DE102004045687A1 - Membranpumpe für den Transport von Flüssigkeiten - Google Patents

Abstract

Eine Membranpumpe zum Fördern von Flüssigkeiten ist für einen Einsatz im Sterilbereich dadurch verbessert, daß sämtliche Flächen, die mit der zu fördernden Flüssigkeit in Berührung kommen, geneigt angeordnet sind. Ferner sind alle Übergänge von Flüssigkeit führenden Flächen stufenlose ausgelegt. Zum Leerlaufen der Membranpumpe werden die Sperrelemente der vorhandenen Rückschlagventile durch temporäre Erzeugung eines magnetischen Felds aus ihrem Lagersitz gehoben.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Membranpumpe für den Transport von Flüssigkeiten.
• Eine Membranpumpe in einer Ausführung als Doppelmembranpumpe ist beispielsweise aus der DE 33 10 131 A1 bekannt.
• Ein Pumpengehäuse weist zwei Produkt- und zwei Druckkammern auf, die jeweils über eine Membran voneinander getrennt werden. Die Membranen sind über eine gemeinsame Koppelstange miteinander verbunden, die durch die zwei Druckkammern geführt wird.
• Für den Betrieb der Pumpe wird Druckluft abwechselnd in eine der beiden Druckkammern geleitet, wobei die Membran der beaufschlagten Druckkammer einen Förderhub in die angrenzende Produktkammer und die zweite Membran aufgrund der Koppelung über die Koppelstange einen Saughub ausführt.
• Das wechselseitige Beaufschlagen und Entlüften der Druckkammern wird über eine Steuerschiebervorrichtung erreicht, die parallel zu der Koppelstange angeordnet ist, und zyklisch einzelne Steueröffnungen freigibt.
• Derartige Membranpumpen werden häufig zum Fördern von hochreinen und/oder feuergefährlichen Flüssigkeiten verwendet. Zum einen weisen sie lediglich statische Dichtungen auf, die mit der Förderflüssigkeit in Berührung kommen und zeichnen sich somit durch eine äußerst geringe Verunreinigung der Produktflüssigkeit durch Verschleißpartikel aus. Zum anderen erfolgt der Antrieb und die Umsteuerung der Pumpe auf rein mechanischer Basis, so daß von besonderen Sicherheitsmaßnahmen zum Feuerschutz, wie es bei elektrisch angetriebenen oder betätigten Pumpen erforderlich ist, abgesehen werden kann.
• Besondere Anforderungen werden an (Membran-)Pumpen ferner dann gestellt, wenn diese im Sterilbereich, beispielsweise auf dem Pharmasektor oder in der Biochemie, eingesetzt werden sollen. Dabei wird neben den bereits angesprochenen Anforderungen hinsichtlich einer möglichen Produktverunreinigung vorausgesetzt, daß die Pumpen vor dem Abschalten vollständig leerlaufen können, so daß keine Restmengen der Produktflüssigkeit in der Pumpe zurückbleiben.
• Der Erfindung liegt nun das Problem zugrunde, eine Membranpumpe, wie sie beispielsweise aus der DE 33 10 131 A1 bekannt ist, für das Fördern einer Flüssigkeit im Sterilbereich zu verbessern und insbesondere ein vollständiges Leerlaufen der Pumpe zu ermöglichen.
• Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt.
• Erfindungsgemäß können sämtliche Flüssigkeit führenden Flächen der Pumpe geneigt angeordnet sein. Dadurch kann verhindert werden, daß es beim Leerlaufen der Pumpe zu Produktablagerungen auf nicht geneigten Flächen kommen kann.
• Unter "sämtliche" Flächen wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Ausführung verstanden, die mindestens diejenigen Flächen betrifft, die es erlauben, die erfindungsgemäße Aufgabe im wesentlichen, d.h. vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik, zu lösen.
• Unter "geneigt" wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Lage einer Fläche (in der Betriebsposition der Pumpe) verstanden, die nicht senkrecht zur Richtung der Schwerkraft oder einer resultierenden aus der Schwerkraft und einer weiteren Kraft ist.
