DE102011052432A1 - Membranpumpe und Verfahren zum Fördern von feinkörnigen Pulvern mit Hilfe einer Membranpumpe - Google Patents

Membranpumpe und Verfahren zum Fördern von feinkörnigen Pulvern mit Hilfe einer Membranpumpe Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Membranpumpe mit einem ein Arbeitsvolumen umschließenden Förderraum, mindestens einer auslenkbaren Membran die in eine Saugstellung und eine Pumpstellung bringbar ist, einem an einer Saugseite der Membranpumpe angeordneten Einlassventil und einem an der Druckseite der Membranpumpe angeordneten Auslassventil. Um mit einer Membranpumpe feinkörnige Pulvern, insbesondere auch nicht fließfähige Pulver mit Partikelgrößen von 0,01 µm bis 100 µm fördern zu können, wird vorgeschlagen, dass an dem Förderraum eine Gaszuführung zum Einbringen eines Gases in den Förderraum angeordnet ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Förderung feinkörniger Pulver.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fördern von feinkörnigen Pulvern mit Hilfe einer Membranpumpe, die einen ein Arbeitsvolumen umschließenden Förderraum, mindestens eine auslenkbare Membran, die in eine Saugstellung und eine Druckstellung bringbar ist, und ein an einer Saugseite der Membranpumpe angeordnetes Einlassventil und ein an der Druckseite der Membranpumpe angeordnetes Auslassventil aufweist.
  • Verfahren zum Fördern von feinkörnigen Pulvern sind beispielsweise zur Zuführung dosierter Mengen von feinkörnigen Pulvern für Plasma-Beschichtungsprozesse erforderlich. Pulverablagerungen und Agglomerationen des Pulvers in den Förderwegen und der Pumpe müssen vermieden werden, da andernfalls die Förderung des Pulvers zum Erliegen kommen kann.
  • Die Förderung feiner Pulver mit Korngrößen von weniger als 150 µm ist mit bekannten Pumpen kaum möglich. Unterhalb dieser Korngröße nehmen die Adhäsionskräfte zwischen den Pulverpartikeln erheblich zu. Die Oberfläche der Partikel vergrößert sich im Verhältnis zum Volumen erheblich. Ein Würfel mit einer Kantenlänge von 1 cm weist eine Oberfläche von 0,006 m2 auf. Das gleiche Volumen mit Partikeln von fünf Nanometern Kantenlänge aufgefüllt, weist indes eine Oberfläche von 2.400 m2 auf. Die starke Zunahme der Oberflächenkräfte behindert die Förderung derart kleiner Partikel. Durch permanente Energieeinkopplung, insbesondere hohe Strömungsgeschwindigkeiten, die mit einem hohen Gas- bzw. Luftverbrauch einhergehen, kann ein Agglomerieren des Pulver-/Gasgemisches vermieden werden. Hohe Gasvolumenströme sind jedoch in verschiedenen nachgeschalteten Arbeitsprozessen, wie beispielsweise bei Plasma-Beschichtungsprozessen oder Laser-Beschichtungsprozessen, nachteilig. Darüber hinaus bedingen hohe Gasvolumenströme einen höheren Energieeinsatz für die Förderung.
  • Die DE 44 23 197 offenbart eine Pulverpumpe für Pulver zum Sprühbeschichten von Gegenständen in einer stabartig länglichen Form. An einer Stirnseite weist die Pulverpumpe eine Pulveransaugöffnung auf, über die Pulver aus einem nach oben offenen Pulverbehälter angesaugt und durch ein inneres Rohr der Pulverpumpe zu einem Verbraucher befördert wird. Die Förderung selbst erfolgt durch Erzeugung eines Vakuums in der Pulverpumpe. Das Vakuum wird mit einer Injektordüse erzeugt, die sich in der Nähe der Pulveransaugöffnung befindet.
  • Des Weiteren sind aus dem Stand der Technik Membran-Pumpen zur Förderung von Flüssigkeiten oder Gasen bekannt. Der Arbeitsraum ist durch eine auslenkbare Membran vom Antrieb getrennt. Durch diese Trennung ist der Antrieb von schädlichen Einflüssen des Fördermediums abgeschirmt. Die oszillierende Auslenkung der Membran bewirkt in einem Saughub in die voll ausgelenkte Saugstellung eine Vergrößerung des Arbeitsvolumens des Förderraums und in einem Druckhub in die voll ausgelenkte Druckstellung eine Verkleinerung des Arbeitsvolumens des Förderraums. Die Auslenkung der Membran erfolgt hydraulisch, pneumatisch oder mechanisch. An der Saugseite der Membranpumpe ist ein durch das Fördermedium betätigtes Einlassventil und an der Druckseite ein durch das Fördermedium betätigtes Auslassventil angeordnet. Über das Einlassventil wird beim Saughub der Membran das Fördermedium angesaugt und beim Druckhub durch das Auslassventil ausgestoßen.
