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Die Erfindung betrifft ein hydraulisch angetriebenes Dosierpumpen-Aggregat mit gegenläufigem elektrohydraulischem Doppelantrieb, im wesentlichen bestehend aus einer Zwillings-Membranpumpe mit zwei
Pumpenkammern, welche durch je eine Membran in einen Druckraum und einen Arbeits-oder Förderraum unterteilt sind, und einer Hydraulikpumpe, durch die Hydraulikflüssigkeit über mindestens einen Steuerschieber alternierend einem hydraulischen Arbeitszylinder zugeführt wird.
In der Prozess-Technologie werden verbreitet Dosierpumpen zur kontinuierlichen Förderung oder chargenweisen Zuteilung flüssiger Komponenten eingesetzt, wobei die typischen Eigenschaften einer Dosierpumpe nach dem Verdrängerprinzip, d. h. die Förderung in diskreten Volumseinheiten, die einstufige überwindung hoher
Druckstufen und- die leichte Einstellbarkeit der Fördermenge über die Hublänge und/oder Hubfrequenz, technologisch ausgenutzt werden. Diese Dosierpumpen oder Dosiermaschinen bestehen fast durchwegs aus einem mechanischen Triebwerk, an das als eigentliches Förderorgan ein Kolben-, Faltenbalg- oder
Membran-Pumpenkopf angebaut ist, dessen Förderleistung über die Hublänge und/oder Hubfrequenz eingestellt werden kann. Der Antrieb erfolgt üblicherweise mittels Elektromotor über ein Reduzier- oder Regelgetriebe.
Das mechanische Triebwerk dient zur Umwandlung einer rotierenden in eine oszillierende Bewegung, die über eine
Schubstange auf den Verdrängerkolben des Pumpenkopfes übertragen wird. Für Dosierpumpen mit geringen
Anforderungen an die Fördergenauigkeit werden einfache Exzentertriebwerke mit Rückholfeder in kraftschlüssiger Ausführung eingesetzt. Triebwerke für hohe Anforderungen an die Fördergenauigkeit weisen durchwegs eine formschlüssige Bewegung der Kolbenstange auf und können je nach Konstruktionsprinzip der
Hubverstelleinrichtung als Antriebe mit Verstellexzenter, Keilexzenter, Kipphebel usw. unterschieden werden.
Die Förderkennlinie einer Dosierpumpe mit verstellbarem Exzentertriebwerk entspricht grundsätzlich einer Sinus-oder sinusähnlichen Funktion, wobei sich die Lage des Totpunktes bei reinen Exzentertriebwerken in der
Mitte der Schubstangen-Amplitude und bei Kipphebeltriebwerken am vorderen Ende der Schubstangen-Ampli- tude befindet. Einfache Exzentertriebwerke mit Rückholfeder und mechanischem oder hydraulischem Anschlag zeigen im Teillastbereich eine abgehackte sinusförmige Kennlinie mit gleichbleibender Amplitude.
Da die Kolbengeschwindigkeit nach einer Sinusfunktion verläuft, ergibt sich die Kolbenbeschleunigung bzw. -verzögerung nach einer Cosinusfunktion. Bei halber Kolbenweglänge wird die maximale
Ausstossgeschwindigkeit erreicht, wobei die Beschleunigung auf Null abfällt.
Am Beginn des Saug- oder Druckhubes ist die Kolbengeschwindigkeit Null und die Kolbenbeschleunigung bzw. -verzögerung ein Maximalwert. Bei der pulsierenden Förderung eines Dosiergutes spielt daher die Masse des
Fördergutes pro Hub und die dabei erreichte maximale Strömungsgeschwindigkeit eine entscheidende Rolle, da die Massenkräfte mit dem Quadrat der Geschwindigkeit wachsen. Durch die Massenbeschleunigungs- bzw. - verzögerungskräfte wird die Konstruktion oszillierender Verdrängerpumpen wesentlich beeinflusst, u. zw. in bezug auf die Exzentrizität des Antriebes, die Hubfrequenz, den Cv-Wert der Ventile, überförderung bzw. Kavitation infolge der Massenträgheit des Fördergutes, Prellungserscheinungen bewegter Ventilteile usw.
Davon sind auch die Saug-und Druckleitungen der gesamten Pumpeninstallation betroffen, so dass bei grösseren Förderleistungen hydraulische Dämpfungsglieder, z. B. Windkessel oder Druckspeicher, am Ende der Saugleitung und am Beginn der Druckleitung erforderlich werden. Zur Pulsationsdämpfung in den Förderleitungen werden vielfach auch Mehrfachdosierpumpen, hauptsächlich mit drei jeweils um 1200 phasenversetzte Pumpenköpfe eingesetzt, die jedoch relativ aufwendig sind.
