DE102014223208B3

DE102014223208B3 - Membranpumpe zur Erzeugung einer nahezu laminaren Strömung sowie Verfahren zum Betrieb einer solchen Membranpumpe

Info

Publication number: DE102014223208B3
Application number: DE102014223208.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Bäder
Original assignee: Universitaet Ulm
Current assignee: Universitaet Ulm
Priority date: 2014-11-13
Filing date: 2014-11-13
Publication date: 2016-04-28
Anticipated expiration: 2034-11-14
Also published as: WO2016075043A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membranpumpe zur Erzeugung einer nahezu laminaren Strömung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Membranpumpe. Die Membranpumpe enthält dabei mindestens vier Fördereinheiten mit jeweils einem Förderelement und zwei Ventilelementen, eine Deckplatte, eine Grundplatte, eine zwischen Deck- und Grundplatte angeordnete Membran und eine rotierbare Kurvenscheibe mit zwei Bahnkurven mit Vertiefungen und Steuerkanten. Durch einfache konstruktive Maßnahmen und die spezielle Anordnung der einzelnen Elemente zueinander, wird erreicht, dass die Membranpumpe einen nahezu laminaren, kontinuierlichen Volumenstrom erzeugt, welcher eine sehr geringe Restpulsation aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membranpumpe zur Erzeugung einer nahezu laminaren Strömung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Membranpumpe. Die Membranpumpe enthält dabei mindestens vier Fördereinheiten mit jeweils einem Förderelement und zwei Ventilelementen, eine Deckplatte, eine Grundplatte, eine zwischen Deck- und Grundplatte angeordnete Membran und eine rotierbare Kurvenscheibe mit zwei Bahnkurven mit Vertiefungen und Steuerkanten. Durch einfache konstruktive Maßnahmen und die spezielle Anordnung der einzelnen Elemente zueinander, wird erreicht, dass die Membranpumpe einen nahezu laminaren, kontinuierlichen Volumenstrom erzeugt, welcher eine sehr geringe Restpulsation aufweist.
Membranpumpen finden vielfältige Anwendung in den Bereichen der Chemie, Pharmazie, Medizin und Biotechnologie. Die stetig wachsenden Anforderungen in diesen Arbeits- und Forschungsbereichen machen immer leistungsfähigere und präzisere Fördersysteme für den Transfer von Flüssigkeiten und Gasen notwendig. Ihr einfacher Aufbau und die hermetische Dichtheit macht Membranpumpen besonders für den Transfer schwieriger Medien, wie sterile, toxische, gashaltige, heiße oder klebrige Stoffe interessant. Ihre Nachteile liegen bisher in einem stark pulsatilen Förderverhalten, was sie für präzise Förder- und Dosieraufgaben, im Besonderen bei niedrigen Hubzahlen der Förderelemente bisher ungeeignet macht.
Die Ursachen dieser pulsatilen Schwankungen im Förderstrom von Membranpumpen sind dabei im Wesentlichen die Folgenden:

– Bei Ausführungen mit nur einem wirksamen Förderelement, findet während der Ansaugbewegung kein Mediumtransport statt, was einen stark schwankenden Förderstrom zur Folge hat.
– Steuerkantenüberdeckung: Das Öffnen bzw. Verschliessen des entsprechenden Querschnitts der durch den Ventilhub beaufschlagt wird, kann nicht unmittelbar erfolgen, da die Ventile eine gewisse Wegstrecke zurücklegen müssen. Es findet also noch während des Abgabe bzw. Ansaugvorganges eine Veränderung des zu bzw. abführenden Querschnitts statt, der das entsprechende Ventil mit der Förderkammer verbindet. Da zu jedem Zeitpunkt mindestens eines der beiden Ventile einer Fördereinheit, die entsprechende Verbindung zur Förderkammer vollständig absperren muss, entstehen beim Umschalten der Ventile Überschneidungen, die zu Saug und Druckeffekten beim Ansaug bzw. Abgabevorgang führen und besonders bei niedrigen Hubzahlen der Förderelemente zu Schwankungsspitzen im Förderstrom führen.
– Kompressible Elemente in den flüssigkeitsführenden Förderräumen: Mit zunehmend kleiner Bauform, nimmt das Totvolumen im Verhältnis zum Fördervolumen in den Förderräumen zu. Gaseinschlüsse in den nicht am Fördervorgang beteiligten Toträumen führen zu einer verminderten Leistung in Ansaug- und Abgabephase und bewirken durch Kompression bzw. Ausdehnung Schwankungen im Förderstrom. Besonders bei hohen Gegendrücken bzw. niedrigen Ansaugdrücken verursachen kompressible Materialien in den Förderräumen, wie z. B. nicht abgestützte Membranflächen, eine Differenz zwischen Ansaug- und Abgabevolumen.