  • Sofern eine Membranpumpe zur Förderung eines Pulver-/Gasgemisches eingesetzt wird, tritt insbesondere bei feinkörnigen Pulvern der Zustand ein, dass die Strömungsgeschwindigkeit im Arbeitsvolumen des Förderraums der Membranpumpe nicht ausreicht, um die gesamte Pulvermenge durch das Auslassventil auszustoßen.
  • In Folge dessen bilden sich während des laufenden Betriebs der Membranpumpe zunehmende Ansammlungen von Pulver innerhalb des Förderraums der Membranpumpe, die zunächst die Saugleistung reduzieren und schließlich die Membranpumpe verstopfen. Insbesondere bei sehr feinkörnigen Pulvern können sich darüber hinaus Pulveragglomerate bilden, die die Förderung des Pulvers behindern bzw. die Membranpumpe blockieren. Eine Verstopfung der Membranpumpe kann durch eine Erhöhung der Pumpleistung nicht aufgehoben werden. Vielmehr ist es erforderlich, den Förderraum zu öffnen und die Verstopfung zu beseitigen.
  • Einen weiteren Einfluss auf die Ausbildung von Ablagerungen hat die geometrische Ausbildung des Förderraums. Insbesondere in Bereichen mit geringerer Strömungsgeschwindigkeit des Pulver-/Gasgemisches kommt es zu Pulverablagerungen. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass im Bereich der Auslassventile bei der Förderung feinkörniger Pulver Verstopfungen auftreten. Eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit ist bei einem gegebenen Arbeitsbereich einer Membranpumpe mit einem bestimmen Unterdruck an der Saugseite und einem bestimmten Überdruck an der Druckseite nicht ohne weiteres möglich, um diese Problemzonen des Förderraums zu entschärfen.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Membranpumpe vorzuschlagen, mit der eine Förderung von feinkörnigen Pulvern, insbesondere auch nicht fließfähiger Pulver mit Partikelgrößen von 0,01 µm bis 100 µm möglich ist. Außerdem soll ein Verfahren zu Förderung derartiger Pulver vorgeschlagen werden.
  • Diese Aufgabe wird bei einer Membranpumpe der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass an dem Förderraum eine Gaszuführung zum Einbringen eines Gases in den Förderraum angeordnet ist.
  • Außerdem wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß de Merkmalen der Ansprüche 9 bis 15 gelöst.
  • Das Einlassventil der Membranpumpe wirkt als Rückschlagventil, so dass das zugeführte Gas, insbesondere Luft, nur in Förderrichtung der Membranpumpe aus dem Auslassventil ausströmen kann. Das zusätzlich eingebrachte Gas bewirkt, dass im Arbeitsvolumen der Membranpumpe stets optimale Strömungsbedingungen herrschen und Pulverablagerungen im Förderraum vermieden werden.
  • Die maximale Menge des zusätzlich eingebrachten Gases wird durch die Saugleistung der Membranpumpe während des Saughubs begrenzt. Wird die maximale Menge überschritten, kann die Membranpumpe über das druckgesteuerte Einlassventil kein Pulver bzw. Pulver-/Gasgemisch mehr ansaugen und das Einlassventil bleibt geschlossen.
  • Das Einbringen des Gases in den Förderraum bewirkt, dass das Einlassventil früher schließt und dass das in den Arbeitsraum angesaugte Pulver bzw. Pulver-/Gasgemisch zusammen mit dem zusätzlich in den Förderraum eingebrachten Gas vollständig durch das Auslassventil ausgetragen wird.
  • Eine pulsationsarme Pulverförderung für kontinuierliche Folgeprozesse wird ermöglicht, wenn die Gaszuführung einen Verdichter zur Erzeugung eines konstanten Volumenstroms des Gases aufweist.
  • Eine besonders wirksame Reinigung des Förderraums mit Hilfe des zugeführten Gases wird erreicht, wenn die Gaszuführung einen Verdichter zur Erzeugung eines pulsierenden Volumenstromes des Gases aufweist.
  • Bei nachfolgenden, druckgeführten Folgeprozessen weist die Gaszuführung vorzugsweise einen Verdichter zur Erzeugung eines konstanten Drucks des zugeführten Gases auf.