Die theoretische Fördermenge einer Dosierpumpe pro Zeiteinheit ergibt sich aus dem Punkt der Querschnittsfläche des Verdrängerkolbens mal der Hublänge mal der Hubfrequenz. Für ein Triebwerk mit bestimmter maximaler Kolbenstangenkraft ist daher der zulässige Enddruck verkehrt proportional zur Kolbenquerschnittsfläche. Da mit einer der üblichen mechanischen Triebwerkstypen nur ein relativ kleiner Dosierpumpen- bzw. -Druckbereich überdeckt werden kann, müssen Dosierpumpen, d. h. Triebwerke und Pumpenköpfe, ausnahmslos in mehreren Leistungsstufen hergestellt werden, wobei Kolbenstangenkräfte von einigen Kilopond bis zu mehreren Megapond durchaus üblich sind.
Schubstangenkräfte bis zirka 1 Megapond können mit mechanischen Triebwerken noch wirtschaftlich erreicht werden. Grössere Schubstangenkräfte erfordern in zunehmendem Mass schwere, aufwendige Triebwerkskonstruktionen, die, bedingt durch grosse bewegte Triebwerksmassen, der maximal zulässigen Druckbelastungen gleitender Triebwerksteile, der infolge der Massenträgheit eingeschränkten Hublänge und Hubfrequenz usw. rasch unverhältnismässig kostspielig werden.
Triebwerke mit Verstellexzenter werden in Baugrössen für maximale Hublängen von zirka 10 bis 150 mm gebaut, während leistungsmässig vergleichbare Kipphebeltriebwerke infolge der komplizierten Triebwerkskonstruktion nur maximale Hublängen von zirka 10 bis 60 mm zulassen. Für die verschiedenen mechanischen Triebwerkskonstruktionen und Baugrössen werden Pumpenköpfe mit Verdrängerkolben von zirka 3 bis 300 mm Kolbendurchmesser eingesetzt. Das Verhältnis maximale Hublänge zu Kolbendurchmesser liegt bei kleinen Pumpenköpfen und einer maximalen Förderleistung bis zirka 200 bis 300 l/h über Eins.
Bei grösseren Pumpenköpfen und höheren Förderleistungen nimmt dieses Verhältnis rasch ab und beträgt fallweise nur noch zirka 1/5, d. h. der Kolbendurchmesser ist fünfmal grösser als der Maximalhub. Bezogen auf das eingesetzte Konstruktionsmaterial wird daher die spezifische Förderleistung grosser, kurzhubiger Pumpenköpfe immer kleiner und ihr Einsatz unwirtschaftlich.
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Ähnlich liegen die Verhältnisse bei der Antriebsleistung, die bei oszillierenden Einfachdosierpumpen für den Leistungsbedarf im Druckhub ausgelegt werden muss und im Saughub nur teilweise ausgenutzt wird. Da
Dosierpumpen mit schweren Triebwerken infolge der Massenkräfte schwingender Triebwerksteile und der
Haftreibung an den Gleitstellen des Triebwerkes bzw. an den Dichtelementen grosser Verdrängerkolben mit einem Verhältnis Hub/Kolbendurchmesser kleiner als Eins, ein hohes Anfahrmoment erfordern, muss die
Antriebsleistung ein Mehrfaches der tatsächlich benötigten Dauerleistung betragen.