– Fehlvolumen durch schnelle Ansaugbewegung: Mit zunehmend hohen Hubzahlen bzw. schneller Ansaugbewegung der Förderelemente vergrößert sich der Unterdruck im Ansaugraum, was zu einer Ausdehnung von Lufteinschlüssen im Förderraum führt und ein verringertes Ansaugvolumen zur Folge hat. Beim Umschalten vom Ansaugzum Abgabevorgang bewirkt der beim Ansaughub entstandene Unterdruck ein Fehlvolumen bzw. eine Rückströmung auf der Abgabeseite.
– Fehlvolumen durch Ventilhub: Durch den Ventilhub entsteht ein zusätzliches Verdrängungsvolumen bzw. ein Fehlvolumen beim Ventilrückhub in Abgaberichtung, das eine entsprechende Schwankung im Förderstrom verursacht.

Es sind bisher verschiedene Maßnahmen zur Verbesserung der pulsatilen Eigenschaften bekannt. Die Wesentlichen sind hierbei die Folgenden:

– Die Verwendung mehrerer unabhängig voneinander angetriebener bzw. angesteuerter Fördereinheiten.
– Der Einsatz zusätzlicher Förderelemente, die nur zeitweise eingreifend, entstehende Saug- und Druckeffekte ausgleichen.
– Die Ausregelung der Pulsationen im Volumenstrom durch elektronische Drehzahlsteuerung des Antriebs.
– Die Verringerung der Pulsationsamplituden durch nachgeschaltete Dämpfungselemente mit Elastomeren, Federn oder Gaspuffern.
– Erzeugung Hochfrequenter Schwankungen des Förderstromes, wobei dies durch eine hohe Hubzahl der Förderelemente bei kleinen Hubvolumina erreicht wird.
– Antrieb einer Vielzahl von Förderelementen durch eine gemeinsame Kurvenscheibe oder Nockenwelle. Die einzelnen Fördereinheiten werden dabei in der Weise aufeinanderfolgend beaufschlagt, dass sich die Förderprofile überschneiden und zu einem kontinuierlichen Volumenstrom ergänergänzen. Dieses Verfahren zur Verbesserung des Förderverhaltens findet auch bei Kolbenpumpen Anwendung.

Auch das in der US 2008/0050256 und in der US 5,993,174 angewandte Förderkonzept beruht auf dieser zuletzt genannten Maßnahme.
In US 2008/0050256 werden 15 kreisförmig angeordnete und axial bewegliche Förderelemente gleicher Geometrie, von einer rotieren-den Kurvenscheibe angetrieben. Je 3 Förderelemente, werden nach dem peristaltischen Prinzip seriell zu einer Fördereinheit verbunden. Die sich daraus ergebenden 5 Fördereinheiten sind parallelgeschaltet und werden über eine Kurvenscheibe versetzt zueinander in der Weise beaufschlagt, dass eine Überschneidung der einzelnen Förderprofile zu einer Verminderung der Pulsationsamplitude führt.
In US 5,993,174 werden zwei seriell angeordnete Förderelemente derart durch eine gemeinsame Nockenwelle angetrieben, dass sie ein vollkommen gegensätzliches Bewegungsprofil ausführen. Dies wird zum Beispiel dadurch realisiert, dass die Förderelemente mit einem Schaft verbunden sind, der in einem Zapfen endet. Die Zapfen laufen auf gegenüberliegenden Seiten in der Ringnut einer rotierenden zylindrischen Nocke. Die Bahn der Ringnut steuert die Positionen der Förderelemente, welche durch ihre diametrale Anordnung um eine halbe Phase zueinander verschoben sind.
Die eben aufgeführten bereits bekannten Maßnahmen haben allerdings diverse Nachteile. Hierbei ist zum Beispiel mit Blick auf die US 2008/0050256 der hohe technische Aufwand von Bauteilen und Antrieben zu nennen. Außerdem bewirken die entsprechenden Maßnahmen nur eine Abschwächung der oben beschriebenen Pulsationseffekte, verhindern aber nicht deren Entstehung. Es wird konstruktiv kein Einfluss auf die Entstehung der Überdeckung der Steuerkanten von Förder- und Ventilelementen genommen. Auch die zusätzlichen Verdrängungsvolumina der Ventilelemente und der Veränderung der Ventilquerschnitte die während den Förderphasen auftreten, lassen sich durch indirekte Verfahren nur eingeschränkt abschwächen. Entsprechende Verfahren beruhen also überwiegend auf einer Dämpfung bereits entstandener Pulsationsamplituden, beispielsweise durch eine Überschneidung einzelner Förderprofile entsprechender Fördereinheiten und sind zudem stark drehzahlabhängig. Mit abnehmender Drehzahl verringert sich die Frequenz des Pulsationsprofiles, was insbesondere bei Dosieranwendungen zu einer Verringerung der Fördergenauigkeit führt und den Bereich der Fließrate einschränkt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, mittels einer periodisch arbeitenden Membranpumpe einen nahezu laminaren, kontinuierlichen Förderstrom zu erzeugen, welcher in beiden Förderrichtungen eine sehr geringe Restpulsation aufweist und auf einem rein mechanischen Verfahren beruht. Diese Aufgabe soll dabei mit Hilfe weniger unkomplizierter Bauteile realisiert werden, die eine kostengünstige Fertigung und eine kleine Bauform der Membranpumpe ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen den Patentanspruchs 13 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.
