem (den) darin reziprokierbaren Hubkolben 52. Zur zweiten Kammer 37 führt der Einlaßkanal mit dem Einlaßventil 38 und von der zweiten Kammer fort ist der Auslaßkanal mit dem Auslaßventil 39 angeordnet.

Durch das Einlaßventil wird Fluid in die zweite Kammer gedrückt und diese gefüllt. Danach wird der Kolben 52 im Zylinder auf die erste Kammer zu bewegt und liefert dabei Fluid unter Druck in die erste Kammer. Der Antrieb des Kolbens 52 kann zum Beispiel wie in meinen parallelen Patentanmeldungen oder wie in meinen veröffentlichten Patentanmeldungen oder in anderer zweckdienlicher und geeigneter Weise erfolgen. Sobald das Fluid im Zylinder ausreichend komprimiert ist und in die erste Kammer eintrat, übersteigt es den Druck in der zweiten Kammer und drückt die Membrane in Richtung der zweiten Kammer, wobei sich das Volumen der zweiten Kammer 37 verkleinert und aus ihr Fluid über das Auslaßventil 39 geliefert wird. Dieses Fluid ist dann Druckfluid und kann aus einem nicht gezeichneten Anschluß des Aggregates entnommen werden, um die gewünschte Fluid Druckarbeit zu leisten. Soweit ist das Aggregat aus der Technik bekannt.

Erfindungsgemäß sind eine Anzahl von weiteren Ventilen in bestimmter Weise angeordnet, wie besonders anhand der Fig. 1 gezeigt. In Fig. 2 können diese auch angeordnet sein und sind meistens angeordnet, doch in Fig. 2 nicht alle eingezeichnet, weil sie aus Fig. 1 bekannt werden. So ist das Druckbegrenzungsventil 1503 als Einweg-Rückschlagventil der zweiten Kammer und das entsprechende Ventil 1504 der ersten Kammer zugeordnet. Davon kann das Ventil 1503 ggf. dann fortgelassen werden, wenn entsprechendes Fluid über das Ventil 38 zu der betreffenden Zeit einströmen kann. Durch den Drucklieferanten (Pumpe, Kolben) 1501 wird Fluid zum Ventil 1503 und zu bestimmten Zeiten über dieses Ventil in die zweite Kammer 37 geleitet. Aus dem Drucklieferanten (Pumpe, Kolben) 1502 wird Fluid zu dem Ventil 1504 und bestimmten Zeiten über dieses Ventil in die erste Kammer 35 geleitet.

Zwischen den Drucklieferanten 1501, 1502 und den beschriebenen Ventilen 1503 und 1504, sind die Vordruck-Überström-Ventile 1505 und 1556 angeordnet. Von diesen beiden Ventilen ist das zur zweiten Kammer 37 gehörige Ventil 1505 auf einen höheren Druck eingestellt, als das zur ersten Kammer 35 gehörende Ventil 1556. Zu Zeiten, wenn der Hubkolben (die Hubkolben) in der äußeren Totpunktlage oder in der Nähe dieser Lage sind, also nach Beendigung des Einlaßhubes und vor Beginn des Druck- oder Liefer-Hubes, ist durch die beschriebene Anordnung sicher gestellt, daß der Druck in der zweiten Kammer etwas höher als der in der ersten Kammer ist. Dieses Druckverhältnis ist dadurch eine Umkehrung des Druckverhältnisses meiner älteren Patentanmeldungen. Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung erreicht der Druck in der zweiten Kammer die Durchdrückung der Membrane 1506, 1520 in Richtung zur ersten Kammer, zum Beispiel bis die Membrane an der Anlagefläche 1514 zum Anliegen kommt. Der etwas geringere Druck in der ersten Kammer entleert zu dieser Zeit die erste Kammer von Luft (falls welche vorhanden ist) und zwar über das Entlüftungsventil 696, daß in einer meiner älteren Patentanmeldungen im Detail beschrieben ist. Dieses Ventil bewirkt auch zusammen mit dem Ventil 1504 die Aufrechterhaltung eines bestimmten Druckes in der ersten Kammer und dessen volle Füllung mit Fluid zu der beschriebenen Zeit der äußeren Totpunktlage des Hubkolbens oder in deren Nähe.

