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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und auf
ein Verfahren zum Fördern eines Mediums entlang eines Leitungssystems
und insbesondere auf eine bidirektionale Membranpumpe.
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Bei
vielen Pumpenprinzipien ist die Pumprichtung sehr leicht umkehrbar.
Beispiele hierfür sind Peristaltikpumpen und Zahnradpumpen.
Für Membranpumpen trifft dies allerdings nicht zu. Einige Anwendungen
sind jedoch speziell auf eine Membranpumpe mit einer möglichen
Richtungsumkehr angewiesen. Beispiele hierfür finden sich
in der Automobilindustrie, wo beispielsweise Dieselfahrzeuge mit
Abgasnachbehandlung durch Harnstoff (z. B. um Stickoxide zu entfernen)
eine Zudosierung des Harnstoffs unter Nutzung einer Umkehrung (Rückführung des
Harnstoffs) benötigen. Im Stand der Technik sind einige
Verfahren oder Vorrichtungen für Pumpen mit Pumprichtungsumkehrung
bekannt. In
DE
10 2006 068 38 A1 ist beispielsweise ein System offenbart,
in dem eine Rückführung einer Flüssigkeit
(Richtungsumkehr) über einen Belüftungsmodus erreicht
wird.
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Ein
zweites Beispiel dafür sind aktive Ventile. Zwei aktive
2/2-Wegeschaltventile werden beispielsweise anstatt der zwangsgesteuerten
passiven Klappenventile verwendet. Da sich somit die Öffnungs- und
Schließzeiten frei definieren lassen, kann die Pumprichtung
beliebig umgekehrt werden. Dieses Prinzip findet sich beispielsweise
in
DE 195 32 037 C1 .
Weiterhin existieren Mikrodosiereinheiten, die ebenfalls direkt
und indirekt auf diesem Prinzip beruhen. Ein Vorteil von Systemen
unter Nutzung aktiver Ventile besteht darin, dass dadurch ein freies
Ansprechen der Ventile möglich ist. Nachteilig sind jedoch die
hohen Kosten der Ventile und die große Belastung durch
häufige Schaltspiele, z. B. wird in der Regel mit der Pumpenfrequenz
geschaltet.
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Ein
weiteres Beispiel um eine Richtungsumkehr zu erreichen besteht in
der Nutzung von 4/2-Wegeventilen. Obwohl dies auf dem hydraulischen Schaltbild
sehr einfach darstellbar ist, ist dies in der Realität
jedoch komplex ausgeführt.
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Die
einzelnen fluidischen Ventile müssen nämlich gegen
einen hohen Druck sicher geschlossen werden, und ferner ist die
Nennweite der Ventile groß, da der gesamte Volumenstrom
durch diese Ventile gepumpt wird. Dazu ist eine hohe Aktuatorkraft
erforderlich. Typischerweise werden derzeit Elektromagneten als
Aktuatoren für diese Anwendung eingesetzt. Grundsätzlich
besteht jedoch das Problem, dass bei hydraulischen Ventilen der
Aktuator vom Medium fluidisch getrennt werden sollte. Dadurch ist
eine aufwendige Abdichtung zwischen Aktuator und Fluid-führenden
Teile erforderlich. Gleichzeitig sollten jedoch Aktuatorkraft und
Hub beim Schalten des Ventils auf die Dichtelemente des Ventils übertragen
werden.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die
Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Fördern eines
Mediums entlang eines Leitungssystems zu schaffen, welches die beschriebenen
Nachteile des Standes der Technik (z. B. aufwendige Abdichtung) vermeidet
und ein leichtes und effizientes Umkehren der Förderrichtung
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 14 und
ein Verfahren nach Anspruch 23 gelöst.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Förderrichtung
einer Pumpe (Fördereinrichtung) leicht dadurch umkehrbar
ist, dass vier Ventile zwischen der Fördereinrichtung einerseits
und dem Einlass und Aus lass andererseits angeordnet werden. Konkret
wird ein erstes Ventil zwischen den Einlass und die Druckseite der
Fördereinrichtung, ein zweites Ventil zwischen den Auslass und
die Druckseite der Fördereinrichtung, ein drittes Ventil
zwischen die Saugseite und den Auslass und ein viertes Ventil zwischen
die Saugseite und den Einlass geschaltet. Die Ventile können
beispielsweise derart ausgebildet sein, dass in einem aktivierten Zustand
die Leitung offen und in einem deaktivierten Zustand die Leitung
geschlossen ist.
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Das
erste, das zweite, das dritte oder das vierte Ventil können
beispielsweise ein 2/2-Wegeventil aufweisen. Optional können
jedoch auch alle besagten Ventile ein 2/2-Wegeventil sein, wovon
im Folgenden ausgegangen wird. Die vier 2/2-Wegeventile werden dabei
mittels einer Steuereinrichtung kontrolliert, so dass beispielsweise
in einem ersten Fördermodus das zweite und vierte 2/2-Wegeventil
offen sind und das erste und dritte 2/2-Wegeventil in diesem Fördermodus
geschlossen sind, so dass das Medium von dem Einlass zu dem Auslass
gefördert wird. In einem zweiten Fördermodus sind
umgekehrt das erste und dritte 2/2-Wegeventil offen und das zweite
und das vierte 2/2-Wegeventil sind geschlossen. In dem zweiten Fördermodus
wird somit das Medium über das dritte 2/2-Wegeventil, die
Fördereinrichtung und das erste 2/2-Wegeventil zu dem Einlass
gefördert. In dem ersten Fördermodus wird das Medium
umgekehrt von dem Einlass über das vierte 2/2-Wegeventil,
die Fördereinrichtung und das zweite 2/2-Wegeventil zu
dem Auslass gefördert.