Erfindungsgemäß wird somit eine Membranpumpe zur Erzeugung einer nahezu laminaren Strömung bereitgestellt. Die Membranpumpe enthält dabei erfindungsgemäß mindestens vier Fördereinheiten mit jeweils einem Förderelement und zwei Ventilelementen, eine Deckplatte, eine Grundplatte mit Aussparungen für die Förderelemente und die Ventilelemente, eine zwischen der Deckplatte und der Grundplatte angeordnete Membran und eine rotierbare Kurvenscheibe mit zwei Bahnkurven mit Vertiefungen und Steuerkanten. Die Bahnkurven, die Vertiefungen und die Steuerkanten sind dabei so angeordnet, dass sich bei einer Rotation der Kurvenscheibe um eine Mittelachse die Förderelemente entlang der einen Bahnkurve und die Ventilelemente entlang der anderen Bahnkurve bewegen und dabei die Förderelemente und Ventilelemente parallel zur Mittelachse periodisch ausgelenkt werden.
Erfindungsgemäß weist die Deckplatte oder die Membran Förderkammern und Ventilkammern sowie Medium-führende Kanäle auf. Die Förderkammern und Ventilkammern sind dabei in einer Position angeordnet, dass bei einer Rotation der Kurvenscheibe um die Mittelachse die Membran an den Positionen der entsprechenden Förderkammern und Ventilkammern durch die Auslenkung der Förderelemente und Ventilelemente in Richtung der Deckplatte gedrückt wird. Hierbei wird die Membran an den Positionen der Förderkammern durch die Auslenkung der Förderelemente in Richtung der Deckplatte gedrückt, während die Membran an den Positionen der Ventilkammern durch Auslenkung der Ventilelemente in Richtung der Deckplatte gedrückt wird. Die Förderkammern und Ventilkammern werden dabei durch die Auslenkung der entsprechenden Förderelemente und Ventilelemente ausgedrückt.
Erfindungsgemäß ist die Grundplatte in mindestens vier Abschnitte unterteilt ist, die alle einen gleich großen Phasenwinkel um die Mittelachse abdecken.
Dabei ist in jedem der mindestens vier Abschnitte eine der mindestens vier Fördereinheiten angeordnet.
Erfindungsgemäß sind die Förderelemente auf einer Kreisbahn punktsymmetrisch um die Mittelachse angeordnet und die Ventilelemente auf einer weiteren Kreisbahn punktsymmetrisch um die Mittelachse angeordnet. Dabei weisen die zwei Ventilelemente einer Fördereinheit den gleichen Abstand zum Förderelement derselben Fördereinheit aufweisen.
Durch den speziellen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ermöglicht, dass die Abfolge der Abgabephasen der Fördereinheiten zeitlich exakt hintereinander erfolgen kann. Es kann somit erreicht werden, dass während der gesamten Förderphase einer jeden Fördereinheit sich die beiden zugehörigen Ventilelemente in Ruhe befinden, wodurch die zu- und abführenden Querschnitte der Kanäle zu den Förderkammern unverändert bleiben. Im Weiteren kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Überdeckung der Steuerkanten ausgeschlossen werden.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eine nahezu laminare, kontinuierliche Strömung erzeugt werden, die in beiden Förderrichtungen eine sehr geringe Restpulsation aufweist und auf einem rein mechanischen Verfahren beruht. Die erfindungsgemäße Membranpumpe weist dadurch eine hohe drehzahlunabhängige Förder- und Reproduziergenauigkeit auf und eignet sich zudem für den schwankungsfreien Transfer von Flüssigkeiten und Gasen in beiden Förderrichtungen. Die Problematik der Überdeckung der Steuerkanten von Ventil und Förderelementen, kann dabei durch einfache konstruktive Massnahmen verhindert werden. Diese Vorteile werden hierbei alle mithilfe unkomplizierter Bauteile realisiert. So wird letztlich eine kostengünstige Fertigung und eine kleine Bauform der Membranpumpe ermöglicht.
Unter einer Bahnkurve wird erfindungsgemäß eine Kurvenbahn verstanden, wobei es sich hierbei um einen Bereich handelt, der auf der Kurvenplatte angeordnet ist und auf dem sich die Förderelemente oder die Ventilelemente um die Mittelachse bewegen können. Dieser Bereich weist abschnittsweise Vertiefungen und Steuerkanten auf. Die Vertiefungen können in Form einer Nut, bevorzugt einer halbrunden Nut, ausgeführt sein. Die Förderelemente und Ventilelemente weisen bevorzugt eine Kugel, besonders bevorzugt eine Stahlkugel, auf, über die sie mit der Bahnkurve der Kurvenplatte in Kontakt stehen. Der restliche Teil der Förder- und Ventilelemente besteht bevorzugt aus einer Kupfer-Zinn-Knetlegierung.