• Unter "Flüssigkeit führender Fläche" wird erfindungsgemäß eine Fläche verstanden, die mit der Flüssigkeit aufgrund der Wirkung der Schwerkraft oder einer resultierenden aus der Schwerkraft und einer weiteren Kraft in Berührung kommt, und folglich insbesondere die untere Begrenzungsfläche oder das untere Flächensegment (beispielsweise bei einem kreisförmigen Querschnitt) einer die Flüssigkeit leitenden Kammer oder Leitung darstellt.
• Vorzugsweise sind nicht nur die Flüssigkeit führenden Flächen der Pumpe geneigt angeordnet, sondern sämtliche Flächen, die mit der Flüssigkeit in Berührung kommen.
• Weiterhin kann vorgesehen sein, die Verbindung von zwei aneinandergrenzenden Flüssigkeit führenden Flächen zumindest teilweise stufenlos auszubilden.
• Unter "stufenlos" werden erfindungsgemäß insbesondere ebene Übergänge ohne erkennbare Stoßkante verstanden; jedoch kann hierunter auch ein Absatz fallen, der eine Bewegung entgegen der Schwerkraft der durch die Pumpe strömenden Flüssigkeit nicht erfordert.
• Hierdurch kann verhindert werden, daß sich beim Leerlaufen der Pumpe Reste der Flüssigkeit an vorhandenen Stufen anlagern und in der Pumpe verbleiben.
• In konventionellen Pumpen zeigen sich insbesondere die Ventilsitze der Rückschlagventile als derartige Stufen.
• Eine erfindungsgemäße Ausführung eines Rückschlagventils kann daher ein Ventilgehäuse aufweisen, das zwei Abschnitte mit unterschiedlichen Innenmaßen aufweist, wobei der Übergang zwischen den Abschnitten den Ventilsitz darstellt, und die zwei Abschnitte derart versetzt zueinander angeordnet sind, daß der Übergang zwischen den Abschnitten des Ventilgehäuses in einem Bereich des Ventilsitzes stufenlos ist.
• Insbesondere eignen sich hierzu Gehäuseabschnitte eines Kugel-Rückschlagventils mit einem (inneren) kreisförmigen Querschnitt.
• Um ein Abfließen der gesamten Flüssigkeit beim Leerlaufen der Pumpe zu gewährleisten, ist der stufenlose Abschnitt des Ventilsitzes vorzugsweise auf derjenigen Seite des Rückschlagventils angeordnet, auf der die Flüssigkeit aufgrund der Schwerkraft abfließt (Schwerkraftseite).
• Ferner kann eine Einrichtung vorgesehen sein, die es erlaubt, die Sperrkörper der Rückschlagventile der Pumpe, z.B. durch Erzeugen eines magnetischen Felds, unabhängig von den durch die Pumpe erzeugten Druckverhältnissen aus ihrem Ventilsitz abzuheben.
• Rückschlagventile, die sich für den Einsatz in der erfindungsgemäßen Pumpe eignen, weisen ein Ventilgehäuse und ein darin beweglich gelagertes Sperrelement auf. Mindestens ein Abschnitt des Sperrelements weist (ferro)magnetische oder entsprechend magnetisierbare Eigenschaften auf und kann durch Aufbringen einer äußeren Magnetkraft aus seinem Ventilsitz gehoben werden.
• Das bedarfsweise Öffnen der Ventile über eine magnetische Kraft ist insbesondere aus dem Grund vorteilhaft, daß auf mechanische Ventilheber verzichtet werden kann, die häufig von außen durch das Ventilgehäuse zu dem Sperrkörper geführt werden und somit mit den Nachteilen behaftet sind, daß sie weitere (bewegliche) Bauteile innerhalb der Pumpe darstellen und ferner eine zusätzliche Dichtung in dem Ventilgehäuse bedingen.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform werden zur Erzeugung des magnetischen Felds Permanentmagnete verwendet, die temporär, d.h. lediglich zum Öffnen der Ventile unabhängig von den Druckverhältnissen, an den Ventilen angeordnet werden. Bei metallischen Ventilgehäusen mit magnetischen Eigenschaften haften die Permanentmagnete an den vorgesehenen Stellen dann in der Regel selbständig, so daß auf weitere Haltevorrichtungen häufig verzichtet werden kann.