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Bei
weiteren Ausführungsbeispielen erfolgt das Öffnen
und Schließen durch die Steuereinrichtung hydraulisch oder
pneumatisch oder mechanisch. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass
die 2/2-Wegeventile eine Membran, einen Eingang und einen Ausgang
und eine Druckkammer (Steuerdruckkammer) aufweisen, wobei die Druckkammer
einen Steueranschluss hat, über den das Schließen
durch eine Druckerhöhung in der Druckkammer erfolgt. Als
Folge der Druckerhöhung in der Druckkammer wird die Membran,
die die Druckkam mer begrenzt, deformiert, so dass das Ventil geschlossen
und die Leitung dadurch zwischen dem Eingang von dem Ausgang getrennt
wird. Das 2/2-Wegeventil weist einen Ventilsitz auf und diese Deformation
der Membran kann beispielsweise dadurch verursacht werden, dass
die Membran eine Fläche aufweist, die größer
ist als die Querschnittsfläche der Leitung am Ventilsitz
des 2/2-Wegeventils, so dass in Folge der größeren
Fläche eine resultierende Kraft auf die Membran wirkt und
dadurch die Membran deformiert und ein Schließen oder ein Trennen
des Eingangs von dem Ausgang bewirkt wird.
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Bei
weiteren Ausführungsbeispielen weisen die 2/2-Wegeventile
einen Steueranschluss zum Öffnen oder Schließen
auf und die Steuereinrichtung ist derart ausgebildet, dass beim
Schließen der Steueranschluss mit der Druckseite der Fördereinrichtung verbunden
wird und beim Öffnen der Steueranschluss mit der Saugseite
der Fördereinrichtung verbunden wird. Das Verbinden der
Steueranschlüsse mit der Saug- oder Druckseite kann bei
weiteren Ausführungsbeispielen beispielsweise mittels eines Steuerventils
(Schaltventil) geschehen, wobei das Steuerventil ausgebildet ist,
die Steueranschlüsse des ersten und dritten 2/2-Wegeventils
mit der Druckseite zu verbinden (im ersten Fördermodus)
oder im zweiten Fördermodus die Druckseite der Fördereinrichtung
mit den Steueranschlüssen des zweiten und vierten 2/2-Wegeventils
zu verbinden. Das Steuerventil kann dabei beispielsweise ein 3/2-Wegeventil mit
einem Einlass, einem Auslass und einen weiteren Auslass aufweisen
und die Fördereinrichtung kann beispielsweise eine Membranpumpe
sein.
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Bei
weiteren Ausführungsbeispielen ist es optional ferner möglich,
dass am Ausgang ein Dosierventil angeordnet ist. Das Dosierventil
kann beispielsweise ein weiteres 2/2-Wegeventil sein.
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Bei
weiteren Ausführungsbeispielen ist ein erster Strömungswiderstand
zwischen die Saugseite der Fördereinrich tung und den weiteren
Auslass des Steuerventils geschaltet und ein zweiter Strömungswiderstand
ist zwischen die Saugseite und den Auslass des Schaltventils geschaltet.
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Ferner
kann am Einlass ein Reservoir ausgebildet sein, aus welchem in dem
ersten Fördermodus das Medium zu dem Auslass gepumpt wird
und in dem zweiten Modus von dem Auslass zurück in das Reservoir
gepumpt oder förderbar ist. Die Rückstellung der
2/2-Wegeventile kann beispielsweise mittels einer Feder oder durch
eine Rückstellkraft einer Membran (Elastizität)
oder durch eine andere mechanische Rückstelleinrichtung
vonstatten gehen, so dass, wenn am Steueranschluss kein Druck anliegt (im
geöffneten Zustand), das 2/2-Wegeventil sich automatisch
in dem offenen Zustand schaltet.
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Somit
weisen Ausführungsbeispiele ein System zur Umkehrung der
Pumprichtung z. B. einer Membranpumpe auf, das im Vergleich zu konventionellen
Systemen weniger komplex und damit kostengünstiger ist.
Zum Umschalten der Richtung kann beispielsweise ein kleines 3/2-Wegeventil
genutzt werden, während die Hauptventile über
ein Vorsteuerprinzip vom Medium selbst betätigt werden.
Der Druck des Mediums liefert somit die entsprechende Kraft zur
Betätigung der Ventile und braucht nicht zusätzlich
zum Beispiel durch einen Elektromagneten aufgebracht werden.
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Dadurch
weisen Ausführungsbeispiele gegenüber bekannten
Lösungen eine Reihe von Vorteilen auf. Dazu zählen
beispielsweise ein höherer Integrationsgrad, der über
die Integration der 2/2-Wegeventile beispielsweise direkt auf einen
Pumpenkopf realisiert werden kann. Ferner ist ein geringer Steuervolumenstrom
für das hydraulische bzw. pneumatische Betätigen
der Ventile erreichbar. Um diesen geringen Steuervolumenstrom zu
schalten, ist lediglich eine geringe Steuerkraft bzw. Aktuatorkraft
erforderlich. Damit ist es möglich, die Umkehrung der Pumpenrichtung
kostengünstiger und kompakter zu realisieren als dies bei
konventionellen Lösungen möglich ist.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden
nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung einer Fördereinrichtung gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung;
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2 ein
Schaltsymbol eines 4/2-Wegeventils, welches bei konventioneller
Förderumkehr genutzt wird;
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3 einen
Hydraulikplan einer konventionellen Fördereinrichtung mit
dem 4/2-Wegeventil;
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4 eine
schematische Darstellung für eine Erweiterung eines Pumpenkopfes
gemäß Ausführungsbeispielen;
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5a eine
Draufsicht auf eine Ventilvorrichtung zur Realisierung des Ausführungsbeispieles nach 4;
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5b eine
Schnittansicht der Ventilvorrichtung von 5a entlang
der Schnittlinie Vb;
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6A,
B Schaltstellungen eines fluidisch betätigten 2/2-Wegeventils
gemäß Ausführungsbeispielen; und
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7 ein
hydraulischer oder pneumatischer Schaltplan eines Fördersystems
gemäß Ausführungsbeispielen.
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Bevor
im Folgenden die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnungen näher
erläutert wird, wird darauf hingewiesen, dass gleiche Elemente
in den Figuren mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen
versehen sind, und dass eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente
weggelassen wird.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Fördervorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 fördert
ein Medium entlang eines Leitungssystems 105, zwischen
einem Einlass 110 und einem Auslass 120. Die Vorrichtung 100 weist
eine Fördereinrichtung 130 mit einer Saugseite 130s und
einer Druckseite 130d, vier 2/2-Wegeventile 140 und
eine Steuereinrichtung 150 auf. Die vier 2/2-Wegeventile 140 sind
dabei wie folgt angeordnet. Ein erstes 2/2-Wegeventil 140a ist
zwischen die Druckseite und den Einlass 110 geschaltet.