Die Förderlemente weisen bevorzugt ein größeres Verdrängungsvolumen auf als die Ventilelemente. Entsprechend weisen hierbei die Förderkammern ein größeres Volumen auf als die Ventilkammern.
Bei den Aussparungen der Grundplatte für die Förderelemente und die Ventilelemente kann es sich bevorzugt um Bohrungen handeln.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membranpumpe weist die Membran Förderkammern und Ventilkammern sowie Medium-führende Kanäle auf, wobei die Förderkammern und Ventilkammern in einer Position angeordnet sind, dass bei einer Rotation der Kurvenscheibe um die Mittelachse die entsprechenden Förderkammern und Ventilkammern der Membran durch die Auslenkung der Förderelemente und Ventilelemente gegen die Deckplatte ausgedrückt werden. Die Membran wird dabei an den Positionen der Förderkammern und Ventilkammern durch die Auslenkung der entsprechenden Förderelemente und Ventilelemente in Richtung der Deckplatte gedrückt, wobei die Membran an den Positionen der Förderkammern durch die Auslenkung der Förderelemente in Richtung der Deckplatte gedrückt wird, während die Membran an den Positionen der Ventilkammern durch Auslenkung der Ventilelemente in Richtung der Deckplatte gedrückt wird. Bei dieser Ausführungsform sind die Fördergeometrien, also die Förderkammern, Ventilkammern oder Medium-führenden Kanäle, nicht in die Deckplatte sondern in die Membran integriert. Die Förderkammern und Ventilkammern sind hierbei bevorzugt als halbkugelförmige Geometrien innerhalb der Membran ausgebildet. Als Deckplatte kann in dieser Ausführungsform eine einfache, planebene Platte dienen, die bevorzugt transparent ist.
Der Vorteil der Integration der Förderkammern, Ventilkammern und Medium-führenden Kanäle in die Membran besteht darin, dass im Gegensatz zur Integration dieser Elemente in die Deckplatte hier die Membran durch die Auslenkung der Förderelemente und Ventilelemente nicht auseinandergezogen sondern zusammengedrückt wird. Da die für die Membran verwendbaren Materialien, wie z. B. Elastomere, sehr viel widerstandsfähiger auf Druck als auf Zug reagieren, ergibt sich hier somit eine Verbesserung der Lebensdauer der Membranen bzw. der Konstanz ihrer Eigenschaften. Die Membran ist problemlos im Spritzgussverfahren herstellbar. Eine Membranpumpe, bei welcher die Förderkammern, Ventilkammern und Medium-führenden Kanäle in die Membran integriert sind, ist daher sehr einfach und kostengünstig herzustellen, da die Fördergeometrien (Förderkammern, Ventilkammern und Medium-führende Kanäle) einfach und kostengünstig bereitgestellt werden können. Die technischen Eigenschaften der Membran lassen sich über ihre Dicke und das verwendete Material einstellen. Die Querschnitte sind über die gesamte Membranoberfläche nahezu gleich und enthalten keine Hinterschnitte, was eine spritzgusstechnische Herstellung der Membran einfach macht. In einer Variation dieser Ausführungsform können die Fördergeometrien mit einer planebenen transparenten Platte abgedeckt werden und sind dadurch ideal einsehbar.
Alternativ zur Integration der Förderkammern, Ventilkammern und Medium-führenden Kanäle in die Membran können diese in einer alternativen Ausführungsform natürlich auch in die Deckplatte und nicht in die Membran integriert werden. In dieser Ausführungsform sind die Förderkammern und Ventilkammer in solch einer Position angeordnet, dass bei einer Rotation der Kurvenscheibe um die Mittelachse die Membran innerhalb der entsprechenden Förderkammern und Ventilkammern der Deckplatte durch die Auslenkung der Förderelemente und Ventilelemente ausgedehnt wird. Die Förderkammern, Ventilkammern und Medium-führenden Kanäle können hierbei spanend in die Deckplatte eingearbeitet sein, wobei die Membran aus einer aus Silikon bestehenden Platte ausgeschnitten sein kann.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membranpumpe sieht vor, dass die Kreisbahn, auf der die Ventilelemente angeordnet sind, weiter von der Mittelachse entfernt ist als die Kreisbahn, auf der die Förderelemente angeordnet sind. Auf diese Weise kann die Kompaktheit der Membranpumpe erhöht und ihre Baugröße verringert werden.
