DE69107990T2 - Hydraulisch angetriebene Hochdruckmembranpumpe. - Google Patents

Description

• Hydraulisch betriebene Membranpumpen für hohe Drücke haben im allgemeinen eine dünne Metallmembran (aus rostfreiem Stahl), die in ihrer Mitte nichtelastisch verformbar ist und die zwischen einer hydraulischen Steuerkammer und einer Arbeitskammer angeordnet ist. Die Größe der Auslenkung der Membranmitte ist begrenzt, weshalb ein hoher Arbeitstakt der Pumpe erforderlich ist, um bei im übrigen gleichen Voraussetzungen eine hohe Leistung zu erbringen. Dies führt dazu, daß die Membranen sehr rasch altern und deshalb zerreißen können, was zur Folge hat, daß sich die im allgemeinen aggressive Pumpflüssigkeit mit der in der Hydraulikkammer vorhandenen Flüssigkeit vermischt, wodurch die Pumpe nicht nur außer Betrieb gesetzt, sondern auch rasch zerstört wird. Deshalb ist es zweckmäßig, derartige Pumpen mit einer Doppelmembran auszustatten, damit man mit noch größerer Sicherheit für eine Trennung der beiden Flüssigkeiten sorgen und eine Vorrichtung zum Nachweis eines Membranrisses anordnen kann.
• Es gibt Pumpen mit einer Doppelmembran, bei denen zwischen den Membranen ein eine Zwischenschicht bildendes Material vorgesehen ist, das Kanäle hat, in welchen eine Flüssigkeit strömen kann, die aus einer der Pumpenkammern durch eine der gerissenen Membranen hindurch zu einer Leitung strömt, die für den Nachweis einer Rißbildung der Zwischenschicht gegenüberstehend in dem Pumpenkörper ausgebildet ist. Wegen der hohen Drücke, die im Spiel sind, läßt sich diese Vorgehensweise nicht auf Metallmembranen übertragen, da das in der Förderphase der Pumpe zwischen den beiden dünnen Membranen stark zusammengedrückte und sich in der anschließenden Saugphase der Pumpe wieder ausdehnende Zwischenmaterial einer Wechselbeanspruchung ausgesetzt ist, die das Materialverhalten mit der Zeit beeinträchtigt und eine rasche Zerstörung hervorruft.
• Schließlich gibt es Pumpen, deren Membran zwei verformbare Metallplatten umfaßt, die mit einer dünnen Platte aus elastischem Material dicht aneinanderliegend verbunden sind (siehe FR-A-1 373 780). Diese Pumpen sind aufgrund der elastischen Komprimierbarkeit des Kerns weder für hohe Drücke noch für den Nachweis eines Nembranrisses geeignet.
• Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Lösung, die dank der Anordnung eines zwischengelagerten Materials, das ohne bedeutende Verformung einer starken Kompression standhalten kann, für den Nachweis eines Membranrisses bei einer für hohe Drücke ausgelegten Pumpe mit Metallmembran geeignet ist, ohne dabei die Funktion der Pumpe und insbesondere deren Saughöhe zu verschlechtern.
• Zu diesem Zweck ist die Aufgabe der Erfindung eine hydraulisch betätigte Membranpumpe für hohe Drücke, in welcher die zwischen der hydraulischen Steuerkammer und der Arbeitskammer vorgesehene Membran ein Verbund aus zwei dünnen Metallmembranen mit einer zwischengelagerten dicken Membran aus Kunststoff ist, die über eine hohe Druckverformungsbeständigkeit verfügt und die Form eines elastisch verformbaren Gewölbes hat, dessen konkave Seite der Arbeitskammer zugekehrt ist. Durch die dicke Zwischenmembran verfügt man über ein Zwischenvolumen, das sich bei hohem Förderdruck nicht verringert und deshalb überwacht werden kann, um Membranrisse festzustellen. Diese große Dicke, die zu einer gewissen Steifigkeit des Materials noch hinzukommt, wirkt sich aufgrund der hohen Druckverformungsbeständigkeit in der Saugphase der Puinpe, in der die entwickelte Leistung durch Kavitationserscheinungen in der hydraulischen Arbeitsflüssigkeit begrenzt ist, nachteilig aus. Dieser Nachteil wird durch die in der Ruhelage konkave Form der Zwischenmembran beseitigt, die eine Rückstellfeder für die Membran bildet und bei der Ansaugung unterstützend mitwirkt. Um diese Überwachungsfunktion noch besser zu gewährleisten, hat die dicke Membran Ablaufkanäle, die eine Kommunikation zwischen jeder der Membranflächen und einem radialen Kanal herstellen, der einem in dein Pumpenkörper gebildeten Kanal zum Nachweis eines Membranrisses gegenüberstehend angeordnet ist.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt der Körper einen Abstandsring, der sich zwischen den Metallmembranen an der Außenseite der dicken Membran erstreckt, wobei sich die Einspannzone über den Abstandsring und die Peripherie der dicken Membran erstreckt.
• Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Pumpe.
• Dabei wird auf die anliegende Zeichnung bezug genommen, in der ein erfindungsgemäßer Pumpenkopf in einem Axialschnitt schematisch dargestellt ist.