Ein zweites 2/2-Wegeventil 140b ist zwischen die Druckseite 130d und
den Auslass 120 geschaltet. Ein drittes 2/2-Wegeventil 140c ist
zwischen die Saugseite 130s und den Auslass 120 geschaltet.
Ein viertes 2/2-Wegeventil 140d ist zwischen die Saugseite 130s und
den Einlass 110 geschaltet. Die Steuereinrichtung 150 ist
ferner ausgebildet, um zwischen einen ersten und zweiten Fördermodus
zu schalten, wobei in dem ersten Fördermodus das zweite
und vierte 2/2-Wegeventil 140b, d geöffnet und
das erste und dritte 2/2-Wegeventil 140a, c geschlossen
sind, so dass das Medium durch die Fördereinrichtung 130 vom
Einlass 110 zum Auslass 120 förderbar
ist. In dem zweiten Fördermodus ist das zweite und vierte
2/2-Wegeventil 140b, d geschlossen und das erste und dritte
2/2-Wegeventil 140a, c geöffnet, so dass das Medium
vom Auslass 120 zum Einlass 110 durch die Fördereinrichtung 130 förderbar
ist. Die Förderpumpe pumpt dabei stets in einer Richtung
von der Saugseite 130s zur Druckseite 130d.
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2 zeigt
ein Schaltsymbol für ein 4/2-Wegeventil 240, welches
bei konventionellen Fördervorrichtungen zur Förderumkehr
genutzt wird. Insgesamt weist das 4/2-Wegeventil 240 vier
Anschlüsse auf und in zwei Schalterstellungen werden verschiedene
der vier Anschlüsse miteinander verbunden. Die vier Anschlüsse
können beispielsweise zwei Eingangsan schlösse
und zwei Ausgangsanschlüsse umfassen, wobei die beiden
Eingangsanschlüsse jeweils durch den Beginn des Pfeiles
dargestellt sind und die beiden Ausgangsanschlüsse durch
die Endpunkte der Pfeile dargestellt sind. Die vier Anschlüsse
entsprechen somit einem ersten und einem zweiten Kanal, die durch
die beiden Pfeile dargestellt sind und das 4/2-Wegeventil 240 passieren.
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In
einer ersten Schalterstellung 241 sind die vier Anschlüsse
in der gezeigten Art miteinander verbunden und in einer zweiten
Schalterstellung 242 sind die Anschlüsse in der
anderen Art miteinander verbunden. Im Vergleich zur ersten Schalterstellung 241 sind
in der zweiten Schalterstellung 242 ein Eingang mit dem
Ausgang (jenem Ausgang an der anderen Pfeilrichtung) vertauscht,
so dass beide Kanäle sich kreuzen und sich dadurch eine
Umkehrung der Förderrichtung realisieren lässt.
Ferner weist das 4/2-Wegeventil einen Steueranschluss 245 und
eine mechanische Rückstellvorrichtung (z. B. Feder) 244 auf,
wobei das 4/2-Wegeventil 240 durch eine Betätigung
des Steueranschlusses 245 zwischen der ersten Schalterstellung 241 und
der zweiten Schalterstellung 242 geschaltet wird. Sofern
am Steueranschluss 245 kein Signal anliegt (deaktiviert),
ist die erste Schalterstellung 241 realisiert, so dass
kein Kreuzen der Kanäle vorliegt. Erst bei Aktivierung
des Steueranschlusses 245 werden beide Kanäle
durch das 4/2-Wegeventil 240 miteinander gekreuzt.
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3 zeigt
einen Hydraulikplan eines konventionellen Gesamtsystems unter Nutzung
des 4/2-Wegeventils 240 aus 2 zur Förderumkehr. Das
gezeigte Fördermodul weist ein Reservoir 210 auf,
das mittels eines Leitungssystems 205 mit einem Auslass 220 verbunden
ist. An dem Auslass 220 ist ein Dosierventil 222 angeordnet,
welches beispielsweise eine Dosierung des zu dosierenden Mediums 250 in
dem Reservoir 210 übernehmen kann. Ferner weist
das Fördermodul eine Fördereinrichtung 230 und
das 4/2-Wegeventil 240 auf, wobei die Fördereinrichtung 230 eine
Saugseite 230s und eine Druckseite 230d aufweist.
Das Reservoir 210 weist einen Auslass 214 auf,
wobei zwischen der Saugseite 230s der Fördereinrichtung 230 und
dem Auslass 214 des Reservoirs 210 ein erster
Kanal des 4/2-Wegeventils 240 angeordnet ist. Ein zweiter
Kanal des 4/2-Wegeventils ist zwischen die Druckseite 230d der
Fördereinrichtung 230 und dem Dosierventil 222 geschaltet.
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Das
Dosierventil 222 ist beispielsweise ein 2/2-Wegeventil,
so dass es für einen Kanal zwei Schalterstellungen bietet,
wobei im nicht aktivierten Zustand beispielsweise der Kanal unterbrochen
ist, d. h. keine Verbindung zu dem Auslass 220 besteht, und
im aktivierten Zustand der Kanal zu dem Auslass 220 geöffnet
wird. Das 4/2-Wegeventil 240 ist im nicht aktivierten Zustand
beispielsweise derart geschaltet, dass der Auslass 214 des
Reservoirs 210 mit der Saugseite 230s der Fördereinrichtung 230 verbunden
ist und zur gleichen Zeit die Druckseite 230d der Fördereinrichtung 230 mit
dem Dosierventil 222 verbunden ist. Im aktivierten Zustand
(zweiter Fördermodus) ist die Druckseite 230d der
Fördereinrichtung 230 mit dem Auslass 214 des
Reservoirs 210 verbunden und zur gleichen Zeit ist das
Dosierventil 220 mit der Saugseite 230s der Fördereinrichtung 230 verbunden.