Weiterhin ist bevorzugt, dass die Membranpumpe vier Fördereinheiten enthält. Auch durch dieses Merkmal kann eine optimale Kompaktheit und Baugröße bei gleichzeitiger optimaler erfindungsgemäßer Funktionalität der Membranpumpe erreicht werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membranpumpe sieht vor, dass bei einer maximalen Auslenkung eines der Förderelemente bzw. eines der Ventilelemente die Membran an der Position einer entsprechenden Förderkammer bzw. Ventilkammer, so in Richtung der Deckplatte gedrückt wird, dass an dieser Position kein Totraum zwischen Membran und Deckplatte besteht. Als verbleibender Totraum sind hier nun einzig die Medium-führenden Kanäle zwischen Ventil- und Förderelementen anzuführen, was eine einfache Entlüftung der Förderwege und ein hohes Maß an Ansaugvermögen gewährleistet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membranpumpe sind die Bahnkurven und/oder die Vertiefungen der Bahnkurven so angeordnet, dass sich die Steuerkanten nicht überdecken. Auf diese Weise können Überschneidungen der Ventile beim Umschalten und daraus resultierende Saug- und Druckeffekte beim Ansaug- bzw. Absaugvorgang vermieden werden.
Weiterhin ist bevorzugt, dass die Gesamtheit der Förderkammern, Ventilkammern und Medium-führenden Kanälen von einem Steg umschlossen ist. Die daraus resultierende Abstufung der Stirnfläche der Deckplatte gegenüber der Stegfläche hat die Aufgabe der sicheren Fixierung der Membran an der Deckplatte. Diese lässt sich weiter verbessern, indem die Geometrie der Membranoberfläche entsprechend der Geometrie der Stegfläche angepasst wird.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membranpumpe sieht vor, dass die Bahnkurven jeweils in mindestens drei gleich große Abschnitte, bevorzugt drei oder neun gleich große Abschnitte, unterteilt sind, die jeweils einen Phasenwinkel gleicher Größe, bevorzugt 120° oder 40°, um die Mittelachse abdecken und die gleich großen Abschnitte jeweils in vier Unterabschnitte unterteilt sind, wobei der erste der vier Unterabschnitte ausschließlich eine plane Fläche ohne Vertiefungen aufweist, der dritte der vier Unterabschnitte ausschließlich eine Vertiefung mit Bahnkanten aufweist und der zweite und vierte der vier Unterabschnitte einen Übergang mit Bahnkanten zwischen der Fläche ohne Vertiefungen und der Vertiefung mit Bahnkanten aufweist.
Hierbei ist bevorzugt, dass auf der Bahnkurve der Ventilelemente der jeweilige zweite und der jeweilige vierte Unterabschnitt der gleich großen Abschnitte einen gleich großen Phasenwinkel, bevorzugt 15° oder 5°, um die Mittelachse abdecken, welcher der Hälfte des Phasenwinkels entspricht, den der jeweilige dritte Unterabschnitt der gleich großen Abschnitte abdeckt und welcher einem Viertel des Phasenwinkels entspricht, den der jeweilige erste Unterabschnitt der gleich großen Abschnitte abdeckt.
Weiterhin ist bevorzugt, dass auf der Bahnkurve der Förderelemente die Größe des Phasenwinkels um die Mittelachse, den der jeweilige erste und zweite Unterabschnitt der gleich großen Abschnitte zusammen abdecken, der Größe des Phasenwinkels um die Mittelachse entspricht, den der jeweilige dritte und vierte Unterabschnitt der gleich großen Abschnitte zusammen abdecken, und wobei die Größe des Phasenwinkel um die Mittelachse, den der jeweilige erste und dritte Unterabschnitt der gleich großen Abschnitte jeweils einzeln abdeckt, mindestens einem Drittel und maximal dem Dreifachen der Größe des Phasenwinkels entspricht, den der jeweilige zweite und vierte Unterabschnitt der gleich großen Abschnitte jeweils einzeln abdeckt.
Weiterhin ist bevorzugt, dass die Phasenwinkel um die Mittelachse, die die jeweiligen Unterabschnitte der gleich großen Abschnitte einzeln abdecken gleich groß, bevorzugt 30° groß oder 10° groß, sind.
Weiterhin ist bevorzugt, dass der Mittelpunkt des jeweiligen ersten Unterabschnittes der gleich großen Abschnitte der Bahnkurve der Förderelemente auf einer Linie mit der Mittelachse und dem Mittelpunkt des jeweiligen ersten Unterabschnittes der gleich großen Abschnitte der Bahnkurve der Ventilelemente liegt und der Mittelpunkt des jeweiligen dritten Unterabschnittes der gleich großen Abschnitte der Bahnkurve der Förderelemente auf einer Linie mit der Mittelachse und dem Mittelpunkt des jeweiligen dritten Unterabschnittes der gleich großen Abschnitte der Bahnkurve der Ventilelemente liegt. Alternativ hierzu kann auch der Mittelpunkt des jeweiligen ersten Unterabschnittes der gleich großen Abschnitte der Bahnkurve der Förderelemente auf einer Linie mit der Mittelachse und dem Mittelpunkt des jeweiligen dritten Unterabschnittes der gleich großen Abschnitte der Bahnkurve der Ventilelemente liegen und der Mittelpunkt des jeweiligen dritten Unterabschnittes der gleich großen Abschnitte der Bahnkurve der Förderelemente auf einer Linie mit der Mittelachse und dem Mittelpunkt des jeweiligen ersten Unterabschnittes der gleich großen Abschnitte der Bahnkurve der Ventilelemente liegen.