Beginnt der Hubkolben 52 seinen Druckhub, dann komprimiert das Fluid im Zylinder 1535 so lange, bis der Druck in der ersten Kammer gleich zu dem in der zweiten Kammer ist. Beim weiteren Fortschritt des Druckhubs komprimieren die Fluide in der ersten und in der zweiten Kammer 35 und 37 so lange weiter, bis bei geschlossenem Einlaßventil 38 der Druck den Druck jenseits des Auslaßventils 39 übersteigt. Bei Übersteigen dieses Druckes öffnet sich das Auslaßventil 39 und das Fluid aus der zweiten Kammer wird über das Auslaßventil 39 abgeliefert, bis die zweite Kammer entleert ist, alles Fluid gefördert ist und die Membrane 1506 oder 1520 zum Beispiel an der Auflagefläche 1513 zum Anliegen kommt.

Die Lage, die Form und der Abstand der Anlageflächen 1513 bis 1514 von der in den Figuren dargestellten Neutral Lage der Membrane sind so bemessen und angeordnet, daß die bei der Deformation der Membrane entstehenden Spannungen so gering bleiben, daß Dauerfestigkeit der Membrane von zum Beispiel mehr als 6 Millionen Hüben erreicht wird. Als Erfindungsziel soll das nicht nur bei Membranen mit gummiähnlicher Elastizität, sondern auch bei Membranen aus Federstahl oder aus nicht rostendem Edelstahl erreicht werden. Das ist dann möglich, wenn bei dem Maßstab der Figuren die Edelstahlmembrane etwa 1 mm dick oder dünner ist und der Maximalabstand der Anlageflächen 1513 bis 151 etwa drei mal kürzer in Achsialrichtung ist, als in den Figuren dargestellt. In den Figuren ist der beschriebene Achsialabstand übertrieben groß gezeichnet, damit man die beiden Kammern 35 und 37 in den Figuren gut erkennen kann. Bei 60 mm Durchmesser der radialen Innenkante der äußeren Einspannung der Membrane werden bei Edelstahl von etwa 1 mm Dicke etwa 1,5 mm Hub in Richtung zur Fläche 1513 und die gleiche Hublänge zur Fläche 1514 von der Neutrallage der Membrane ausgefahren, wenn man ausreichend lange Lebensdauer erhalten will.

Um diese Dauerfestigkeit der Membrane erhalten zu können, wird erfindungsgemäß radial außerhalb der Membrane 1506 der Freiraum 1515 und radial außerhalb der Membrane 1520 der Freiraum 1522 angeordnet, damit die Membrane in diesem Freiraum mit ihrem radial äußeren Teil beweglich ist und sich darin radial ausdehnen und zusammenziehen kann. Außerdem ist die Membrane mit ihren radial äußeren Teilen zwischen planen Flächen gehalten und zwischen ihnen radial beweglich, in die Ringnuten für das Einsetzen der Dichtringe (plastischen Dichtringe) 1528, 1529, 1511, 1512 eingearbeitet sind. Diese Planflächen 1538, 1539 zum Halten der Membrane befinden sich am Kopfdeckel 1 und dem Gehäuse 91 oder an den Einlagen 1507 und 1508.

Da die betreffende, meistens dünne, Membrane in der in den Aggregaten der Ventile 38, 39 oder in den Zylinder 1552 gedrückt und dabei die Lebensdauer der Membrane stark verringert würde, sind in der Erfindung vorteilhafterweise die engen Kanäle 1509 mit geringen Querschnitten angeordnet. Ihre Querschnitte sind vorteilhafterweise so eng, daß die Membranteile nicht in sie hereingequetscht werden können. Man kann die Querschnitte durch die Kanäle so eng halten, daß ihr Querschnitt nicht größer ist als die Querschnittsfläche oberhalb oder unterhalb der Kanäle zu diesen quer gerichtet durch die Membrane. Um trotzdem ausreichenden Durchfluß-Querschnitt durch die Kanäle zu haben, ordnet man eine entsprechende Vielzahl von Kanälen 1509, z. B. in Teilen 1507 und 1508 an.

Noch geringere innere Spannungen und damit längere Lebensdauer der Membrane erhält man, wenn man die Membrane nach der Fig. 2 als Ring mit einer inneren Bohrung ausbildet. Die Membrane folgt dann den Regeln des nach beiden Enden durchdrückbaren Ringes für den, wenn "R" der Außenradius und "r" der Innenradius des Membranringes (der Membranfeder, Ringfeder) 1520 ist, die folgenden Berechnungen verwendbar sind:

σ = K₃ P /t³ (1)
δ = PR² /K₁Et³ (2)
K₃ = 0,3343+1,242 α² ln α /(α²-1) (3)
und:
K₁ = [{0,5514(a²-1)/α²}+{1,614(ln α)² /(α²-1)]^-1 (4)
mit:
α = R /r (5)

t = Dicke des Ringes 1520; δ = Größte Durchbiegung; σ = Innere (größte) Spannung; E = Elastizitätsmodul und P = Belastung (max.) in kg.