Das hat zur Folge, dass im ersten Fördermodus der Inhalt
des Reservoirs 210 über das 4/2-Wegeventil 240 und
die Fördereinrichtung 230 zum Dosierventil 222 gepumpt
wird. Im zweiten Fördermodus (beim Aktivieren des 4/2-Wegeventils 240)
ist stattdessen das Dosierventil 222 über das 4/2-Wegeventil 240 mit
der Saugseite 230s der Fördereinrichtung 230 verbunden,
so dass die Fördereinrichtung 230 das Medium von
dem Auslass 220 zurück in das Reservoir 210 fördert.
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Die
Fördereinrichtung 230 kann beispielsweise den
Förderdruck von ca. 10 bar aufweisen oder alternativ kann
der Förderdruck in einem Bereich zwischen 3 und 20 bar
liegen. Der Durchsatz an Volumen pro Zeiteinheit kann beispielsweise
Q = 5 l/h betragen (wobei Q die zeitliche Ableitung des Volumens
ist). Alternativ kann der Durchsatz zum Beispiel in einem Bereich
zwischen 5...50 l/h liegen.
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Das
konventionelle System, welches in der 3 gezeigt
ist, ist (wie oben beschrieben) dahin gehend nachteilig, dass das
4/2-Wegeventil 240 zum Schalten eine hohe Aktuatorkraft
benötigt, da sich das Ventil gegen den Druck der Förderpumpe 230 schließen
muss und dadurch eine aufwendige Abdichtung erforderlich ist.
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Bei
Ausführungsbeispielen wird beispielsweise der Pumpenkopf
der Fördereinrichtung (z. B. Membranpumpe) dadurch erweitert,
dass die Anzahl der Pumpen-Anschlüsse von zwei (ein Einlass
und ein Auslass) auf vier (zwei Einlässe und zwei Auslässe)
erweitert wird. Dazu kann beispielsweise der Pumpenkopf durch zwei
weitere zwangsgesteuerte Ventile ergänzt werden. Es ist
ebenfalls denkbar, dass nach dem jeweils bestehenden Eingang und Ausgang
eine fluidische Aufteilung in Form einer Y-Verzweigung vorgenommen
wird. Dies ist beispielsweise in der 1 gezeigt,
wo die Saugseite 130s und die Druckseite 130d jeweils
mit zwei 2/2-Wegeventilen verbunden sind.
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4 zeigt
eine schematische Darstellung eines derartigen Pumpenkopfes, der
die vier 2/2-Wegeventile 140a, b, c, d aufweist und den
Einlass 110 mit dem Auslass 120 verbindet. Die
Steuerung der 2/2-Wegeventile 140 kann bei Ausführungsbeispielen
derart geschehen, dass das zweite 2/2-Wegeventil 140b zusammen
mit dem vierten 2/2-Wegeventil 140d durch einen Arbeitsdruck
P1 angesteuert wird, währenddessen das erste 2/2-Wegeventil 140a und das
dritte 2/2-Wegeventil 140c mit einem Unterdruck P0 angesteuert
wird. Somit wird entweder das zweite mit dem vierten 2/2-Wegeventil 140b,
d zusammen geöffnet in dem ersten Fördermodus
oder das erste und dritte 2/2-Wegeventil 140a, c werden
zusammen in dem zweiten Fördermodus geöffnet.
Das öffnen oder Schließen kann durch eine entsprechende Druckausbildung
für den Arbeitsdruck P1 und den Unterdruck P0 geschehen.
Beispiels weise kann bei einem Schließen des zweiten und
vierten 2/2-Wegeventils 140b, d der Arbeitsdruck P1 ca.
10 bar sein (gemessen als Überdruck), während
der Unterdruck P0 < 0
bar ist. Im zweiten Fördermodus wird der Arbeitsdruck P1
dann an dem erste und dritten 2/2-Wegeventil 140a, c angelegt
und in der oberen Kammer wird der Unterdruck P0 an das zweite und
vierte 2/2-Wegeventile 140b, d angelegt. Es erfolgt somit beim
Wechsel vom ersten zum zweiten Fördermodus eine Austausch
der Druckverhältnisse in den Kammern. Der Arbeitsdruck
von ca. 10 bar kann beispielsweise der Förderdruck der
Fördereinrichtung 130 sein, wobei der Druck relativ
zu dem atmosphärischen Druck gemessen werden kann.
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Die
resultierenden vier Anschlüsse des Pumpenkopfes können
beispielsweise jeweils als Ventilsitz eines 2/2-Wegeventils ausgeführt
werden. Weiter werden das Einlassventil 1 (E1 = viertes 2/2-Wegeventil 140d)
und das Auslassventil 2 (A2 = erstes 2/2-Wegeventil 140a)
mit dem Einlass 110 (z. B. Tank) und das Einlassventil
2 (E2 = drittes 2/2-Wegeventil 140c) und das Auslassventil
1 (A1 = zweites 2/2-Wegeventil 140b) mit dem Auslass 120 (z.
B. Verbraucher) verbunden. Werden nun beispielsweise das Auslassventil
A2 und das Einlassventil E2 geschlossen, fördert die Pumpe
vom Einlass 110 zu dem Auslass 120, da der Einlass 110 mit
einem Einlass der Fördereinrichtung 130 verbunden
ist. Werden das Auslassventil A1 und das Einlassventil E1 geschlossen,
kehrt sich die Förderrichtung um und es wird vom Auslass 120 (z.
B. Verbraucher) zum Einlass 110 (z. B. Tank) zurückgefördert,
da der Einlass 110 mit einem Auslass der Fördereinrichtung 130 verbunden
ist.
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Somit
wird das 4/2-Wegeventil, das in der 3 zur Förderumkehrung
genutzt wurde, durch vier einzelne 2/2-Wegeventile 140 (E1,
A1, A2, E2) ersetzt. Dies hat den besagten Vorteil, dass die Umkehrung
sehr kompakt direkt auf den Pumpenkopf integriert werden kann.
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5a und
b zeigen eine Ventilvorrichtung, die zur Realisierung des Ausführungsbeispiels
nach 4 verwendet werden kann. Wie es zu sehen ist, besteht
die gezeigte Ventilvorrichtung aus vier 2/2-Wegeventilen 140a–140d.
