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Membranschwingpumpe für große Schwingschnelle Die Erfindung betrifft
eine Verbesserung der Membranschwingpumpen für große Schwingschnelle bei kleinem
Hub, bei denen die Ventile für den Durchgang des Fördermittels in der :einen Richtung
in der der Membran in geringem Abstand gegenüberliegenden Gehäusewand angeordnet
sind, vorzugsweise zur Förderung von Flüssigkeiten, wie sie vor allem als elektromagnetisch
angetriebene Pumpen bekannt sind und dann normalerweise mit 5o und ioo Schwingungen
je Sekunde arbeiten. Wenn mit derartigen Membranschwingpumpen große Flüssigkeitsmengen
bei kleinem Leistungsverbrauch, also mit gutem Wirkungsgrad, gefördert werden sollen,
so müssen, wie Versuche ergeben haben, mehrere Punkte berücksicht werden, deren
Außerachtlassung den Wirkungsgrad der Pumpe stark verringert. Da die Flüssigkeiten
im Gegensatz zu den Gasen praktisch überhaupt nicht zusammendrückbar sind, ist es
bei den schnellen Schwingungen notwendig, die Flüssigkeitsmenge im Pumpraum auf
ein Mindestmaß zu beschränken.
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Denn bei einer Membranschwingschnelle -von iooHertz wird diese Flüssigkeitsmeng°
ioomal beschleunigt und ioomal abgebremst werden. Ist nun die Flüssigkeitsmenge
im Pumpraum größer als unbedingt notwendig, so wird für die Beschleunigung dieser
Flüssigkeitsmenge viel Energie verbraucht und damit der Wirkungsgrad herabgesetzt.
Es ist daher notwendig, den Pumpraum möglichst klein zu halten.
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Weiter ist .es. notwendig, die in einer Richtung beschleunigte Flüssigkeitsmenge
vor einer plötzlichen Richtungsumkehrung zu bewahren, -,vie sie z. B. dann auftritt,
wenn Ein-und Auslaßöffnungen dicht nebeneinander liegen. Weiter ist es notwendig,
Ventile zu verwenden, die bei kurzer Ansprechzeit und kleinen Hüben große Öffnungen
freigeben. Denn bei der hohen Schwingschnelle ist die zum Öffnen der Ventile zur
Verfügung stehende Zeit äußerst gering. Der Wirkungsgrad der Pumpe ist um so größer,
je geringer die Ansprechzeit des Ventils bis zur vollen Freigabe der Öffnung ist.
Das erfordert aber 'Ventile mit sehr geringer Masse. Weiter muß der Weg der Flüssigkeit
zwischen den Ventilen möglichst kurz-- gehalten werden, damit das ' Flüssigkeitsteilchen,
das bei dem Ansaugen in den Pumpraum gelangt ist, möglichst schon bei dem darauffolgenden
Druckhub durch das andere Ventil den Pumpraum verläßt. Ist der Weg sehr lang, so
wird das Flüssigkeitsteilchen auf seinem Wege mehrmals beschleunigt und abgebremst,
wodurch zwecklos Energie verbraucht wird.
Besonders wichtig ist
es aber, daß die Geschwindigkeit der Flüssigkeit beim Durchströmen der Ventile möglichst
gering ist. Denn da die Energie eines Flüssigkeitsstrahls proportional dem Quadrat
der Geschu-indigkeit ist, ist bei gleicher zu fördernder Flüssigkeitsmenge die aufzuwendende
Energie um so größer, je größer die Geschwindigkeit ist. Eine Pumpe, deren Ventil
also in einem engen Rohr angebracht ist, wird wesentlich mehr Energie verbrauchen
als eine andere Pumpe mit gleichem Hubraum, deren Ventilöffnung praktisch die ganze
Wandfläche einnimmt und bei der infolgedessen die Geschwindigkeit der Flüssigkeit
gering ist. Ähnliche Überlegungen gelten auch für Pumpen für Gase, vor allem für
Pumpen, die große Gasmengen bei kleinem Druckunterschied fördern sollen.
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Die Erfindung bezweckt nun, die erwähnten Bedingungen durch eine :einfache,
billige und betriebssichere Bauart der Pumpe zu erfüllen. Erfindungsgemäß wird dies
dadurch erreicht, daß die Ventilöffnungen für die eine Durehlaßrichtung gleichmäßig,
vorzugsweise in Form von rostähnlichen, mit Gummibändern belegten Schlitzen, über
die ganze der Membran gegenüberliegende Gehäusewand verteilt und die Öffnungen für
die andere Durchlaßrichtung mit ringförmigem Durchgangsquerschnitt an der die Membranwand
und die gegenüberliegende Ventilwand miteinander verbindenden Ringwand des Pumpraumes
angeordnet sind.