Für die übrigen Maße sind mm verwendbar, also kg/mm usw.

Verwendet man den Japanstahl SUS 630, den US Stahl 17-4 PH (c. H.) oder den VEW Stahl E-N 701, Cond. 925, und bleibt mit der maximalen Spannung unter 60 bis 80 kg/Quadratmillimeter hat man meistens Dauerfestigkeit zu erwarten.

Von Wichtigkeit ist, daß der Ring 520 radial außen und radial innen von Freiräumen 1521 und 1522 radial umgeben und zwischen planen Flächen 1538, 1539 mit Dichtringen in Ringnuten 1526 bis 1529 gehalten, gedichtet und radial beweglich angeordnet ist. Die radial inneren Planflächen und Ringnuten können dann an den Halteplatten 1523, 1524 mit Planflächen 1538, 1539, die je an einem achsialen Ende des inneren Teiles des Membranringes 1520 anliegen, ausgebildet sein und die Platten 1523 und 1524 kann man selbstsichern durch den Halter 1525 mit Halteumbördelungen 1531 oder mit anderen Haltemitteln zusammen halten.

Ausnehmungen 1532, 1533 sind vorteilhafterweise in den Teilen 1 und 91 oder 1507, 1508 ausgearbeitet, damit die Teile 1523 bis 1525 zeitweilig in sie eintreten können. Bei Ende des Lieferhubes soll die zweite Kammer 37 möglichst ohne toten Raum sein, also voll durch die Teile 1525, 1525 ausgefüllt werden und die betreffende Endfläche der Membrane 1520 soll dann möglichst nahe oder ganz an den Anlagefläche 1513 anliegen.

In der Fig. 1 sind zwischen dem Kopfdeckel 1 und dem Gehäuse 91 die Einlegstücke 1507 und 1508 angeordnet und bilden die erste und die zweite Kammer 35, 37 mit den Anlangeflächen 1513 und 1514. Sie enthalten auch die engen Kanäle 1509, und zwar in der Figur in beiden Teilen 1507 und 1508. An diesen Teilen 1507 und 1508 sind in Fig. 1 auch die planen Flächen 1538, 1539 und die Ringnuten mit den Dichtringen 1511, 1512 ausgebildet. Zwischen ihnen befindet sich auch der Freiraum 1515 radial außerhalb der Membrane 1506. Zwischen den Ventilen 38 und 1503 befindet sich die Verbindungsleitung 1516.

In Fig. 2 sind noch die Distanzringe 1530 und 1537 angeordnet und von der Dicke der Membrane 1520. Der kleine Dickenunterschied zwischen den Ringen 1630, 1537 und 1520 bestimmt das Bewegungsspiel und die wirksame Abdichtung der Membrane 1520. Diese Ringe können bei dieser Konstruktionsweise präzise plan geschliffen werden. Zwischen der Membrane 1520 und den Distanzringen 1530 und 1537 befinden sich die Freiräume 1522 und 1521. Außerdem kann der Dichtring 1536 radial und außerhalb des Freiraumes 1522 und radial innerhalb des Distanzringes 1537 angeordnet sein. Entsprechend kann man auch einen nicht eingesetzten Dichtring zwischen dem Freiraum 1521 und dem Distanzring 1530 anordnen.

In Fig. 1 ist die Verbindungsleitung 1517 zwischen den Ventilen 1504 und dem Zylinder 1535 gezeigt. Die Bezugszeichen 1526 bis 1529 zeigen in Fig. 2 die bevorzugterweise plastischen Dichtringe in ihren Dichtring Ringnuten.

Durch die Erfindung wird gesichert, daß die betreffende Membrane um die in den Figuren gezeigte Lage oder neutrale Lage in beiden achsialen Richtungen ausbiegt. Bei Biegung um die mittlere Neutral Lage nach beiden achsialen Richtungen bleibt die innere Spannung gering und wird die Lebensdauer entsprechend hoch. Beschädigungen der Membrane werden verhindert und das Ziel der Aufgabe der Erfindung wird durch die Ausführung der Beispiele der Figurenbeschreibung verwirklicht.