Aufgebaut ist die Ventilvorrichtung aus einer Grundplatte 300,
einer Abdeckplatte 302, einer zwischen Grundplatte 300 und Abdeckplatte 302 angeordneten
Membran 304 und einer Wippe bzw. einem Kippbauglied 306,
das um eine Kippachse 308 in Vorsprüngen 310 und 312 auf einer
Oberseite 314 der Abdeckplatte 302 kippbar gelagert
ist. In der der Membran 304 zugewandten Seite der Grundplatte 300 sind
Vertiefungen gebildet, die zusammen mit der Membran 304 Ventilkammern 340a–340d der
Ventile 140a–140d bilden sowie Verbindungsleitungen 342 und 344 zur
Verbindung der Ventilkammern 340d und 340a bzw. 340b und 340c. Von
der der Membran 304 abgewandten Unterseite 346 der
Grundplatte 300 bis in die Ventilkammern 340a–340d hinein
erstrecken sich Zuleitungen 348d und 348c bzw.
Auslassleitungen 348a und 348b. Wie es in 5b gezeigt
ist, können an den Stellen, an denen die Zuleitungen bzw.
Auslassleitungen 348a–348d in die Ventilkammern 340a–340d münden,
Ventilsitze 350d bzw. 350a (die Ventilsitze der Ventile 140b und 140c sind
nicht gezeigt) vorgesehen sein, die die entsprechenden Ventilöffnungen bzw.
Leitungsmündungen umgeben. In dem Grundkörper 300 ist
ferner eine Einlassleitung 110 und eine Auslassleitung 120 gebildet,
von denen erstere fluidisch mit der Verbindungsleitung 342 und
somit mit den Ventilkammern 340d und 340a gekoppelt
ist und letztere mit der Verbindungsleitung 344 und somit
mit den Ventilkammern 340b und 340c.
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Die
Membran 304 ist zwischen dem Grundkörper 300 und
der Abdeckplatte 302 befestigt. Allerdings besitzt die
Abdeckplatte 302 an den Stellen der Ventilkammern 340a–340d Aussparungen 352a–352d,
so dass die Membran 304 oberhalb der Ventilkammern elastisch
verformbar ist. Die Kippachse 308 verläuft zwischen
den Ventilen 140a–140d so, dass die Ventile 140d und 140b den
Ventilen 140a und 140c über die Kippachse 308 gegenüberliegen. In 5b ist
die Wippe 308 in einem nicht-gekippten Zustand gezeigt.
Kippt die Wippe 308 jedoch in die eine Richtung, so drückt
sie mit der Membran 304 zugewandten Vorsprüngen 354d und 354b,
die als Stössel dienen, die Membran 304, so dass
selbige auf den Ventilsitzen 350d und 350b zum
Liegen kommt und somit die Ventile 140d und 140b schließt. Kippt
sie auf die andere Seite, so drückt sie mit entsprechenden
Vorsprüngen 354a und 354c die Membran 304 auf
die Vorsprünge 350a und 350c und schließt
somit die Ventile 140a und 140c, während die
anderen Ventile 140d und 140b geöffnet
bleiben, weil dort die Membran 304 entspannt bleibt. In 5b ist
somit angedeutet, dass mit einer Krafteinwirkung K1 auf die Seite
der Ventile 140d und 140b der Wippe 306 die
Ventilvorrichtung in den Zustand versetzt werden kann, da die Ventile 140a und 140c geöffnet
sind, während die anderen geschlossen sind, wobei mit einer
Krafteinwirkung K2 auf die andere Seite der Wippe 306 genau
das Gegenteil bewirkt werden kann, nämlich dass die Ventile 140a und 140c geschlossen
sind, während die anderen Ventile 140b und 140d geöffnet
sind. Als Einrichtungen zur Erzeugung der entsprechenden Krafteinwirkung
können unterschiedlichste Einrichtungen verwendet werden,
wie z. B. solche, die auf elektrostatischer, hydraulischer und magnetischer
Basis arbeiten. Andere externe Aktoren sind natürlich ebenfalls
möglich.
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Sofern
zum Betätigen der Ventile externe Aktoren (z. B. Elektromagneten)
verwendet werden, bewirken die im Vorhergehenden beschriebenen Maßnahmen
zum gewünschten und beschriebenen Betriebsverhalten jedoch
noch keine große Kosteneinsparung. Die Kraft, die benötigt
wird, ergibt sich nämlich aus dem Fluiddruck und der Öffnungsweite
des 2/2-Wegeventils 140. Der hohe Druck (Fluiddruck) wird
durch die Pumpe (Fördereinrichtung 130) vorgegeben
und ist je nach Anwendungsfall sogar erforderlich. Die Ventilweite
kann andererseits auch nicht minimiert werden, da sonst der Strömungswiderstand der
2/2-Wegeventile 140 zu groß wäre, was
den Ausgangsdruck und die Fördermenge negativ beeinflussen
würde.
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Daher
verwenden Ausführungsbeispiele zur Betätigung
der 2/2-Wegeventile 140 den im System vorhandenen Fluiddruck.
Dies wird beispielsweise erreicht, indem die 2/2-Wegeventile 140 als
hydraulisch betätigte Membranventile ausgeführt
werden. Eine prinzipielle Ausführungsform eines solchen
hydraulisch vorgesteuerten 2/2-Wege-Membranventils 140 ist
beispielsweise in der 6 gezeigt. Das 2/2-Wegeventil 140 weist
eine Steuerdruckkammer 144 und eine Membran 143 auf,
die sich bei Ausbilden eines Druckes oder einer Druckerhöhung
in der Steuerdruckkammer 144 deformiert, so dass sie einen
Eingang 141 von einem Ausgang 142 trennt, wenn
die Membran 143 den Ventilsitz 146 kontaktiert.
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In
der 6A ist zunächst der Zustand gezeigt,
bei dem in der Steuerdruckkammer 144 kein erhöhter
Druck ausgebildet ist, so dass die Membran 143 keine Deformation
aufweist und der Eingang 141 mit dem Ausgang 142 fluidisch
verbunden ist.
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6B zeigt
dagegen den Zustand, wenn in der Steuerdruckkammer 144 ein
erhöhter Druck ausgebildet wird, der seinerseits zu einer
Deformation der Membran 143 führt, die den Ventilsitz 146 durch eine
Kontaktierung schließt, so dass der Eingang 141 von
dem Ausgang 142 fluidisch getrennt ist.
