Die Mutter aller Pumpen

Mal Hand auf¿s Herz, denn da schlägt sie, die Mutter aller Pumpen. Die Natur hat uns die Membranpumpe vorgemacht, wir Menschen es vor 4000 Jahren auch kapiert. Bei einer so langen Entwicklungszeit wundert es nicht, dass es heute so viele verschiedene Typen gibt: Mechanisch, hydraulisch und pneumatisch angetriebene Membranpumpen. Einige erzeugen Drücke bis 4000 bar, andere im Mikrochipformat. Manche sind aus Gold, andere wiederum haben Membranen aus Stahl. Unser Beitrag bringt Ordnung ins Chaos und erklärt Ihnen, was die alten Ägypter mit all dem zu tun haben.

Irgendwo am Nil zur Zeit des großen Pharaos. Erschöpft vom Anfächeln des Feuers lässt sich Amun, Schmiedelehrling bei Meister Chefren, auf seinen halbleeren Wassersack, fallen: Pfft, pfeift die Luft aus dem Tierbalg, fährt über¿s Feuer, lässt es auflodern. Noch bevor Meister Chefren zu großem Donnerwetter über Amuns Faulheit ausholen kann, hat der schon den Balg geleert, einen Stock daran gebunden und mit dem Blasebalg auch die Membranpumpe erfunden. So oder so ähnlich mag deren Geschichte begonnen haben. Liegen die Anfänge auch im Dunklen, der Vorteil der Membranpumpe dagegen ist klar ersichtlich.

¿Sie ist dicht,¿ bringt es Erich Becker, Geschäftsführer von KNF Neuberger, auf den Punkt und lässt eine kleine Pause, um diesen alles überragenden Vorteil zu unterstreichen. ¿Kein anderer Pumpentyp trennt Medien- und Antriebsbereich zu hundert Prozent.¿ Denn die Membran, eingespannt zwischen Förderraum und Antrieb ist zugleich Verdränger und Dichtung. Kein noch so kleiner Spalt bleibt. Und genau das fordern seine Kunden. Denn die müssen sich entweder sicher sein, dass die toxischen, aggressiven oder sonstwie umweltgefährdenden Stoffe, mit denen sie arbeiten, nicht einmal in Spuren austreten oder sie wollen umgekehrt verhindern, dass Öl oder andere Schmierstoffe das geförderte Medium verfälschen.

Die dichten Drücker

¿Dabei beschränken wir uns auf Membranpumpen mit mechanischem Antrieb¿, gibt sich Becker bescheiden. Mir fällt es allerdings schwer, eine Beschränkung auszumachen bei einem Angebot von über 2000 Serienpumpen. Diese Vielfalt nahm 1962 ihren Anfang, als man bei Neuberger ein neues Produkt suchte und Becker ¿ damals Konstrukteur ¿ sich die Membranpumpe vornahm. Erste Verbesserungen, das erste Patent, der Quantensprung bei Laborpumpen von 300 auf 100 Millibar Vakuum. Heute sind es über hundert Patente, 0,5 Millibar und neben Vakuumpumpen auch Flüssigkeits- und Prozesspumpen, eingesetzt hauptsächlich in Labors, Chemischer Industrie, Kerntechnik, Umwelttechnik und Analysetechnik.

Weil es eben diesen Kunden nicht sicher genug sein kann, kam 1972 die Sicherheitsmembran dazu. Eine zweite, elastischere und damit weniger beanspruchte Membran läuft parallel zur Arbeitsmembran. Versagt diese, verhindert die zweite Membran, dass das geförderte Medium in den Antriebsbereich entweicht. Dabei läuft die Pumpe mit geringen Leistungsverlusten weiter und ein Drucksensor im Zwischenraum der Membranen meldet das Malheur.
Die Erfindung der Doppelmembran ist vielleicht das beste Beispiel dafür, wie bei KNF Neuberger entwickelt wird. ¿Wir arbeiten sehr eng mit unseren Kunden zusammen, unser Geschäft besteht zur Hälfte aus Projektarbeit. Durch dieses Miteinander erhalten wir viele Anregungen, aus denen dann neue Produkte entstehen¿, lobt Becker seine Kunden. Entstanden ist so ein Baukastensystem von 40 Grundelementen, aus denen alle Serienpumpen und Sonderanfertigungen entstehen. Die badischen Tüftler nutzen dazu einen weiteren Vorteil der Membranpumpe: ihren einfachen und wartungsarmen Aufbau. So haben sie die Pumpe mit klar definierten Schnittstellen in die Baugruppen Antrieb, Membran, Kopf und Ventile gegliedert. Da bleibt kein Wunsch offen: Motoren aus dem eigenen Haus für alle Spannungen, Membranen aus Neopren oder EPDM, bei aggressiven Medien mit Teflon beschichtet, Köpfe aus Aluminium, besser Edelstahl, bei Ätzendem komplett aus Teflon, wenn¿s ganz hart und vor allem ganz heiß kommt auch aus Keramik. ,,Die Kunst ist die dem Projekt entsprechende Materialwahl¿, grenzt Erich Becker die Leistungen seines Unternehmens gegen die eines reinen Komponentenlieferanten ab und verweist auf eine Pumpe für die Abgaskatalysatorenforschung. Bei diesem Projekt mussten Kopf und Gasführung der Pumpe sogar vergoldet werden, um die Anforderungen des Kunden zu erfüllen.

