Startseite » Chemie »

Die Membrane macht‘s

Eigenschaften bestimmen Einsatzgebiete von Membranpumpen für Gase und Dämpfe
Die Membrane macht‘s

Die Membranpumpe bietet sich heute für vielfältige Aufgaben an. Dabei ist es egal, ob es sich um aggressive, toxische oder solche Medien handelt, die unter keinen Umständen verfälscht oder verunreinigt werden dürfen. Eine besondere Rolle kommt der anforderungsorientierten Gestaltung der Membrane und ihrer sorgfältigen Fertigung zu.

Werner Trares*, Erwin Hauser**

Membranpumpen für Gase und Dämpfe haben schon lange ihren Platz in der Analysen-, der Medizin- und der Verfahrenstechnik sowie im Labor gefunden (Abb. 1). Sie fördern Medien unverfälscht, besitzen eine hohe Gasdichtigkeit und lassen sich im medienberührten Teil chemisch beständig ausführen. Je nach eingesetztem Membrantyp unterscheiden sich die Eigenschaften und die Anwendungen der Pumpen im Detail. Als Membranen kommen heute drei Grundkonstruktionen zum Einsatz: die Flachmembrane, die Formmembrane und die Strukturmembrane.
Flachmembrane
Die Flachmembrane ist der klassische Membrantyp und besteht aus einer ebenen Gummiplatte. Die Verbindung der Membrane mit dem Pleuel, der die Auf- und Abwärtsbewegung vorgibt, erfolgt über eine Druckscheibe – in der Regel aus Metall – und einer durch ein Loch in der Membranmitte geführten Schraube. Pumpen mit Flachmembrane überzeugen durch hohe Druckfestigkeit, weil das Pleuel bzw. der Pleuelteller die Membrane unterstützt. Für Vakuumpumpen sind Flachmembranen jedoch nicht die beste Wahl, weil sie kein gutes Vakuum ermöglichen: Aus der geometrischen Gestaltung von Membrane, Druckscheibe und Verdichtungsraum in Verbindung mit der leichten Kippbewegung der Exzenter betätigten Membrane resultiert ein hohes Totvolumen im oberen Wendepunkt der Membranbewegung (Abb. 2); Folge ist ein beim Evakuieren schädliches Volumen. Überdies erweist sich für viele Anwendungen die Gasdichtigkeit solcher Membranpumpen als unbefriedigend, weil u. a. das Gas an der Pleuel-Befestigungsschraube entlang in den Pumpenraum kriechen und emitieren kann. Die üblicherweise erreichbare Leckrate von 1 mbar l/s schränkt den Einsatz der Pumpen in der Analysen-, Chemie- und Medizintechnik ein.
Nachteilig wirkt sich weiterhin die mangelnde Beständigkeit der Metallteile (Druckscheibe, Schraubenkopf) gegenüber korrosiven oder aggressiven Gasen aus. Für chemiefeste Pumpenausführungen müssen deshalb neben der Membrane auch die Druckscheibe und der Schraubenkopf mit einem chemisch beständigen Stoff wie PTFE beschichtet werden.
Formmembrane
Bei der von KNF Neuberger entwickelten Formmembrane wird das zum Auslenken der Membrane nötige Metallteil mittig in die Membrane einvulkanisiert und bildet dort eine steife Zone (Abb. 3). Somit ist die im Förderraum befindliche Membranseite völlig geschlossen. Deshalb lässt sich der Förderraum der Kontur der ausgelenkten Membrane gut anpassen; das Totvolumen der Pumpe verringert sich, ohne dass die Membrane am oberen Wendepunkt der Bewegung am Pumpenkopf anschlagen würde. In Folge ergibt sich ein gutes Vakuum. Gleichfalls schafft die geschlossene Oberfläche der Membrane eine sehr gute Gasdichtigkeit der Pumpe.
Weiter sind mit der Formmembrane zuverlässige chemieresistente Pumpenausführungen für Anwendungen mit korrosiven oder aggressiven Gasen oder Dämpfen gut möglich. Das Metallteil der Pumpe ist einvulkanisiert, also durch Elastomer abgedeckt. Die PTFE-Beschichtung von Metallteilen wie bei Flachmembran-Konstruktionen entfällt folglich. Die Membrane selbst lässt sich mit einer Schutzschicht gegen aggressive Medien versehen, wobei sich die Schutzschicht durch Vulkanisation mit der Elastomer-Membrane dauerhaft vernetzt.
Mit den aufgezählten Eigenschaften stellt sich die Formmembrane besser dar als die Flachmembrane. Weil die Formmembrane jedoch keine starre Druckscheibe und Membranunterstützung wie die Flachmembrane besitzt, weist sie eine eingeschränkte Druckfestigkeit auf. Dies ist besonders relevant für Kompressoren.
Strukturmembrane
Die patentierte Strukturmembrane kombiniert die Vorteile von Flach- und Formmembrane, schließt aber gleichzeitig die Nachteile dieser beiden Membranarten weitgehend aus. Wie bei der Form- ist auch bei der Strukturmembrane das zum Auslenken der Membrane nötige Metallteil mittig in die Membrane einvulkanisiert und bildet dort eine steife Zone. Die im Förderraum befindliche Membranseite ist also ebenfalls völlig geschlossen. Der Unterschied: das Membranunterteil wird entsprechend der jeweiligen Belastung strukturiert, und die Membrane im Zentrum versteift (Abb. 4). Die Vorteile sind eine geringere mechanische Belastung, und damit ein geringerer Verschleiß, eine kleinere Baugröße, eine vergleichsweise hohe Druckfestigkeit und eine große Förderleistung.
Wie schon bei der Formmembrane, ermöglicht die geschlossene Oberfläche der Strukturmembrane problemlos zuverlässige chemieresistente Ausführungen. Zu guter Letzt ist die im Vergleich zur Flachmembrane sehr hohe Gasdichtigkeit zu nennen. Gegenüber der Formmembrane in üblicher Ausführung ist sie durch eine spezielle Gestaltung nochmals verbessert. Dazu wird der Randbereich der Strukturmembrane mit einem Wulst versehen, der an der Klemmung zwischen Pumpengehäuse und -kopf als formschlüssige Dichtung dient (Abb. 4). Als Folge aller Maßnahmen liegt die Leckrate einer Pumpe mit Strukturmembrane in der Regel um mehr als den Faktor 100 niedriger als die einer Pumpe mit Flachmembrane.
Entwicklung und Fertigung
Erst die Entwicklung von der Flach- über die Form- zur Strukturmembrane hat den vielfältigen Einsatz der Membranpumpe ermöglicht. Dabei sind die Anforderungen an die Membrane in Bezug auf mechanische, chemische und thermische Belastung drastisch gestiegen. Das einfache Gummiteil Membrane hat sich zu einem Bauteil entwickelt, das über Finite-Elemente-Berechnungen ausgelegt wird und einem komplexen Fertigungsprozess unterliegt. Die Herausforderung war es, eine Gummi-Metallverbindung zwischen der Membrane und dem Metallbolzen der Exzenterverbindung zu schaffen, die trotz des unterschiedlichen Elastizitätsverhaltens der Werkstoffe und trotz der dynamischen Belastung im Pumpenbetrieb ein langlebiges Bauteil ermöglichen. Neben der Suche nach geeigneten Werkstoffen stand beim Membranhersteller Freudenberg das Fertigungsverfahren im Mittelpunkt der Bemühungen.
Von großer Bedeutung für die Funktion der Membranen ist eine dauerhaft feste chemische Bindung zwischen PTFE-Folie bzw. Metallteil einerseits und Elastomer andererseits. Hier gelang es durch Abstimmung geeigneter Haftmittelsysteme auf die vorliegenden Werkstoffe Verbindungen zu erzielen, deren Festigkeit über der des Elastomers liegt.
E cav 291
Unsere Webinar-Empfehlung
Newsletter