• Der Pumpenkopf wird durch zwei Abschnitte 1 und 2 eines Pumpenkörpers und durch ein zwischen diesen angeordnetes Abstandselement 3 definiert. Diese Elemente 1, 2 und 3 sind in axialer Richtung zusammengespannt, wobei sie in Höhe des ringförmigen Astandselements 3 eine Verbundmembran 4 einklemmen, die nachfolgend im Detail beschrieben wird. Diese Verbundmembran bildet die gemeinsame bewegliche Wand einer Arbeitskammer (oder Pumpkammer) 5 und einer hydraulischen Steuerkammer 6. Die Kammer 5 ist über Einrichtungsventile 9 und 10 in bekannter Weise mit einer Saugleitung 7 und einer Förderleitung 8 verbunden. Folglich wird die in der Kammer 5 enthaltene Flüssigkeit zur Leitung 8 gefördert, wenn die Membran 4 nach links in der Figur bewegt wird. Die Bewegung nach rechts bewirkt, daß durch das Ventil 9 hindurch Flüssigkeit aus der Saugleitung 7 angesaugt wird.
• Die Bewegung der Membran 4 entsteht durch die Wechselbewegung eines Kolbens 11 in der hydraulischen Steuerkammer 6. Die Betriebsflüssigkeit, die nach links in der Figur verdrängt wird, bewegt die Membran 4 ebenfalls nach links (Förderung). Auf seinem Rückzug sorgt der Kolben 11 für eine Ansaugung, durch welche die Membran nach rechts zurückbewegt wird.
• In Übereinstimmung mit der Erfindung umfaßt die Verbundmembran 4 zwei äußere Metallmembranen 12 und 13, zum Beispiel aus rostfreiem Stahl. Damit die Membranen über eine bestimmte nichtelastische Verformbarkeit verfügen können, ist ihre Dicke gering bemessen. Sie sind so gefertigt, daß ihre Oberfläche größer ist als die Scheibenfläche gleichen Durchmessers. Diese Membranen werden an ihrer jeweiligen Randzone zwischen dem Abschnitt 1 des Pumpenkörpers und dem ringförmigen Abstandselement 3 sowie zwischen dem Abschnitt 2 des Körpers und diesem Abstandselement festgeklemmt.
• Eine Zwischenmembran 14 ist zwischen den beiden Membranen 12 und 13 angeordnet. Diese Membran 14 ist dick und geformt, das heißt sie nimmt in der Ruhelage eine in der Figur dargestellte Schalen- oder Kegelform an, deren konkave Seite 14a der Pumpkammer 5 zugekehrt ist. Diese Membran ist elastisch verformbar, das heißt bei Druckbeaufschlagung ihrer konvexen Seite versucht sie, eine flache, ja sogar ausgelenkte Form anzunehmen. Wenn dieser Druck aufgehoben wird, bildet sich die Membran 14 elastisch in ihre Ursprungsform zurück. Das für diese Membran verwendete Material ist ein Kunststoff mit hoher Druckbeständigkeit (in der Größenordnung von 500 kg/cm² ohne Verformung). Derartige Werkstoffe sind im Handel zum Beispiel unter der Bezeichnung DELRIN (Polyacetat) oder ARNITE bekannt.
• Diese dicke Membran 14 befindet sich im Inneren des ringförmigen Abstandselements 3 und hat in der Figur dargestellte Kanäle 15, die eine kommunizierende Verbindung zwischen der konkaven Seite 14a und der konvexen Seite 14b der Membran 14 und einer Leitung 16 zum Nachweis eines Membranrisses herstellen, die als radial in dem Abstandselement 3 gebildete und mit einem Einrichtungsventil 17 versehene Leitung an sich bekannt ist.
• Die dicke Membran hat eine gestufte Außenfläche 18, die der Stufung der Innenfläche 19 des Abstandselements 3 entspricht. Diese Stufung bildet ein Mittel, das für eine Unverwechselbarkeit sorgt und verhindert, daß die Membran 14 beim Einsetzen mit ihrer konkaven Seite in die falsche Richtung weist. Zwischen dem Abstandselement 3 und der Membran 4 ist in Umfangsrichtung ein kleiner Spielraum vorhanden.
• Im übrigen wird man bemerken, daß die Dicke E der Membran 14 etwas größer ist (einige Hundertstel Millimeter) als die Dicke e des Abstandselements 3.
• Die Zone, in der die Verbundmembran zwischen den beiden Abschnitten 1 und 2 des Pumpenkörpers zusammengespannt ist, hat eine Abmessung L, die ausreichend groß ist, damit sich die Spannkraft, die durch nicht dargestellte, an sich bekannte Montageklammern über diese Metallmembranen 12 und 13 auf das Abstandselement 3 ausgeübt wird, durch diese Membranen hindurch auch auf die Peripherie der dicken Membran 14 erstrekken kann.
• Bei der Montage kann der zwischen den Membranen eingeschlossene Raum entweder mit einer Flüssigkeit gefüllt werden (ein Tropfen Öl genügt) oder, falls es die Anwendung erfordert, in seinem Zustand belassen werden, und man läßt die Pumpe mit zunehmender Belastung arbeiten, wodurch die zwischen den Membranen eingeschlossene überschüssige Füllflüssigkeit oder Luft folglich durch das Ventil 17 hindurch beseitigt wird, wobei diese Flüssigkeit oder Luft durch die Spielräume und die Kanäle 15 zwischen den Membranen und dem Abstandselement 3 unter der Wirkung des Förderdrucks der Pumpe auf beiden Seiten der Verbundmembran ausgetrieben wird.
• Durch die Formgebung und die Elastizität der dicken Membran 14 hat man, wie vorstehend bereits erwähnt, eine Saughilfe geschaffen, mit welcher die Saughöhe einer solchen Pumpe deutlich vergrößert werden kann, ja sogar 10 Meter Wassersäule erreichen kann.
• Der Riß einer Metallmembran macht sich dadurch bemerkbar, daß in jeder Förderphase der Pumpe Flüssigkeit durch das Ventil 17 entweicht, wobei ein Alarm ausgelöst und/oder die Pumpe gestoppt werden kann.

