Die Wissenschaft hinter unseren Mem­bran­pumpen­ventilen

Wie sich Flatterventile auf den Wirkungsgrad von Membranpumpen auswirken

Flatterventile, auch bekannt als Lamellen-, oder Zungenventile, beeinflussen den Wirkungsgrad, die Leistung und die Zuverlässigkeit von Pumpen und Kompressoren erheblich, da sie bei richtiger Auslegung den Energieverbrauch und den Verdichtungsprozess verbessern, mögliche Schäden verhindern und die Gesamtleistung des Systems erhöhen. Außerdem spielen sie eine wichtige Rolle bei der Lärmreduzierung. Ihr dynamisches Verhalten in kleineren Vakuumpumpen wie Membranpumpen ist bisher jedoch wesentlich weniger erforscht als in größeren Kompressoren. In Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Graz hat KNF nun eine Methode zur Messung der Ventildynamik in Membranpumpen entwickelt, die bisher nur an wesentlich größeren Kompressoren möglich war.

Präzise Messung der Dynamik von Flatterventilen mit einem Laser-Doppler-Vibrometer

Der Versuchsaufbau wurde entwickelt, um Störungen für aussagekräftige Messungen zu minimieren und damit eine genaue Bewertung der dynamischen Eigenschaften der Ventile zu ermöglichen. Sie entspricht den Standardmethoden zur Leistungsmessung von Vakuumpumpen nach ISO 21360 und basiert auf einem von KNF erprobten Prüfstand, der eine individuelle Einstellung der Ein- und Ausgangsdrücke ermöglicht, um einen stabilen Betriebspunkt zu erreichen. Zur Versuchsvorbereitung wurde eine spezielle Auswahl von KNF Pumpen mit transparenten, durch O-Ringe abgedichteten Acrylfenstern ausgestattet. Zusätzlich wurde ein silbern reflektierendes Acrylspray auf die normalerweise nicht reflektierende Ventilfläche aufgetragen. Um die Genauigkeit dieser Methode zu gewährleisten, durfte die Beschichtung weder die Masse noch die dynamischen Eigenschaften der Ventile wesentlich verändern, auch wenn diese mit einer hochauflösenden analytischen Skala gemessen werden. Darüber hinaus erlauben die von KNF entwickelten BLDC-Motoren eine Anpassung der Drehzahl der Membranpumpe, um Messungen unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu ermöglichen.

Diese Modifikationen ermöglichen es dem Licht eines Laser-Doppler-Vibrometers, die Geschwindigkeit der Flatterventile zu messen. Durch die Auswertung ihres Verhaltens liefern diese Messungen wertvolle Informationen über die Öffnungs- und Schließpunkte der Ventile, die Aufprallgeschwindigkeit und weitere, mit der Position der Membran zusammenhängende Werte. Zusätzlich ermöglichte der Prüfstand auch die Aufzeichnung des Massenstroms, der Temperatur und des Drucks. Auch die Umgebung beeinflusst das Betriebsverhalten von Membranpumpen, daher werden während der Messungen Umgebungsdaten wie Luftdruck, Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit erfasst.

Das dynamische Verhalten der Flatterventile wurde bei drei verschiedenen Motordrehzahlen – 700 U/min, 1500 U/min und 3000 U/min – unter einer Vielzahl von Bedingungen in Vakuum- und Druckanwendungen mit einem maximalen Auslassdruck von 2 bar abs. untersucht. Für Vakuumanwendungen wurde die Druckseite der Pumpe mit der umgebenden Atmosphäre verbunden, so dass der Auslassdruck dem Umgebungsdruck entsprach. Bei Druckanwendungen wurde die Saugseite der Pumpe mit der Umgebungsatmosphäre verbunden.

Drehzahl und Druckverhältnis: wichtige Einflussfaktoren auf Ventilfunktion und Membranverformung

Vor jeder Messung wurde die Pumpe zum Aufwärmen zwei Stunden lang im Free Flow betrieben, das heißt, der Ein- und Auslassdruck entsprach dem Umgebungsdruck. Die Auswertung der Messungen ergab mehrere wichtige Erkenntnisse. Eine der bemerkenswertesten Beobachtungen war, dass die Schließpunkte sowohl der Einlass- als auch der Auslassventile in erster Linie von der Drehzahl und weniger vom Druckverhältnis – dem absoluten Auslass- zu Einlassdruck – abhängig sind. Die Öffnungspunkte der Ventile werden dagegen mehr vom Druckverhältnis als von der Drehzahl beeinflusst.

Außerdem konnte beobachtet werden, dass die Ventile fast unmittelbar nach dem Öffnen den Ventilanschlag berührten. Das Auftreten von Rückprall oder Zwischenschwingungen – ein für die meisten Flatterventile typisches Phänomen – war allerdings minimal, was ein gutes Ventildesign bestätigt. Eine umfassende Untersuchung verschiedener Druckverhältnisse ergab eine Abnahme der Ventilaktivität vom Free Flow bis zum Endvakuum. Die minimale Ventilbewegung beim Endvakuum lässt darauf schließen, dass die Ventile ihren geschlossenen Zustand beibehalten.

Die aus diesen Beobachtungen gewonnenen Erkenntnisse stellen einen bedeutenden Fortschritt im Verständnis der komplexen Ventildynamik in einem Membranpumpensystem dar. Insbesondere spielen Faktoren wie Drehzahl und Druckverhältnis eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Schließ- und Öffnungspunkte des Ventils und des daraus resultierenden Verhaltens. Zu dieser komplexen Dynamik trägt auch der Einfluss der Druckdifferenz über die elastisch verformbare Membran bei. KNF nutzt diese Erkenntnisse für die weitere Forschung und Entwicklung und ist stolz darauf, dass die gemeinsame Arbeit mit den wissenschaftlichen Mitarbeitenden der TU Graz bei der 13. „International Conference Compressors and their Systems” in London mit dem Preis „Best Student Paper” ausgezeichnet wurde.