Jetzt unseren Newsletter abonnieren

cav-Produktreport

Für Sie zusammengestellt

Webinare & Webcasts

Technisches Wissen aus erster Hand

Whitepaper

Hier finden Sie aktuelle Whitepaper

Top-Thema: Instandhaltung 4.0

Lösungen für Chemie, Pharma und Food

Pharma-Lexikon

Online Lexikon für Pharma-Technologie

phpro-Expertenmeinung

Pharma-Experten geben Auskunft

Prozesstechnik-Kalender

Alle Termine auf einen Blick


Industrie.de Infoservice
Vielen Dank für Ihre Bestellung!
Sie erhalten in Kürze eine Bestätigung per E-Mail.
Von Ihnen ausgesucht:
Weitere Informationen gewünscht?
Einfach neue Dokumente auswählen
und zuletzt Adresse eingeben.
Wie funktioniert der Industrie.de Infoservice?
Zur Hilfeseite »
Ihre Adresse:














Die Konradin Verlag Robert Kohlhammer GmbH erhebt, verarbeitet und nutzt die Daten, die der Nutzer bei der Registrierung zum Industrie.de Infoservice freiwillig zur Verfügung stellt, zum Zwecke der Erfüllung dieses Nutzungsverhältnisses. Der Nutzer erhält damit Zugang zu den Dokumenten des Industrie.de Infoservice.
AGB
datenschutz-online@konradin.de