Zum Antrieb von Dosierpumpen, hauptsächlich in Sonderausführung zur Dosierung kleinster Mengen, für medizinische Zwecke usw. werden auch verschiedene Ausführungsarten von elektrohydraulischen bzw. pneumohydraulischen Antrieben eingesetzt.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines hydraulisch angetriebenen Dosierpumpen-Aggregats mit gegenläufigem elektrohydraulischem Doppelantrieb und einer Zwillings-Membranpumpe, welches die aufgezählten
Schwierigkeiten und Grenzen der mechanischen und hydraulischen Triebwerks-und Pumpenkopfkonstruktion vermeidet und eine geregelte, gleichförmige und pulsationsfreie Förderung pumpfähiger Medien gegen praktisch beliebige Systemdrucke gewährleistet. Dieses Dosierpumpen-Aggregat soll aus bekannten Konstruktionselementen der hydraulischen Antriebs- und Steuertechnik aufgebaut und mit regeltechnischen Einrichtungen sinnvoll ergänzt sein.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass ein hydraulischer Arbeitszylinder durch Schubstangen starr mit zwei hydraulischen Pulsatorzylindern verbunden ist, durch welche zwei mit 1800 Phasenunterschied oszillierende
Ströme von Hydraulikflüssigkeit entstehen und durch dieses reziprok arbeitende hydraulische Gestänge eine
Zwillings-Membranpumpe angetrieben ist, so dass sich nach der Zwillings-Membranpumpe ein gleichförmiger, pulsationsfreier Produktstrom ergibt, wobei in der Produktleitung und/oder in der Druckmittelleitung ein
Mengenmessgerät für den Mengen-Istwert eingebaut und ein automatischer Fördermengenregler mit direkter oder indirekter Einstellung des Mengen-Sollwertes vorgesehen ist, welches über ein Stellorgan die dem hydraulischen
Arbeitszylinder zufliessende Menge Hydraulikflüssigkeit kontinuierlich verstellt,
so dass in der Produktleitung ein vom Gegendruck der Anlage und von sonstigen Störgrössen unabhängiger, gleichförmiger und geregelter
Förderstrom gegeben ist.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Zwillings-Membranpumpe selbsttätig gesteuerte Saug- und Druckventile enthält, deren bewegte Ventilteile durch einen jeweils in die gemeinsamen Saug- und Druckkammern eingebauten Kipphebel federnd untereinander verbunden sind, wodurch während des Druckhubes in der einen Hälfte der Zwillings-Membranpumpe, das Saugventil der andern Hälfte der Zwillings-Membranpumpe zwangsweise geöffnet und das Druckventil der andern Hälfte der Zwillings-Membranpumpe zwangsweise geschlossen werden, und umgekehrt. Die Zwillings-Membranpumpe ist so konstruiert, dass sich die beiden Saugventile und die beiden Druckventile der phasenverkehrt arbeitenden Pumpenhälften jeweils nahe beisammen in einer gemeinsamen Saugkammer bzw. gemeinsamen Druckkammer eingebaut sind und somit die bewegten Ventilteile, z. B.
Ventilkugel oder Ventilkegel, durch einen federnden Kipphebel verbunden werden können, derart, dass beim Ausstoss des Fördergutes aus der einen Pumpenhälfte das Saugventil der andern Pumpenhälfte zwangsweise geschlossen und das Druckventil der andern Pumpenhälfte zwangsweise geöffnet werden.
Eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist schematisch in Fig. l dargestellt. In Fig. 2 wird eine Ausführungsart eines auf eine Mengenmessung im Fördergut aufgebauten Dosiermengenregelkreises gezeigt, wogegen in Fig. 3 eine Ausführungsart einer Dosiermengensteuerung dargestellt ist, bei welcher die Mengenmessung und Mengenregelung nur im Hydraulikkreislauf des Arbeitszylinders erfolgt.
Das in Fig. l dargestellte Dosierpumpen-Aggregat funktioniert wie folgt :
Durch eine kontinuierlich arbeitende Hydraulikpumpe --1--, z. B. Zahnradpumpe, Axialkolbenpumpe usw., wird Hydraulikflüssigkeit über ein Filter--2--aus dem Triebwerksgehäuse--3--angesaugt und in den hydraulischen Arbeitskreislauf gedrückt. Zuviel geförderte Hydraulikflüssigkeit wird über ein Überdruckventil - -4-- entspannt und fliesst in das Triebwerksgehäuse --3-- zurück. Die im hydraulischen Arbeitskreislauf fliessende Menge Hydraulikflüssigkeit wird durch das Drosselorgan--5--eingestellt und betätigt über den Steuerschieber --6-- alternierend den beidseitig beaufschlagten hydraulischen Arbeitszylinder--7--.
Durch eine zweiseitige Schubstange--8. 1 und 8. 2-- werden die beiden Pulsatorzylinder--9. 1 und 9. 2-- angetrieben. Mittels der Pulsatorzylinder werden zwei mit gleichförmiger Geschwindigkeit gegenläufig oszillierende Druckmittelströme hergestellt, durch welche die Arbeitsmembranen der Zwillingspumpe--10-- mit 1800 Phasenunterschied angetrieben werden.
Die Zwillingspumpe--10--ist mit zweiseitigen Anschlägen für jede Arbeitsmembrane ausgerüstet. Kurz vor dem Ende des Saughubes im Pulsatorzylinder-9. 1-- kommt die in Fig. l erkennbare linke Arbeitsmembrane auf den äusseren Anschlag und durch eine an den Pulsatorzylinder angeschlossene Saugleitung mit federbelastetem Schnüffelventil wird eine kleine Menge Druckmittel angesaugt. Kurz vor Ende des Druckhubes im Pulsatorzylinder-9. 1- kommt die linke Arbeitsmembrane auf den inneren Anschlag und ein kleiner Teil des Druckmittels fliesst über die Entlüftungsleitung der linken Membranpumpenhälfte und ein
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statt.