  • Das Gas wird vorzugsweise an einer Wand des Förderraums über einen Einlass eingebracht. Der Einlass kann als Durchgang in der Wand oder aber auch als Düse ausgestaltet sein. Insbesondere bei Ausbildung des Einlasses als Düse kann der Einlass zweckmäßiger Weise derart ausgerichtet sein, dass Bereiche des Förderraums mit Gas beaufschlagt werden, in denen sich aufgrund der Strömungsverhältnisse leicht Ablagerungen des geförderten Pulvers bilden können.
  • Die erfindungsgemäße Membranpumpe eignet sich insbesondere zur Förderung feinstkörniger Pulver. Sie lässt sich jedoch auch mit Vorteil zum Fördern kondensathaltiger Gase einsetzen.
  • Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Membranpumpe anhand der 1 näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Membranpumpe sowie zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Die Membranpumpe (1) umfasst einen ein Arbeitsvolumen V1 bzw. V2 umschließenden Förderraum (2), der an einer Seite durch eine auslenkbare Membran (3) begrenzt ist. Die Membran (3) ist in eine Saugstellung (4) und eine Druckstellung (5) bringbar ist. In 1 befindet sich die Membran in der in durchgezogener Linie dargestellten Saugstellung (4). Die oszillierende Auslenkbewegung (6) wird mit Hilfe eines Exzenterantriebs umfassend einen Elektromotor (7) und eine Pleuelstange (8) erzeugt.
  • An einer Saugseite (9) der Membranpumpe (1) ist ein Einlassventil (11) und an einer Druckseite der Membranpumpe (1) ein Auslassventil (12) angeordnet. Sowohl das Ein- als auch das Auslassventil (11, 12) werden durch das von der Membranpumpe (1) geförderte Pulver-/Gasgemisch (13) druckgesteuert betätigt, wobei das Einlassventil (11) beim Saughub der Membran (3) in die Saugstellung (4) öffnet und beim Druckhub in die Druckstellung (5) schließt, während das Auslassventil (12) beim Saughub der Membran (3) schließt und beim Druckhub öffnet.
  • An einer Wand (14) des Förderraums (2) ist eine Gaszuführung (15) zum Einbringen eines Gases, insbesondere Luft, in den Förderraum (2) angeordnet. Die Gaszuführung (15) umfasst einen als Düse (17) die Wand (14) durchsetzenden Injektor, mit dem das Gas gezielt in den Förderraum (2) eingebracht wird, um Pulveransammlungen aufzulösen und dem Pulver-/Gasgemisch eine zusätzliche Gasmenge aufzuprägen. Die Gaszuführung umfasst weiterhin einen schematisch dargestellten Verdichter (18), der über eine Leitung mit der Düse (17) verbunden ist. Der Verdichter (18) erzeugt je nach Zusammensetzung des zu fördernden Pulver-/Gasgemisches und/oder in Abhängigkeit von dem nachgeordneten, an der Druckseite angeschlossenen Prozess einen konstanten Druck (19) des Gases (16), einen konstanten Volumenstrom (20) des Gases (16) oder einen pulsierenden Volumenstrom (21) des Gases (16), das über die Düse (17) in den Förderraum (2) eingebracht wird.
  • Zur Förderung kleiner Pulvermengen feinkörnigen Pulvers wird Gas mit einem Volumenstrom in einem Bereich von 1 l/min–50 l/min in den Förderraum (2) eingebracht. Die Oszillationsfrequenz der Membran liegt für das Fördern feiner Pulver vorzugsweise in einem Frequenzbereich von 10 Hz bis 200 Hz bei einem maximalen Arbeitsvolumen in einem Bereich von 0,1 bis 20 ml.
  • Die hohen Frequenzen der Membranpumpe begünstigen die kontinuierliche Förderung kleiner Mengen feinkörnigen Pulvers. Für die kontinuierliche, pulsationsarme Förderung feiner Pulver ist es vorteilhaft, wenn jede Membranpumpe an ihrer Saugseite über eine möglichst kurze Saugleitung mit einem Ansaugmittel zum Ansaugen von Pulver aus einem Pulvervorrat verbunden ist. Als vorteilhaft hat sich eine Länge der Saugleitung von 0,01 m bis 1 m, vorzugsweise 0,01 bis 0,5 m herausgestellt, während die Länge der Druckleitung zur pulsationsarmen Förderung vorzugsweise mindestens um den Faktor 10 länger ist. In Versuchen mit Saug- und Druckleitungen mit einem Innendurchmesser von 2,5 mm konnte keine pulsationsarme Förderung bei Druckleitungslängen von 3 m erzielt werden, während gute Ergebnisse bei Druckleitungslängen mit mehr als 10 m erzielt wurden. Aufgrund der Versuche wurde erkannt, dass eine gleichmäßige, pulsationsarme Förderung des feinen Pulvers erreicht wird, wenn die Membranpumpe an der Druckseite mit einer Druckleitung verbunden ist und die Länge der Druckleitung deren Durchmesser mindestens um den Faktor 2000 übersteigt.