Bezüglich der Anlageflächen 1513 und 1514 ist zu bedenken, daß diese möglichst der elastischen Linie der betreffenden Membrane angepaßt sein sollen. Bei den planen Flächen 1538, 1539 zwischen denen das betreffende radiale Endteil der Membrane angeordnet ist, wird es bevorzugt, die Flächen der benachbarten Kammer 35 oder 37 zu achsial etwas, der elastischen Linie des betreffenden Membranteils anpassend, auszurunden, damit die Membrane sich elastisch biegen kann und keine scharfen Kanten als radiale innere oder äußere Ecken entstehen, die die Membrane negativ beeinflussen, zum Brechen der Membrane tendieren und die Lebensdauer der Membrane einschränken könnten.

Vorbehaltlich einer späteren Überprüfung auf Richtigkeit mag die Belastung "P" wie folgt berechnet werden:

P = Md /(R-r). (6)

Den Wert des Moments "Md" kann man aus einer meiner noch nicht veröffentlichten anderen Patentanmeldungen entnehmen als:

Darin ist "q" der Differenzdruck der Fluiddrücke in den Kammern 35 und 37. Ersetzt man (Δ R) durch (R-r) und dividiert das Moment Md durch (R-r) erhält man die Belastung "P" als:

Dabei setze man "q" in Kilogramm pro Quadratmillimeter, also in Bar/100 ein.

Claims (12)

1.) Aggregat mit einer Membrane zwischen einer ersten und einer zweiten Kammer (Außenkammer und Innenkammer) mit einem erstes Fluid fördernden Kolben zur ersten Kammer sowie Einlaß- und Auslaß-Mitteln (Ventilen) zur zweiten Kammer und mit Minimumdruck Beaufschlagungen beider Kammern, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mittel zur Aufrechterhaltung eines höheren Druckes in der zweiten Kammer, zu Zeiten der Füllung der zweiten Kammer wirkend, angeordnet ist.

2.) Aggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß radial außerhalb der Membrane (1506, 1520) ein Freiraum (1515, 1522) zwecks Ermöglichung radialer Zusammenziehungen und Ausdehnungen der Membrane angeordnet ist.

3.) Aggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor den genannten Kammern (35, 37) Einweg- Rückschlagventile (1503, 1504) und vor diesen Überlauf- Ventile (1505, 1506) angeordnet sind, von denen das zur zweiten Kammer (37) gehörige Ventil (1505) auf einen höheren Druck, als das zur ersten Kammer (35) gehörende Ventil (1506) eingestellt ist.

4.) Aggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Fluid fördernde Pumpen (1501, 1502) zur Förderung von Fluid über Ventile (1503, 1504) in die erste und zweite Kammer (35, 37) angeordnet sind.

5.) Aggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (1520) als Ring ausgebildet ist, dessen radial innere und äußere Enden von Freiräumen (1521, 1522) umgeben sind, um radiale Ausdehnungen und Zusammenziehungen der Membrane zu ermöglichen.

6.) Aggregat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das radiale innere Ende der Membrane achsial von Halteplatten (1523, 1524) umgriffen und durch plastische Dichtringe (1526, 1527) in entsprechenden Ringnuten abgedichtet ist.

7.) Aggregat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteplatten durch eine Halterung (1525) achsial unnachgiebig zusammen gehalten sind.

8.) Aggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radial äußeren Enden der Membrane (1506, 1520) achsial zwischen Halterungen (1507 und 1508 oder 1 und 91) eingespannt und mittels plastischen Dichtringen (1511, 1512 oder 1528, 1529) in entsprechenden Ringnuten abgedichtet sind.

9.) Aggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Auflagekörper mit Auflageflächen (1513, 1514 oder 1514, 1515) zur Begrenzung der Hubwege der Membrane angeordnet und so geformt, bemessen und plaziert sind, daß achsiale Deformationen, die die zulässigen Spannungen in der Membrane übersteigen würden, ausgeschaltet sind.

10.) Aggregat nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß von den Kammern zu den Ventilen und/oder Kolben Kanäle (1509, 1510) geringen Querschnitts zwecks Verhinderung der Beschädigung oder Verformung der Membrane angeordnet sind.

11.) Aggregat nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der Kanäle (1509, 1510) den zur Membrane senkrechten Querschnitt oberhalb oder unterhalb der genannten Kanäle nicht überschreiten.

12.) Aggregat nach Anspruch 1, 6, 9 oder mindestens einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane so angeordnet ist, daß sie unter den Drucken in den Kammer abwechselnd Hübe in beiden achsialen Richtungen ausführt und/oder die Anlageflächen entsprechend geformt sind und/oder an den Anlageflächen oder Halteteilen Ausnehmungen (1530, 1531) zum Eintauchen der Halteplatten (1523, 1524) angeordnet sind.