Dadurch werden die beiden Pulsatorzylinder--9. 1 und 9. 2-- und die Druckmittelräume der
Zwillings-Membranpumpe dauernd entlüftet und ein optimaler hydraulischer Wirkungsgrad der
Zwillungsmembranpumpe erhalten.
Der Fördergrad des Dosierpumpen-Aggregats nach Fig. 1 ist linearproportional zu der im Hydraulikkreislauf fliessenden Menge Hydraulikflüssigkeit und wird entweder durch das Drosselorgan --5-- oder durch Änderung der Drehzahl der Hydraulikpumpe--l--eingestellt.
Mit derartigen Steuereinrichtungen kann die Fördermenge des Dosierpumpen-Aggregats zwar verändert werden, jedoch ist keine Aussage möglich, ob und wieviel Produkt tatsächlich gefördert wird.
Ein Ausführungsbeispiel des Dosierpumpenaggregates mit geregelter Fördermenge zeigt Fig. 2. Dabei wird die momentane Durchflussmenge-Q--, z. B. mit einem integrierten, magnetischen Durchflussmessgerät in der Produktleitung bestimmt und der Mengen-Istwert in einem elektronischen Durchflussmengenregler --12-- mit einem vorgegebenen Mengen-Sollwert verglichen, die gefundene
Regelabweichung in ein entsprechendes elektrisches Stellsignal umgeformt, mit welchem beispielsweise über einen Thyristorsteuersatz--13--die Drehzahl des Gleichstromantriebsmotors--14--der Hydraulikpumpe - so verstellt wird, dass die Fördermenge-Q--dem vorgegebenen Mengen-Sollwert entspricht und konstant gehalten wird. Durch diesen geschlossenen Regelkreis werden sämtliche Störgrössen, z. B.
Leckverluste im hydraulischen Antrieb, undichte Arbeitsventile in der Zwillings-Membranpumpe usw., ausgeregelt und dem Verbraucher mit grosser Genauigkeit die voreingestellte Produktmenge zugeführt. Durch den Einsatz jeweils eines Durchflussmengenreglers--12--mit proportionaler Fernverstellung des Mengen-Sollwertes, können mehrere gleichartige Dosierpumpen-Aggregate zur mengenproportionalen Steuerung mehrerer voreinstellbarer Förderströme in Abhängigkeit von einer gemeinsamen Führungsgrösse, oder zur Mengen-Verhältnis-Regelung mehrerer Förderströme in Abhängigkeit von einem Mengenführungsregler, z. B. für die Hauptkomponente, aufgebaut und betrieben werden.
Bei sehr aggressiven Fördermedien wird die Mengenmessung--11--und die Durchflussmengenregelung --12, 13 und 14--, wie in Fig. 3 dargestellt, gemeinsam in den hydraulischen Arbeitskreislauf verlegt. Dabei werden sämtliche Störgrössen im hydraulischen Arbeitskreislauf ausgeregelt, allfällige Störgrössen aus der Zwillings-Membranpumpe werden jedoch nicht erfasst.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Hydraulisch angetriebenes Dosierpumpen-Aggregat mit gegenläufigem elektro hydraulischem Doppelantrieb, im wesentlichen bestehend aus einer Zwillings-Membranpumpe mit zwei Pumpenkammern, welche durch je eine Membran in einen Druckraum und einen Arbeits-oder Förderraum unterteilt sind, wobei an die Arbeitsund Förderräume über Ein- und Auslassventile je ein Saug- und Druckkanal für das Fördermedium angeschlossen sind, und einer Hydraulikpumpe, durch die Hydraulikflüssigkeit über mindestens einen Steuerschieber
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hydraulische Arbeitszylinder (7) durch Schubstangen (8) starr mit zwei hydraulischen Pulsatorzylindern (9. 1 und 9.
2) verbunden ist, durch welche zwei mit 180 Phasenunterschied oszillierende Ströme von Hydraulikflüssigkeit entstehen und durch dieses reziprok arbeitende hydraulische Gestänge die Zwillings-Membranpumpe angetrieben ist, so dass sich nach der Zwillings-Membranpumpe ein gleichförmiger, pulsationsfreier Produktstrom ergibt, wobei in der Produktleitung und/oder in der Druckmittelleitung ein Mengenmessgerät (11) für den Mengen-Istwert eingebaut und ein automatischer Fördermengenregler (12) mit direkter oder indirekter Einstellung des Mengen-Sollwertes vorgesehen ist, welche über ein Stellorgan (13 und 14) die dem hydraulischen
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