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Es sind zwar'schon Membranpumpen bekannt, bei denen der Pumpraum klein
gehalten ist, doch sind hier die Ventile in Ansätzen u. dgl. so angebracht, daß
sich in der Nähe der Ventile große Flüssigkeitsmengen befinden, die als toter Ballast
wirken und den Wirkungsgrad herabsetzen.
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Es sind auch schon Pumpen bekannt, bei denen der Abstand zwischen
Membran und ventilbesetzter Wand sehr gering ist; doch wird bei der bekannten Bauart
die Flüssigkeit sehr stark in der Richtung umgelenkt, wodurch große Energieverluste
entstehen.
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Man hat .auch schon Ein- und Auslaßventile auf der der Membran gegenüberliegenden
Wand angebracht, wobei jedoch ein nveim.aliges Umlenken des Flüssigkeitsstromes
notwendig ,wurde. Dadurch wird ebenfalls Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt.
Außerdem treten durch die engen Querschnitte in den Ventilen große Strömungsgeschwindigkeiten
mit den obenerwähnten Nachteilen auf.
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Bei der Ausbildung der Pumpe nach der Erfindung dagegen bewirken die
ob.enerwähnten Gesichtspunkte einen sehr hohen Wirkungsgrad. Denn der geringe Abstand
zivisehen Membranwand und Ventilwand läßt den Pumpraum außerordentlich klein werden;
durch die gleichmäßig über die ganze Fläche verteilten Ventilöffnungen sind große
Strömungsquerschnitte und dementsprechend kleine Strömungsgeschwindigkeiten möglich.
Die Bauart der Ventile erlaubt eine kurz Ansprechzeit, und endlich sind durch die
Anordnung der Ventile für die eine Richtung über die ganze Wand verteilt und der
Durchströmöftnungen für die andere Richtung in der Zwischenwand verhältnismäßig
kurze Wege mit wenig Ablenkung der Strömungsrichtung geschaffen.
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Die Erfindung sei an zwei Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung
erläutert. An dem Gehäuse i ist eine Membran 2 aus Gummi ringförmig eingespannt,
die mittels eines stabförmigen Übertragungsgliedes durch einen mit einer kückstellfeder
versehenen Schwingmotor oder durch einen Elektromotor mit Exzenter oder ähnliche
Einrichtungen in Schwingungen versetzt wird. Durch nicht gezeichnete Anschläge oder
ähnliche Einrichtungen ist die Bewegung des Übertragungsgliedes 3 begrenzt. Statt
des stabförmigen Übertragungsgliedes 3 kann auch eine Üb.ersetzungdangebracht sein,
die die Bewegung der Membran verkleinert gegenüber der Bewegung des Antriebselementes.
Der Membran gegenüber steht die Ventilwand q., die in dem Ausführungsbeispiel eingroße
Anzahl von rostähnlichen Längsschlitzen 5a, 5v, 5c usw. in geringem Abstand voneinander
aufweist, die durch Gummibänder 6a, 6U, 6e ... bedeckt sind, derart. daß
die Bänder bei der Bewegung der Membran nach unten in die gestrichelt gezeichnete
Stellung gegen die Schlitze gedrückt werden und diese verschließen. In dem ringförmigen
Teil des Gehäuses i, der die Ventilwand und die Membranwand verbindet. sind mehrere
Öffnungen 7 am Umfang des Ringes verteilt angebracht, die den Pumpraum mit einem
im Gehäuse vorgesehenen ringförmigen Raum 8 verbinden und in an sich bekannter Weise
durch einen Gummiring g in der einen Richtung verschlossen werden, der, ähnlich
wie bei der Ventilwand, gleichzeitig als Ventilkegel und Ventilfeder wirkt. Diese
Bauart der Ventile ist besonders vorteilhaft, da sie ein geringes Gewicht, also
eine hohe Ansprechgeschwindigkeit, mit großen Durchlaßöffnungen bei einfacher Bauart
vereinigt und große Lebensdauer bei fast vollkommener Geräuschlosigkeit aufweist.
Bewegt sich die :Jembran nach unten, in die gestrichelt gezeichnete Stellung, so
verschließen die Gummibänder 6a, 6b, 6c... die Schlitze 5a, 5b, 5c ... des Rostes.