Claims (4)

1. Hydraulisch betätigte Membranpumpe für hohe Drücke, bei welcher die zwischen der hydraulischen Steuerkammer (6) und der Arbeitskammer (5) angeordnete Membran (4) ein Verbund ist und zwischen zwei dünnen Metallmembranen (12,13) eine dicke Zwischenmembran (14) umf aßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenmembran (14) aus einem Kunststoff mit hoher Druckverformungsbeständigkeit in der Größenordnung von 500 kg/cm² besteht und die Form eines elastisch verformbaren Gewölbes hat, dessen konkave Seite (14a) der Arbeitskammer (5) zugekehrt ist.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dicke Membran (14) Ablaufkanäle (15) hat, die eine Kommunikation zwischen jeder ihrer Flächen (14a,14b) und einem in den Pumpenkörper (1,2,3) eingearbeiteten radialen Kanal (16) zum Nachweis eines Membranrisses herstellen.

3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, deren Körper (1,2,3) einen Abstandsring (3) umfaßt, der sich rund um die dicke Membran (14) zwischen den Metallmembranen (12,13) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannzone (L) der Membran (4) in dem Körper den Abstandsring und die Peripherie der dicken Membran (14) überspannt.

4. Pumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche (19) des Abstandsrings (3) gestuft ist und daß die Umfangsfläche der dicken Membran (14) eine entsprechende Stufung (18) aufweist.