Diese zuletzt genannten Ausführungsformen, die sich auf die Unterteilung der Bahnkurven in Abschnitte beziehen, geben Möglichkeiten zur Gestaltung der Kurvenplatte an, bei denen eine Überdeckung der Steuerkanten vermieden wird und außerdem erreicht werden kann, dass die Abfolge der Abgabephasen der Fördereinheiten zeitlich exakt hintereinander erfolgt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membranpumpe ist die Bahnkurve der Förderelemente im jeweiligen ersten und dritten Unterabschnitt der gleichen Abschnitte so modifiziert, dass ein Fehlvolumen, welches durch die Auslenkung eines Ventilementes in der entsprechenden Vertiefung der Deckplatte entsteht, durch eine zusätzliche Auslenkung des Förderelementes der selben Fördereinheit kompensiert wird. Durch die Kompensierung solcher Fehlvolumina kann die Laminarität der erzeugten Strömung weiter erhöht werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membranpumpe sieht vor, dass die Förderelemente sowie die Ventilelemente und die Steuerkanten der Kurvenscheibe so angeordnet sind, dass bei der Rotation der Kurvenscheibe entweder die Ventilelemente oder das Förderelement einer Fördereinheit parallel zur Mittelachse bewegt werden. Bei dieser Ausführungsform wird folglich sicher gestellt, dass das Förderelement einer Fördereinheit nur dann parallel zur Mittelachse bewegt wird, wenn keines der beiden Ventilelemente parallel zur Mittelachse bewegt wird. Außerdem wird sichergestellt, dass nur dann eines der beiden oder beide Ventilelemente parallel zur Mittelachse bewegt werden, wenn das Förderelement gerade nicht parallel zur Mittelachse bewegt wird.
Weiterhin ist bevorzugt, dass die Deckplatte und/oder die Grundplatte aus Kunststoff, Keramik und/oder Glas, bevorzugt einem transparentem Kunststoff oder transparentem Glas, besteht und/oder die Membran aus einem Elastomer besteht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membranpumpe sind die Deckplatte und die Membran einstückig ausgebildet. Hierbei kann die Membran formschlüssig mit der Deckplatte verbunden bzw. in einem gemeinsamen Werkzeug extrudiert sein. Dies hat zur Folge, dass die bei dieser Ausführungsform in der Membranpumpe enthaltene Membran gleichzeitig Membran und Deckplatte ist. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch geringe Herstellungskosten und eine einfachere Handhabung, beispielsweise für sterile Anwendungen, aus. Alternativ zu dieser Ausführungsform können die Deckplatte und die Membran natürlich auch mehrstückig ausgebildet sein.
Im Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Membranpumpe. Hierbei wird die Kurvenscheibe in Rotation um eine Mittelachse versetzt. Dadurch werden die Förderelemente und die Ventilelemente parallel zur Mittelachse ausgelenkt, wodurch die Membran an den Positionen der entsprechenden Förderkammern und Ventilkammern in Richtung der Deckplatte gedrückt wird. Die Förderkammern und Ventilkammern werden dabei durch die Auslenkung der entsprechenden Förderelemente und Ventilelemente ausgedrückt.
Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Membran Förderkammern und Ventilkammern sowie Medium-führende Kanäle aufweist, die Kurvenscheibe in Rotation um eine Mittelachse versetzt wird und dadurch die Förderelemente und die Ventilelemente parallel zur Mittelachse ausgelenkt werden, wodurch die Förderkammern und Ventilkammern der Membran auf die Deckplatte ausgedrückt werden. Die Membran wird dabei an den Positionen der Förderkammern und Ventilkammern durch die Auslenkung der entsprechenden Förderelemente und Ventilelemente in Richtung der Deckplatte gedrückt.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass jedes Förderelement eine sich wiederholende Förderperiode durchläuft, wobei eine Förderperiode eines Förderelementes in mindestens 4 hintereinander ablaufende Förderphasen unterteilt ist, umfassend mindestens eine Förderphase F1, in welcher sich das Förderelement in einer oberen Endlage befindet,
eine Förderphase F2, in welcher das Förderelement von der oberen Endlage gleichmäßig axial in eine untere Endlage geführt wird,
eine Förderphase F3, in welcher sich das Förderelement in der unteren Endlage befindet, und
eine Förderphase F4, in welcher das Förderelement von der unteren Endlage gleichmäßig axial in die obere Endlage geführt wird,
und/oder jedes Ventilelement eine sich wiederholende Förderperiode durchläuft, wobei eine Förderperiode eines Ventilelementes in mindestens 4 hintereinander ablaufende Ventilphasen unterteilt ist, umfassend mindestens
eine Ventilphase V1, in welcher sich das Ventilelement in einer oberen Endlage befindet,
eine Ventilphase V2, in welcher das Ventilelement von der oberen Endlage gleichmäßig axial in eine untere Endlage geführt wird,
eine Ventilphase V3, in welcher sich das Ventilelement in der unteren Endlage befindet, und
eine Ventilphase V4, in welcher das Ventilelement von der unteren Endlage gleichmäßig axial in die obere Endlage geführt wird.
In einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens durchläuft bei einer vollen Umdrehung der rotierbaren Kurvenscheibe jede Fördereinheit mindestens drei, bevorzugt drei oder neun, Förderperioden.
Weiterhin ist bevorzugt, dass sich zu jedem Zeitpunkt, indem sich ein Förderelement einer Fördereinheit in der Förderphase F2 oder F4 befindet, die Ventilelemente derselben Fördereinheit in der Förderphase V1 oder V3 befinden.
In einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Membranpumpe vier Fördereinheiten auf, wobei zu jedem Zeitpunkt des Verfahrens sich jeweils eines der Förderelemente in der Förderphase F1, eines der Förderelemente in der Förderphase F2, eines der Förderelemente in der Förderphase F3 und eines der Förderelemente in der Förderphase F4 befindet.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass durch Umkehr der Drehrichtung der Kurvenscheibe die Richtung der erzeugten nahezu laminaren Strömung umgekehrt wird.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren und Beispiele näher erläutert ohne die Erfindung auf die speziell dargestellten Parameter zu beschränken.
1a zeigt schematisch die vier Förder- und Ventilphasen in ihrer zeitlichen Abfolge über einen Bereich von 360° der Kurvenscheibe. Eine vollständige Umdrehung der Kurvenscheibe ist in drei Förderperioden zu je 120° mit je vier Förderphasen zu je 30° unterteilt. Die Förderelemente sind mit 5A, 5B, 5C, 5D, die zugehörigen Ventilelemente mit 6A1, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2 bezeichnet.
1b zeigt die Kurvenscheibe mit den schematisch auf den entsprechenden Bahnkurven 55, 65 angeordneten Förderelementen 5A, 5B, 5C, 5D. Eine Fördereinheit besteht aus einem Förderelement mit großem Verdrängungsvolumen für Abgabe- bzw. Ansaugfunktion, und zwei Ventilelementen mit kleinen Verdrängungsvolumina für das Absperren des Förderraumes auf der Ansaug- bzw. der Abgabeseite. Förderelemente 5A, 5B, 5C, 5D und Ventilelemente 6A1, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2 werden über eine gemeinsame Kurvenscheibe beaufschlagt, auf der sich zwei verschiedene, konzentrisch zur Mittelachse angeordnete Kurvenbahnen 55, 65 befinden. Eine Förderperiode wird über eine Bahnkontur in die vier Förderphasen Ansaugen, Pause vor Abgabe, Abgeben, Pause vor Ansaugen unterteilt. Gleichfalls werden innerhalb einer Förderperiode die Ventilelemente 6A1, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2 über eine zweite Bahnkontur in die Phasen Pause vor Öffnen, Öffnen, Pause vor Schließen, Schließen unterteilt. Bei einer Vier-Phasen-Sequenz einer jeden Fördereinheit sind die Ventilelemente symmetrisch zum Förderelement um einen Phasenwinkel von je 30° versetzt angeordnet. Um einen Rückfluss sicher zu verhindern, muss sich der Kurvenabschnitt der Bahnkurve 65, indem ein Ventil geschlossen bleibt, über zwei Phasen (60°) erstrecken. Zu jedem Zeitpunkt einer Förderperiode befinden sich zwei der vier Förderelemente 5A, 5B, 5C, 5D in Ruhe, ein Förderelement im Ansaughub und ein Förderelement im Abgabehub. Es findet keine Überdeckung der Steuerkanten zwischen Saug- und Druckhub statt, da sich das entsprechende Förderelement während der Beaufschlagung seiner beiden Ventilelemente in Ruhe befindet. Die Querschnitte der zu- bzw. abführenden Kanäle zum Förderraum, bleiben über die gesamte Ansaug- bzw. Abgabephase erhalten. Dabei wird jeder Ventilhub kontinuierlich über den Winkel einer halben Förderphase von 15° ausgeführt. Umgekehrt befinden sich die beiden Ventilelemente während einer gesamten Ansaug bzw. Abgabephase ihres Förderelementes in Ruhe.