• Der Einsatz von Permanentmagneten hat insbesondere den Vorteil, daß der Einsatz von Elektrizität nicht erforderlich ist, was die Verwendung derartiger Ventile für den Transport von beispielsweise feuergefährlichen Flüssigkeiten ermöglicht bzw. erleichtert.
• Vorzugsweise weist das Ventilgehäuse im Bereich des Ventilsitzes einen kreisförmigen Querschnitt auf wobei das Sperrelement in Form einer Kugel ausgeführt ist. Derartige Kugel-Rückschlagventile zeichnen sich durch ein sicheres Verschließen aus, so daß auf eine besondere Führung des Sperrelements verzichtet werden kann.
• Der (ferro)magnetische Abschnitt des Kugel-Rückschlagventils kann insbesondere als Kugelkern ausgebildet sein. Dadurch kann das Material des Kugelmantels bedarfsgerecht, beispielsweise entsprechend der zu fördernden Flüssigkeit ausgewählt werden. Ferner kann durch die Verwendung von elastischen Werkstoffen als Mantel die Dichtwirkung der Kugel in ihrem Ventilsitz verbessert werden. Vorzugsweise wird PTFE als Werkstoff für den Kugelmantel verwendet.
• Insbesondere ferromagnetische Werkstoffe (hiervon insbesondere Eisen) eignen sich für die Ausbildung des Kugelkerns.
• Ein weiterer Vorteil eines Eisenkerns kann die Erhöhung des spezifischen Gewichts der Kugel sein, die unter anderem zu einer Verbesserung der Saugwirkung führen kann. Über eine Dimensionierung des Eisenkerns kann dies beeinflußt werden.
• Ein erfindungsgemäßes Rückschlagventil kann ferner eine Form des Ventilsitzes aufweisen, die zu der Kontur des Sperrelements in dem Kontaktbereich korrespondiert.
• Bei einer vorteilhaften Ausführungsform als Kugelventil würde dieses somit einen Ventilsitz aufweisen, dessen Ringfläche flächig konkav mit einem dem Kugelradius entsprechenden Radius ausgeformt ist.
• Die Anpassung der Ringfläche des Ventilsitzes an die Kontur des Sperrelements bewirkt, daß die effektive Dichtfläche und somit die Dichtwirkung vergrößert wird, wohingegen konventionelle Kugelventile in der Regel lediglich einen Ventilsitz in Form einer (Dicht-)Kante aufweisen.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
• In den Zeichnungen zeigt:
• 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Doppelmembranpumpe;
• 2 eine Seitenansicht der Doppelmembranpumpe der 1;
• 3 eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Doppelmembranpumpe und
• 4 eine perspektivische Detailansicht eines Gehäuses eines Rückschlagventils.
• Die in den 1 und 2 dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Doppelmembranpumpe weist ein Pumpengehäuse 1 mit zwei in den Außenbereichen des Pumpengehäuses 1 liegenden Produktkammern 2, 3 auf, durch die über außerhalb des Gehäuses liegende Zuleitungen 4 die Produktflüssigkeit gefördert wird.
• Die zwei Produktkammern 2, 3 sind jeweils über eine Membran 5, 6 von entsprechenden Druckkammern 7, 8 getrennt. Es kommen vollständig glatte, durchgehende PTFE-Membranen ohne Membranteller und weiteren Dichtungen zum Einsatz.
• Im Betrieb wird der Pumpe über eine (nicht dargestellte) Zuleitung Druckluft zugeführt. Diese wird über die Steuerschiebervorrichtung 9 abwechselnd entweder der linken (8) oder rechten (7) Druckkammer zugeleitet. Während der Beaufschlagung einer Druckkammer wird die jeweils andere Druckkammer entlüftet.
• Das Füllen einer Druckkammer 7, 8 mit Druckluft führt zu einem Arbeitshub, den die entsprechende Membran 5, 6 in die Produktkammer 2, 3 hinein ausführt (in 1 die rechte Kammer 2). Der Arbeitshub der rechten Membran 5 verringert somit das effektive Volumen der Produktkammer 2 und fördert die Produktflüssigkeit durch das rechte Auslaßventil 10 zu dem Pumpenauslaß 11.