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In
der 6B ist somit der Betriebszustand dargestellt,
bei dem der Förderdruck der Pumpe P1 am Einlass 141 des
2/2-Wegeventils 140 anliegt und gleichzeitig auf der Oberseite
der Ventilmembran 143 einwirkt. Wenn nun, wie gezeigt,
die Ventilmembran 143 derart ausgebildet ist, dass deren
Fläche F1 größer ist als die Fläche
der Einlassöffnung F2 (Querschnittsfläche am Ventilsitz),
ergibt sich eine resultierende Kraft, welche die Ventilöffnung 141 sicher
verschließt. Abhängig vom Flächenverhältnis
(F1 zu F2) und der mechanischen Steifigkeit oder Elastizität
der Membran würde auch dann ein sicheres Schließen des
Ventils 140 er folgen, wenn der Druck oberhalb der Ventilmembran
geringer sein würde als der Förderdruck P1 am
Einlass 141. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sehen
jedoch vor, dass der Förderdruck P1 am Pumpenausgang 130d (auf
der Druckseite) auf die Oberseite der Ventilmembran 143 geleitet
wird.
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Bei
dem in der 6A gezeigten Zustand liegt an
die Oberseite der Ventilmembran 143 und somit innerhalb
der Steuerdruckkammer 144 ein Druck P0 an, der ausreichend
kleiner ist als der Förderdruck P1, so dass die mechanische
Rückstellkraft der Ventilmembran 143 sowie die
durch den Druck 21 auf die Membran ausgeübte Kraft
zu einem Öffnen des Ventils 140 führt.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Systems ist
der Druck P0 in diesem Betriebszustand jener Druck, der auf der
Saugseite 130s der Pumpe 130 anliegt bzw. dass
die Saugseite 130s der Pumpe 130 mit der Oberseite
der Ventilmembran 143 verbunden ist.
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Um
die 2/2-Wegeventile 140 zu öffnen und zu schließen
wird also im Raum oberhalb der Ventilmembran 143 (in der
Steuerdruckkammer 144) ein Druck aufgebaut oder abgebaut.
Dazu ist es in der Fluidtechnik üblich, zum Vorsteuern
von fluidisch (hydraulisch oder pneumatisch) vorgesteuerten Ventilen 3/2-Wegeventile
einzusetzen. Bei dem in der 4 dargestellten
Pumpkopf wären also für die Ansteuerung der vier
2/2-Wegeventile 140 vier 3/2-Wegeventile erforderlich.
Da jedoch immer zwei 2/2-Wegeventile gleichzeitig/synchron betätigt
werden, kann der Steuerdruck gleichzeitig auf jeweils zwei Steuerdruckkammern
der 2/2-Wegeventile 140 geleitet werden, so dass dadurch
nur zwei 3/2-Wegeventile erforderlich sind.
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Eine
weitere Reduzierung der benötigten 3/2-Wegeventile lässt
sich dadurch erzielen, dass die Steuerdruckkammern 144 der
2/2-Wegeventile 140 sowohl einen Eingang (Druckanschluss 145)
als auch einen Ausgang 147 (Druckablassanschluss bzw. Entlüftung)
aufweisen. Der Ausgang sorgt dafür, dass nur dann ein Überdruck
in der Steuerdruckkammer 144 der 2/2-Wegeventile 140 vorhanden
ist, wenn eingangsseitig ein Überdruck anliegt und Medium
nachströmen kann. Ferner sollte der Strömungswiderstand
am Ausgang 147 der Steuerdruckkammer 144 deutlich
höher sein als der eingangsseitige Strömungswiderstand.
Somit ist lediglich noch ein 3/2-Wegeventil für die Umschaltung
notwendig. Der Druck in der Steuerdruckkammer 144 kann
sich somit von allein abbauen. Außerdem ist ein sehr kleines 3/2-Wegeventil
zum Umschalten ausreichend, da es lediglich den Druck durchschaltet,
der durch den Strömungswiderstand am Ausgang 147 bestimmt wird,
aber nicht vom Gesamtvolumenstrom durchflossen wird.
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7 zeigt
als ein Ausführungsbeispiel einen Hydraulik- oder Pneumatikplan
eines Gesamtsystems unter Nutzung eines 3/2-Wegeventils 150. Das
Gesamtsystem weist eine Fördereinrichtung 130 mit
einer Saugseite 130s und einer Druckseite 130d, vier
2/2-Wegeventile 140a, b, c, d, ein Reservoir 110 als
Einlass und ein Auslass 120 auf. Am Auslass 120 ist
ein Dosierventil 122, das beispielsweise ein weiteres 2/2-Wegeventil
mit einem Steueranschluss 125 sein kann, angeordnet. Bei
dem in der 7 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist das Dosierventil 122 an dem Auslass 120 derart
geschaltet, dass es in dem nicht aktivierten Zustand offen ist,
während es bei einer Aktivierung über einen Steueranschluss 145 geschlossen
wird. Über die Zeitdauer des Öffnens oder Schließens
kann somit eine Dosierung erfolgen.
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Jedes
der vier 2/2-Wegeventile 140 weist einen Eingang und einen
Ausgang als auch einen Steueranschluss 145 auf, wobei bei
dem gezeigten Ausführungsbeispiel bei Aktivierung der 2/2-Wegeventile 140 der
Eingang 141 von dem Ausgang 142 getrennt wird.
Die Anordnung der 2/2-Wegeventile 140 entlang des Leitungssystems 105 zwischen
dem Einlass 110 und dem Auslass 120 ist wie folgt.
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Zwischen
der Saugseite 130s der Fördereinrichtung 130 und
dem Reservoir 110 ist das vierte 2/2-Wegeventil 140d und zwischen
der Saugseite 130s und dem Auslass 120 ist das
dritte 2/2-Wegeventil 140c angeordnet, welche Steueranschlüsse 145c,
d aufweisen. Zwischen der Druckseite 130d der Fördereinrichtung 130 und
dem Einlass 110 ist das erste 2/2-Wegeventil 140a mit
dem Steueranschluss 145a angeordnet und zwischen der Druckseite 130d und
dem Auslass 120 ist das zweite 2/2-Wegeventil 140b mit
dem Steueranschluss 145b angeordnet.