Nass oder trocken ¿ läuft sicher

Doch nicht nur Gase fördern die Pumpen aus dem Breisgau. Das Prinzip der Membranpumpe eignet sich natürlich ebenso zum Pumpen von Flüssigkeiten. Die sind allerdings inkompressibel und träger als Luft. Für Becker und seine Ingenieure bedeutete das, die alten Pläne vom Reißbrett zu reißen und neue Blätter aufzuspannen. Heraus kamen dabei ganz clevere Lösungen: Um die einströmende Flüssigkeit beim Pumpen nicht ständig beschleunigen und abbremsen zu müssen, speichert eine zweite, passive Membran einen Teil zwischen. Das schont Material und Betriebskosten. Die Badener haben es sogar geschafft, die Membranpumpe ihrer eigenen Art zu entfremden. Obwohl aus der Familie der oszillierenden Verdrängerpumpen, arbeitet eine ihrer Dosierpumpen quasikontinuierlich und fast pulsationsfrei. Das Geheimnis ist ein Schrittmotor, der beim Ansaugen blitzschnell und beim Ausstoßen ganz langsam läuft.

So breit das Angebot der Munzinger auch ist, es deckt längst nicht alle Anwendungsbereiche der Membranpumpen ab. Bei extremen Drücken und Fördervolumen will Erich Becker ganz bewusst nicht mithalten: ¿Wir sind Spezialisten und konzentrieren uns ganz auf unseren Bereich.¿
Deshalb Szenenwechsel nach Mühlheim an der Ruhr. In den Hallen von Andreas Hofer Hochdrucktechnik stehen mannshohe Anlagen die mit den Munzinger Pumpen noch das Funktionsprinzip gemeinsam haben. Kompressoren sind es, Hochdruckkompressoren für Drücke bis 4000 bar. Verständlich, dass solchen Drücken keine mechanisch angetriebene Kunststoffmembran standhalten kann. Stattdessen Membranen aus Stahl, gestützt und bewegt von Hydrauliköl. Die Punktlast eines treibenden Pleuels wird so zur Flächenlast, die Membran selbst bleibt spannungsfrei. Nur so ist es möglich Drücke zu erzeugen, die nötig sind um Wasserstoff, Stickstoff, Kohlendioxid, Methan und andere Gase für den Einsatz in Chemie, Petrochemie, Pharmazie oder Raumfahrttechnik zu komprimieren. Denn neben den erreichbaren Drücken schätzt man auch hier die trennende Membran, die einzig eine schmiermittelfreie Verdichtung garantiert.

Spannungsfrei mit Hydrauliköl

Auch Flüssigkeiten bringt die älteste Pumpe der Welt mit Hilfe der Hydraulik so richtig unter Druck. 350 bar sind für Hochdruck-Membranpumpen wie sie Uraca oder Lewa in ihrem Programm haben kein Problem. So finden sich diese Pumpen hauptsächlich in der Verfahrenstechnik, die zwei weitere Vorteile der Membranpumpe schätzt: Einerseits die Trockenlaufsicherheit, denn was nicht aneinander reibt, kann sich auch nicht fest fressen; andererseits das konstante, reproduzierbare Fördervolumen, das sich selbst von Druckschwankungen auf der Prozessseite nicht beeinflussen lässt ¿ oberste Bedingung für genaues Dosieren. Der hydraulische Antrieb macht die Membranpumpe darüber hinaus für Betreiber von Reinräumen und explosionsgeschützten Anlagen interessant. Druckerzeuger, also die Hydraulikpumpe, und der Membranpumpenkopf lassen sich nämlich, nur noch mit den Hydraulikleitungen verbunden, räumlich trennen. So bleibt der stampfenden und brummenden Elektromotor der Hydraulikpumpe außen vor.

Ganz andere Wege muss man gehen, wenn man den Flatterbäckchen einen ihrer gravierendsten Nachteile abgewöhnen will: das geringe Fördervolumen. ¿Viel hilft viel¿ ist hier das Motto: Zwei Membranen statt einer, Rücken an Rücken, von flinker Druckluft im Wechsel getrieben, das alles in ein Gehäuse aus Edelstahl oder Teflon eingepackt und fertig ist ein kräftiger Allesfresser. Ob zäh oder dünnflüssig, ob sauer oder alkalisch ist diesen Pumpen egal. Die verdauen alles zuverlässig und mit hoher Lebensdauer, sogar feste Klumpen und schmirgelnde Steinchen. So haben sie ihren festen Platz in Galvanik, Abwassertechnik und Lackverarbeitung. Weil in diesen Gewerben oft gereinigt werden muss, hat man sich bei Almatec im tiefen Westen der Republik etwas einfallen lassen. Zwei Typen aus deren breiter Palette von Druckluft-Membranpumpen kommen Ihnen beim Reinigen im wahrsten Sinne des Wortes entgegen. Denn per Ventilkugelheber oder Bypass kann die Pumpe entgegen der Förderrichtung gespült werden. Saubere Sache, die Reinigungsmittel und Zeit spart.
Unsere Übersicht über die Membranpumpen ist damit fast komplett. Bleiben nur noch zwei Rekordhalter zu nennen. Die eine ist die Kleinste, die andere die am weitesten verbreitete. An der Kleinsten arbeiten die Leute am Fraunhofer Institut für Festkörpertechnologie in München. Fingernagelgroß fördert der Pumpchip einen ganzen Milliliter pro Minute, Gas wie Flüssigkeit. Dosieren und Probenahme in Medizin und Analytik sind die Stärken für das von einem Piezokristall getriebene Membränchen. Den anderen Rekordhalter benutzen Sie jeden Tag, ohne dass Sie sich wahrscheinlich dessen bewusst sind. Denn zuverlässig und langlebig wie Membranpumpen nun mal sind versieht sie unauffällig ihren Dienst, die Benzinpumpe.

Matthias Meier / Oktober 1999

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