• Gleichzeitig wird die linke Membran 6 durch eine Koppelung der zwei Membranen 5, 6 mittels einer Koppelstange 12 in die entsprechende Druckkammer 8 zurückgezogen, wobei diese entlüftet wird. Durch diesen Saughub wird das effektive Volumen der linken Produktkammer 3 erhöht und Flüssigkeit durch das linke Einlaßventil 13 angesaugt, wobei dessen Sperrkörper in Form einer Kugel 14 von dem Ventilsitz 15 abgehoben wird und somit einen Durchfluß freigibt. Die Bewegung der Kugeln 14 der Rückschlagventile wird durch einen Hubbegrenzer 16 eingeschränkt. Gleichzeitig wird die Kugel 14 des linken Auslaßventils 17 in den Ventilsitz 15 gezogen, wodurch es den Auslaß verschließt.
• Sobald die rechte Membran 5 ihren Arbeitshub beendet hat, wird die Druckluft in die linke Druckkammer 8 umgeleitet. Die linke Membran 6 beginnt dementsprechend ihren Arbeitshub, während die rechte Membran 5 einen Saughub ausführt.
• Vielfach ist es nun nötig, die Pumpe vor dem Abschalten oder einem Wechsel der zu fördernden Flüssigkeit leerlaufen zu lassen.
• Hierzu werden auf alle Ventile – dargestellt in 1 lediglich für die rechte Pumpenhälfte – Permanentmagnete 18 aufgesetzt. Die Permanentmagnete 18 erzeugen ein magnetisches Feld, das die Kugeln der Rückschlagventile, die einen (nicht dargestellten) ferromagnetischen Eisenkern aufweisen, von den Ventilsitzen 15 abhebt. Somit sind sämtliche Zu- und Abläufe, unabhängig von der Hubstellung der Membrane 5, 6 geöffnet. Die Flüssigkeit kann – der Schwerkraft folgend, entgegengesetzt der Förderrichtung – aus der Pumpe laufen.
• Ein fortdauernder Betrieb der Pumpe mit gegebenenfalls reduzierter Schlagzahl kann dabei das Leerlaufen der Pumpe noch unterstützen.
• Um einen Zurückbleiben von Produktresten zu verhindern, sind sämtliche Flächen der Pumpe, die mit der Flüssigkeit in Berührung kommen, erkennbar geneigt, d.h. nicht waagerecht ausgeführt.
• Das Abfließen der Flüssigkeit kann ferner durch eine Behandlung der Oberflächen mit dem Ziel, die mittlere Rautiefe zu verringern, unterstützt werden.
• Weiterhin sind keine Absätze zwischen Flächen vorgesehen, die eine Bewegung der während des Leerlaufens abfließenden Produktflüssigkeit entgegen der Schwerkraft nötig machen würden.
• Insbesondere sind die Ventilgehäuse derart ausgeführt, daß die abfließende Flüssigkeit keinen Absatz überwinden muß. Die Ventilgehäuse bestehen dazu aus zwei kreisförmigen Abschnitten, die einen unterschiedlichen Durchmesser aufweisen und derart versetzt zueinander angeordnet sind, daß sie im unteren Bereich absatzlos und geradlinig ineinander übergehen.
• Um dabei einen sicheren und dichten Sitz der Kugeln 14 zu gewährleisten, ist der ringförmige Ventilsitz 15 bzw. die hierdurch gebildete Ebene nicht senkrecht zu den Mittelachsen der zwei Abschnitte angeordnet, sondern befindet sich in einer hierzu geneigten Stellung.
• Weiterhin sind die Ventilsitze 15 flächig konkav ausgebildet mit einem Radius, der demjenigen der Kugel im wesentlichen entspricht. Dadurch werden Dichtflächen zwischen den Ventilsitzen 15 und den Kugeln 14 erreicht, die im Vergleich zu Dichtkanten die Abdichtung verbessern können (vgl. auch 4).
• Derartige Ventilsitze können vorteilhaft durch die Verwendung eines Kugelfräsers erzeugt werden. Dieser würde im vorliegenden Ausführungsbeispiel parallel, jedoch leicht versetzt zu der Mittellängsachse des kleineren Ventilgehäuseabschnitts auf diesen zugeführt werden und dem Ventilsitz, der sich bereits durch die Durchdringung der zwei Ventilgehäuseabschnitte gebildet hat, die konkave Form einprägen.