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Die
Steueranschlüsse 145 sind wie folgt mit dem 3/2-Wegeventil 150 gekoppelt.
Das 3/2-Wegeventil weist einen Eingang 151 und einen ersten
Ausgang 152a und einen zweiten Ausgang 152b auf,
wobei in einer ersten deaktivierten Schaltstellung der Eingang 151 mit
dem ersten Ausgang 152a verbunden und der zweite Ausgang 152b geschlossen
ist. In der aktivierten Schaltstellung verbindet das 3/2-Wegeventil
den Eingang 151 mit dem zweiten Ausgang 152b und
der erste Ausgang 152a ist geschlossen. Ferner ist der
Steueranschluss 145a des ersten 2/2-Wegeventils 140a mit
dem ersten Ausgang 152a des 3/2-Wegeventils verbunden.
Der Steueranschluss 145c des dritten 2/2-Wegeventils 140c ist ebenfalls
mit dem ersten Ausgang 152a des 3/2-Wegeventils 150 gekoppelt.
Der zweite Ausgang 152b des 3/2-Wegeventils 150 ist
sowohl mit dem Steueranschluss 145b des zweiten 2/2-Wegeventils 140b als
auch mit dem Steueranschluss 145d des vierten 2/2-Wegeventils 140d verbunden.
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Der
zweite Ausgang 152b des 3/2-Schaltventils 150 ist
somit sowohl mit dem zweiten als auch dem vierten Steueranschluss 145b,
d über eine erste Steuerleitung s1 miteinander verbunden.
In analoger Weise ist der erste Ausgang 152a des 3/2-Schaltventils 150 sowohl
mit dem ersten als auch dem dritten Steueranschluss 145a,
c über eine zweite Steuerleitung s2 miteinander verbunden.
Außerdem ist die erste Steuerleitung s1 über eine
erste Druckabbauleitung a1 über einen ersten Flusswiderwiderstand R1
mit der Saugseite 130s der Fördereinrichtung 130 verbunden.
Schließlich verbindet eine zweite Druckabbauleitung a2
mit einem zweiten Flusswi derwiderstand R2 die zweite Steuerleitung
s2 mit der Saugseite 130s der Fördereinrichtung 130.
Der erste und zweite Flusswiderstand R1, R2 können optional durch
die Leitungen oder deren Querschnittflächen selbst definiert
sein.
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Somit
ist sichergestellt, dass der Druck auf der Druckseite 130d der
Fördereinrichtung 130 jeweils zwei der 2/2-Wegeventile 140 schließt
oder öffnet, wobei das Schließen dadurch geschieht,
dass der Druck auf der Druckseite 130d an den Steueranschluss 145 der
jeweiligen zwei der vier 2/2-Wegeventile 140 ausgebildet
wird. Die 2/2-Wegeventile 140 können dabei derart
geschaltet sein, dass sie im nicht aktivierten Zustand durch eine
mechanische Rückstelleinrichtung, wie beispielsweise einer
Feder oder Ähnliches auf den offenen Betriebszustand geschaltet
werden und lediglich bei einer Aktivierung (Ausbildung des Druckes
an den Steueranschlüssen 145) die entsprechende
Verbindung unterbrechen.
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Die
Betriebsweise des Gesamtsystems, wie es in der 7 dargestellt
ist, kann somit auch wie folgt zusammengefasst werden. Dabei wird
wiederum das erste 2/2-Wegeventil 140a als A2, das zweite 2/2-Wegeventil 140b als
A1, das dritte 2/2-Wegeventil 140c als E2 und das vierte
2/2-Wegeventil 140d als E1 bezeichnet.
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Die
vier fluidisch betätigten 2/2-Wege-Membranventile 140 (E1,
E2, A1, A2) sind als vorgesteuerte Schaltventile mit Federrückstellung
dargestellt. Die fluidische (hydraulische oder pneumatische) Betätigung
erfolgt über die Steuerleitungen s1 und s2, die die beiden
Ausgänge 152 des 3/2-Wegeventils 150 mit
den Steueranschlüssen 145 der 2/2-Wegeventile 140 verbindet.
Die Steuerdruckkammern 144 der 2/2-Wegeventile 140 sind
in diesem Ersatzschaltbild nicht dargestellt. Der Druckabbau der
Steuerleitungen oder der Steuerdruckkammern 144 erfolgt über
die Druckabbau- bzw. Entlüftungsleitungen a1 und a2. Die
Federrückführung der 2/2-Wegeventile 140 erfolgt
durch die mechanischen Rück stellkräfte der jeweiligen
Ventilmembrane 143. An der Druckseite 130d der
Förderpumpe 130 wird ein Teil des Volumenstroms über
das beispielsweise elektromagnetisch betätigte 3/2-Wege-Steuerventil
S1 (=3/2-Wegeventil 150) abgezweigt.
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In
dem oben beschriebenen Anwendungsfall ist das Reservoir an dem Einlass 110 mit
Flüssigkeit befüllt. Das Dosierventil 122 ist
ausgangsseitig beispielsweise mit dem Verbraucher verbunden und
dosiert somit die Flüssigkeit. Im Folgenden sind nun die Betriebszustände
des Systems abhängig von der Schaltstellung des Steuerventils
S1 (=3/2-Wegeventil 150) beschrieben.
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(i) Steuerventil nicht betätigt
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In
der dargestellten nicht betätigten Schaltposition des Steuerventils
S1 wird der abgezweigte Volumenstrom über die Steuerleitung
s2 auf die Steuerdruckkammer 144 der Ventile A2 und E2
geleitet und diese somit geschlossen. Ein Teil des abgezweigten
Volumenstroms wird über die Druckabbauleitung a2 mit dem
Strömungswiderstand R2 auf die Saugseite 130s der
Pumpe 130 zurückgeführt. Die Druckabbauleitung
a1 ist ebenfalls mit der Saugseite 130s der Pumpe 130 verbunden,
so dass ein ggf. vorhandener Überdruck in der Steuerleitung
s1 über die Druckabbauleitung a1 mit dem Strömungswiderstand
R1 abgebaut wird. Somit wird sichergestellt, dass die Ventile E1
und A1 geöffnet sind. Somit fördert die Pumpe 130 das
Medium über die Ventile E1 und A1 vom Reservoir 110 zum
Dosierventil 122.