  • Durch Einbringen des Gases (16) in den Förderraum (2) sowie die Anordnung der Düse (17) wird erreicht, dass im Arbeitsvolumen V1 bzw. V2 des Förderraums (2) stets optimale Strömungsbedingungen herrschen und Pulverablagerungen in dem Förderraum (2), die zu einer Verstopfung und damit dem Ausfall der Membranpumpe (1) führen können, sicher vermieden werden. Bezugszeichenliste
    Nr. Bezeichnung
    1 Membranpumpe
    2 Förderraum
    3 Membran
    4 Saugstellung
    5 Druckstellung
    6 Auslenkbewegung
    7 Elektromotor
    8 Pleuelstange
    9 Saugseite
    10 Druckseite
    11 Einlassventil
    12 Auslassventil
    13 Pulver-/Gasgemisch
    14 Wand
    15 Gaszuführung
    16 Gases
    17 Düse
    18 Verdichter
    19 konstanter Druck
    20 konstanter Volumenstrom
    21 pulsierender Volumenstrom
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 4423197 [0004]

Claims (15)

  1. Membranpumpe mit einem ein Arbeitsvolumen umschließenden Förderraum, mindestens einer auslenkbaren Membran die in eine Saugstellung und eine Pumpstellung bringbar ist, einem an einer Saugseite der Membranpumpe angeordneten Einlassventil und einem an der Druckseite der Membranpumpe angeordneten Auslassventil, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Förderraum (2) eine Gaszuführung (15) zum Einbringen eines Gases (16) in den Förderraum (2) angeordnet ist.
  2. Membranpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugseite (9) mit einem Pulvervorrat oder einer Einspeisung eines Pulver- / Gasgemisches verbunden ist.
  3. Membranpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszuführung (15) einen Verdichter (18) zu Erzeugung eines konstanten Volumenstroms (20) des Gases (16) aufweist.
  4. Membranpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die Gaszuführung (15) einen Verdichter (18) zu Erzeugung eines pulsierenden Volumenstroms (21) des Gases (16) aufweist.
  5. Membranpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszuführung (15) einen Verdichter (18) zu Erzeugung eines konstanten Drucks (19) des Gases (16) aufweist.
  6. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszuführung (15) einen an einer Wand (14) des Förderraums (2) angeordneten Einlass zum Einbringen des Gases (16) in den Förderraum (2) umfasst.
  7. Membranpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass eine Düse (17) oder ein Durchgang in der der Wand des Förderraums ist.
  8. Membranpumpe nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass derart ausgerichtet ist, dass Bereiche des Förderraums (2) mit Gas beaufschlagt werden, in denen sich Ablagerungen des geförderten Pulvers bilden können.
  9. Verfahren zum Fördern von Pulvern mit Hilfe einer Membranpumpe mit einem ein Arbeitsvolumen umschließenden Förderraum, einer auslenkbaren Membran die in eine Saugstellung und eine Pumpstellung bringbar ist, einem an einer Saugseite der Membranpumpe angeordneten Einlassventil und einem an der Druckseite der Membranpumpe angeordneten Auslassventil, dadurch gekennzeichnet, dass in den Förderraum (2) über eine Gaszuführung (15) ein Gas (16) eingebracht wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass an der Saugseite (9) der Membranpumpe (1) Pulver oder ein Pulver- / Gasgemisches angesaugt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas (16) mit konstantem Volumenstrom (20) in den Förderraum (2) eingebracht wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas (16) mit pulsierendem Volumenstrom (21) in den Förderraum (2) eingebracht wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas (16) mit konstantem Druck (19) in den Förderraum (2) eingebracht wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das in den Förderraum (2) einströmende Gas (16) auf Bereiche des Förderraums (2) ausgerichtet wird, in denen sich Ablagerungen des geförderten Pulvers bilden können.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas (16) mit einem Volumenstrom in einem Bereich von 1 l/min–50 l/min eingebracht wird.
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