Dadurch wird die in dem Pumpraum befindliche Flüssigkeit
durch
die seitlichen öffnungen 7 in den Raum 8 gedrückt, wobei der Gummiring 9 nachgibt
und die öffnungen 7 freigibt. # Bei der Bewegung der Membran nach oben geben dagegen
die Gummibänder 6a, 6b und 6c die Schlitze 5a, 5b, 5' ... frei, so daß die
Flüssigkeit aus dem hinter der Ventilwand liegenden Raum angesaugt wird, da jetzt
der Gummiring 9 die öffnungen 7 verschießt. Die Form der öffnungen 7 bzw. der Spalte
5 und der Gummibänder sind so gewählt, daß der Strömungswiderstand möglichst gering
ist. Die Gummibänder sind als Ventile sehr vorteilhaft; es können aber auch andere
Ventile mit entsprechend kleiner Ansprechzeit. und großer öffnung verwendet werden,
ebenso , für das Ventil g. Um die Stöße der pulsierenden Flüssigkeit in den anschließenden
Leitungen zu mildern, ist in an sich bekannter Weise eine zweite Kammer io vorgesehen,
die durch eine weitere elastische, nicht angetriebene Membran i i abgeschlossen
wird und ähnlich :einem Windkessel bei Luftpumpen -wirkt. Die Flüssigkeit strömt
durch den ringförmigen Raum 12 durch die öffnungen 13 in den Raum i o. Ein ähnlicher
Raum kann natürlich auch an der anderen Seite des Pumpraumes angeordnet sein.
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Um .eine sichere Bewegung der Membran 2 zu erzielen, ist ihr mittlerer
T,-il in an sich bekannter Weise zwischen zwei pilzförmigen Teilen 1q a und i.lb
eingespannt, die die Bewegung des Übertragungsgliedes 3 auf die Membran 2 bewirken.
Die beiden Membranen können noch durch besondere, nicht gezeichnete Federn gespannt
werden, um die Beanspruchung der Membran auf Dehnung zu verringern.
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Es ist auch möglich, den Ventilgummiring 9 wegzulassen, wenn nämlich
die Wucht der Flüssigkeit groß genug ist, um eine Bewegungsumkehr zu vermeiden,
wie dies Abb.2 zeigt. Zweckmäßig ist in diesem Falle die Ventilwand so ausgebildet,
daß die Gummibilder auf der unteren Seite der Wand befestigt sind. Bei der Bewegung
der Membran nach oben wird die Flüssigkeit durch die öffnungen 7 angesaugt, da die
öffnungen der Membranwand jetzt verschlossen sind. Bei der Bewegung der Membran
nach unten wird der größte Teil der Flüssigkeit durch die nun offenen Schlitze der
V°nt;i11-wand nach unten gedrückt und nur ein verschwindend geringer Teil durch
die öffnungen 7 nach außen. Der Vorgang wird noch unterstützt, wenn in der Zuleitung
ein längeres, verhältnismäßig enges Rohrstück 15 aus nicht dehnbarem Werkstoff angeordnet
ist, da dann die Wucht der Flüssigkeit in diesem Rohrstück .ein Rückschlagen der
Flüssigkeit aus dem Pumpraum verhindert. Es ist durch diese Anordnung möglich, den
Ventilring 9 ganz .einzusparen.
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Der Pumpraum kann kreisförmige, aber auch rechteckige Gestalt haben,
die VenidIwand eben oder gekrümmt sein. Bei einer rechteckigen Form des Pumpraumes
ist die Ventilwand vorteilhaft nur in einer Richtung gekrümmt, in der dazu senkrechten
Richtung dagegen gerade, so daß sie die Form einer Zylinderfläche hat. Die Ventilbänder
sind dann vorteilhaft in Richtung der Krümmung angebracht, derart, da,ß sie durch
die Krümmung der Wand leicht gespannt werden. Bei. der Krümmung der Ventilwand zur
Membran hin liegen dann _ die Ventilbänder im Pumpraum. Der Pumpraum wird durch
diese Ausbildung besonders klein. Die seitlichen öffnungen 7 befinden sich dann
zweckmäßig an den beiden gegenüberstehenden geraden Seiten des .rechteckigen Pumpraumes,
während die gekrümmten Seiten frei bleiben können, da die Flüssigkeit durch den
Druck der Membran vor allem in Richtung der Krümmung beschleunigt wird.