• 3 zeigt eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Pumpe, die sich von derjenigen der 1 lediglich durch ihre Ausführung als Doppelmembranpumpe mit Tandemmembranen 5a, b, 6a, b unterscheidet. Diese können aufgrund der Sperrkammern 19, 20 innerhalb einer Tandemmembran 5a, b, 6a, b auch extremen Sicherheitsanforderungen genügen.
• Durch den modularen Aufbau kann eine erfindungsgemäße Doppelmembranpumpe auf einfache Weise zu einer Tandempumpe aufgerüstet werden.
• Durch die erfindungsgemäße Verbesserung einer Membranpumpe ist diese nunmehr geeignet, auch für das Fördern von Flüssigkeiten im Sterilbereich, beispielsweise auf dem Pharmasektor oder im Bereich der Biochemie eingesetzt zu werden. Hierzu wurden bisher ausschließlich rotierende Pumpen verwendet.

Claims (14)

1. Membranpumpe mit Rückschlagventilen für den Transport von Flüssigkeiten mit einer geneigten Anordnung sämtlicher Flüssigkeit führenden Flächen.
2. Membranpumpe mit Rückschlagventilen für den Transport von Flüssigkeiten mit einer zumindest teilweisen, stufenlosen Verbindung von sämtlichen benachbarten Flüssigkeit führenden Flächen.
3. Membranpumpe mit Rückschlagventilen für den Transport von Flüssigkeiten mit einer Einrichtung zum willkürlichen Abheben der Sperrkörper der Rückschlagventile durch Nutzung eines magnetischen Felds, unabhängig von den durch die Pumpe erzeugten Druckverhältnissen.
4. Membranpumpe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine geneigte Anordnung sämtlicher mit der Flüssigkeit in Berührung kommender Flächen.
5. Rückschlagventil mit einem Ventilgehäuse und einem darin beweglich gelagerten Sperrelement für den Einsatz in einer Pumpe, wobei das Ventilgehäuse einen ersten Abschnitt mit im Vergleich zu einem zweiten Abschnitt des Ventilgehäuses verkleinerten Innenmaßen aufweist, und wobei an den Kontaktstellen der zwei Abschnitte ein Ventilsitz für das Sperrelement gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Ventilgehäuseabschnitte derart versetzt zueinander angeordnet sind, daß der Übergang zwischen den Abschnitten des Ventilgehäuses in einem Bereich des Ventilsitzes stufenlos ist.
6. Rückschlagventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte des Ventilgehäuses im Inneren kreisförmige Querschnitte aufweisen und das Sperrelement in Form einer Kugel ausgebildet ist.
7. Rückschlagventil nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch die Lage des stufenlosen Übergangs auf der Schwerkraftseite des Rückschlagventils..
8. Rückschlagventil mit einem Ventilgehäuse und einem darin beweglich gelagerten Sperrelement für den Einsatz in einer Pumpe, gekennzeichnet durch einen (ferro-)magnetischen Abschnitt des Sperrelements und eine Vorrichtung zum Aufbringen eines magnetischen Felds, daß das Sperrelement entgegen einer Schließkraft aus einem Ventilsitz hebt.
9. Rückschlagventil nach Anspruch 8 in Form eines Kugel-Rückschlagventils.
10. Rückschlagventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel einen Eisenkern aufweist.
11. Rückschlagventil nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch einen temporär an dem Rückschlagventil angeordneten Permanentmagneten zum Aufbringen des magnetischen Felds.
12. Rückschlagventil mit einem Ventilgehäuse und einem darin beweglich gelagerten Sperrelement für den Einsatz in einer Pumpe, gekennzeichnet durch einen flächigen Ventilsitz, dessen Form zu der Kontur des Sperrelements im Kontaktbereich zwischen beiden Elementen korrespondiert.
13. Rückschlagventil nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Kugel als Sperrelement und einen konkaven Ventilsitz mit einem dem Kugelradius entsprechenden Radius.
14. Verfahren zum Leerlaufen einer Pumpe mit mindestens zwei Rückschlagventilen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile durch temporäre Erzeugung eines magnetischen Felds aus ihrem Lagersitz gehoben werden.