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(ii) Steuerventil betätigt
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Wird
das Steuerventil S1 betätigt, wird der abgezweigte Volumenstrom
auf die Steuerleitung s1 und damit in die Steuerdruckkammer 144 der
Ventile E1 und A1 geleitet, so dass diese Ventile geschlossen sind.
Ein Teil des abgezweigten Volumenstroms wird über die Druckabbauleitung
a1 und dem Strömungswiderstand R1 auf die Saugseite 130s der Pumpe 130 zurückgeführt. Über
die Druckabbauleitung a2 mit dem zweiten Strömungswiderstand
R2 wird der ggf. auf der Steuerleitung s2 wirkende Druck abgebaut,
so dass die Ventile E2 und A2 geöffnet sind. In dieser
Schaltstellung fördert somit die Pumpe 130 das
Medium über die Ventile E2 und A2 vom Dosierventil 122 zum
Reservoir 110.
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Wird
das System so ausgelegt, dass sowohl Gase als auch Flüssigkeiten
gefördert werden können, kann das System bei geeigneter
Betätigung des Ventils 150 und des Dosierventils 122 selbstständig ein
Mediumaustausch durchführen. Ein mit Gas befülltes
System kann somit Flüssigkeit aus dem Reservoir 110 ansaugen
und dem Dosierventil 122 zuführen. Man spricht
hier von einer Selbstbefüllung des Systems. Ein mit Flüssigkeit
befülltes System kann über das Dosierventil 122 Gas
ansaugen und alle Leitungen mit dem Gas befüllen. In diesem
Fall spricht man von einer Selbstentleerung des Systems.
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Ausführungsbeispiele
können abschließend wie folgt zusammengefasst
werden. Sie umfassen eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Dosieren flüssiger
und gasförmiger Medien, die mindestens eine Fördereinrichtung 130 oder
optional eine Membranpumpe aufweisen, mindestens vier 2/2-Wegeventile 140 aufweisen,
wobei die Vorrichtung und das Verfahren dadurch gekennzeichnet sind,
dass die 2/2-Wegeventile 140 derart angeordnet sind, dass mindestens
zwei der 2/2-Wegeventile 140 mit der Saugseite 130s der
Fördereinrichtung 130 und mindestens zwei der
2/2-Wegeventile 140 mit der Druckseite 130d der
Fördereinrichtung 130 verbunden sind. Ferner ist
mindestens eines der mindestens zwei mit der Saugseite 130s der
Fördereinrichtung 130 verbundenen und mindestens
eines der mindestens zwei mit der Druckseite 130d der Fördereinrichtung 130 verbundenen
2/2-Wegeventile 140 gemeinsam betätigt, so dass
immer mindestens ein 2/2-Wegeventil 140 auf der Saugseite 130s und
mindestens ein 2/2-Wegeventil 140 auf der Druckseite 130d gemeinsam
betä tigt werden können (2/2-Wegeventilkombination).
Die restlichen der mindestens zwei 2/2-Wegeventile 140 auf
der Saugseite 130s und die restlichen der mindestens zwei
2/2-Wegeventile 140 auf der Druckseite 130d werden
ebenfalls gemeinsam betätigt.
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Ausführungsbeispiele
sind ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigung
der mindestens vier 2/2-Wegeventile 140 sowohl hydraulisch
als auch pneumatisch erfolgen kann. Die mindestens vier 2/2-Wegeventile 140 weisen
beispielsweise zum Öffnen oder Schließen eine
Membran 143 auf, über der eine Kammer (Steuerdruckkammer 144)
angeordnet ist, wobei der zum Schalten erforderliche Druck in der
Steuerdruckkammer 144 aufgebaut werden kann und die Druckkammer über
mindestens einen Eingang und mindestens einen Ausgang verfügt.
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Die
mindestens vier 2/2-Wegeventile 140 sind bei Ausführungsbeispielen
vorzugsweise vom Typ normal offen (NO), wobei weitere Ausführungsbeispiele
auch 2/2-Wegeventile 140 vom Typ normal geschlossen nutzen
können. Bei weiteren Ausführungsbeispielen wird
der zum hydraulischen oder pneumatischen Schalten der 2/2-Wegeventile 140 erforderliche
Druck vom Volumenstrom von der Fördereinrichtung 130 erzeugt
und durch mindestens ein Steuerventil 150 wechselseitig über
den jeweiligen Eingang 145 auf die Steuerdruckkammer 144 der mindestens
zwei gemeinsamen hydraulisch oder pneumatisch betätigten
2/2-Wegeventilkombinationen 140 geleitet. Schließlich
wird bei Ausführungsbeispielen der zum hydraulischen oder
pneumatischen Schalten der 2/2-Wegeventile 140 aufgebaute Druck
dadurch wieder abgebaut, dass der Ausgang der Steuerdruckkammer 144 mit
der Saugseite 130s der Fördereinrichtung 130 fluidisch
verbunden ist.
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Ausführungsbeispiele
umfassen ebenfalls ein 2/2-Wegeventil 140, das einen Eingang 141,
einen Ausgang 142, eine Membran 143 und eine Steuerdruckkammer 144 mit
Steueranschluss 145 und einen Ventilsitz 146 aufweist. Über
den Steueranschluss 145 erfolgt ein Schließen
durch eine Druckerhöhung in der Steuerdruckkammer 144.
Die Membran 143 begrenzt die Steuerdruckkammer 144 und die
Membran 143 ist ausgebildet, um bei der Druckerhöhung
den Eingang 141 von dem Ausgang 142 durch eine
Deformation der Membran 143 zu trennen. Die Membran 143 weist
eine Membranfläche F1 und der Ventilsitz 146 eine
Querschnittsfläche F2 auf, wobei die Membranfläche
F1 größer ist als die Querschnittsfläche
F2 und die Membran ist ausgebildet, um den Ventilsitz 146 entlang
der Querschnittsfläche F2 bei der Druckerhöhung
in der Steuerdruckkammer 144 zu schließen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10200606838
A1 [0002]
- - DE 19532037 C1 [0003]