1c bzw. 1d zeigt schematisch wie die Geometrie der Bahnkurve für die Förderelemente 5A, 5B, 5C, 5D in den oberen und unteren Endlagen der Kurvenbahn 55 so gestaltet werden kann, dass sie die kleinen Fehlvolumen der beiden Ventile, die während der Beaufschlagung entstehen, exakt ausgleichen. In 1c befindet sich Förderelement 5B am Beginn seiner Abgabephase. Die beiden zugehörigen Ventilelemente 6B1 und 6B2 werden während dieser Phase von 30° nicht beaufschlagt. Ventilelement 6C2 schließt während der ersten 15° dieser Phase. Das entstehende zusätzliche Ventilvolumen wird kontinuierlich über einen Winkel von 15° zum Fördervolumen addiert (rechter unterer dunkler schraffierter Bereich in 1d). Gleichzeitig führt Förderelement 5C über einen Winkel von 15° eine kleine Rückstellbewegung aus, die das zusätzliche Volumen von Ventil 6C2 ausgleicht (rechter oberer dunkler schraffierter Bereich in 1d). Anschließend öffnet Ventilelement 6A2 während der zweiten 15° der Phase. Das entstehende Fehlvolumen wird kontinuierlich über einen Winkel von 15° vom Fördervolumen abgezogen (linker oberer dunkler schraffierter Bereich in 1d). Gleichzeitig führt Förderelement 5A über einen Winkel von 15° eine kleine Aufwärtsbewegung aus, die das Fehlvolumen von Ventil 6A2 ausgleicht (linker unterer dunkler schraffierter Bereich in 1d). Alle übrigen Ventil- und Förderelemente befinden sich während dieser Phase entweder in Ruhe, oder sind während ihrer Beaufschlagung von der Förderseite abgetrennt.
In 2a ist schematisch das Flussprofil einer Fördereinheit, ohne Ausgleich der Ventilvolumina und über eine Förderperiode von 120° dargestellt.
2b zeigt das Flussprofil aus 2a mit den beschriebenen Maßnahmen zum Ausgleich der Ventilvolumina.
2c zeigt die Überlagerung der vier Flussprofile der vier Fördereinheiten über eine Förderperiode von 120°.
Ausführungsbeispiel
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel in seiner Ansicht von oben. In 3a ist die Seitenansicht von vorne in einem vertikalen Schnitt AA durch das Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei ist die Schnittlinie A-A so gewählt, dass sie durch je Förderelement 5A und eines der Ventilelemente 6C2 verläuft, die beide in ihrer oberen Endlage dargestellt sind. Eine gehärtete Kurvenscheibe 4, ist auf einer Motorwelle 12 befestigt und beaufschlagt durch Rotation um die Motorachse die Förderelemente 5A, 5B, 5C, 5D und Ventilelemente 6A1, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2. Die Kurvenscheibe 4 enthält eine äußere konzentrisch zur Motorwelle 12 angeordnete Bahnkurve 65, die periodisch die acht Ventilelemente 6A1, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2 in axialer Richtung auslenkt, und eine innere Bahnkurve 55, die periodisch die vier Förderelemente 5A, 5B, 5C, 5D in axialer Richtung auslenkt. Um die axialen Kräfte auf die Motorwelle 12 aufzufangen, ist die Kurvenscheibe 4 mit einem Nadellager 7 unterlegt. In Förder- und Ventilelemente sind gehärtete Stahlkugeln 9 zentrisch gelagert, die auf den Bahnkurven 55, 56 der Kurvenscheibe 4 abrollen. Förderelemente 5A, 5B, 5C, 5D und Ventilelemente 6A1, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2 bestehen vorzugsweise aus einer Kupfer-Zinn Knetlegierung mit entsprechenden Gleiteigenschaften. Förderelemente 5A, 5B, 5C, 5D und Ventilelemente 6A1, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2 sind in einer gemeinsamen Grundplatte 3 axial geführt. Die Grundplatte 3 ist über vier Abstandhülsen 8 mit der Stirnfläche des Motors verschraubt. Die Membran 2 wird zwischen Deckplatte 1 und Grundplatte 3 in der Weise eingespannt, dass alle Medium-führenden Konturen auf der Deckplatte 1 gegeneinander abgedichtet sind. Durch die periodische Bewegung der Förderelemente 5A, 5B, 5C, 5D, wird die Membran 2 in der Weise in die entsprechenden Vertiefungen der Förderkammern 50, 51, 52, 53 der Deckplatte 1 gedrückt, dass sich in ihrer oberen Endlage kein Totraum zwischen Membran 2 und Deckplatte 1 befindet. Gleichermaßen drücken die Ventilelemente 6A1, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2 die Membran 2 in der Weise gegen die entsprechende Form in der Deckplatte 1, dass sich in ihrer oberen Endlage kein Totraum zwischen Membran 2 und Deckplatte 1 befindet. Um eine günstige Geometrie für die Dehnung der Membran 2 zu erhalten, sind die oberen Stirnseiten der Förderelemente 5A, 5B, 5C, 5D und Ventilelemente 6A1, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2 bzw. die entsprechenden Vertiefungen 50, 51, 52, 53, 60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b in der Deckplatte 1 verrundet. Die Rückstellkräfte der elastischen Membran 2 und damit das Ansaugvermögen der Pumpe werden durch die Dehnungsspannung der Membran 2, in der jeweiligen Position der Förderelemente 5A, 5B, 5C, 5D bestimmt. Bei nicht zu kleinen Bauformen, kann die Rückstellbewegung der Membran 2 durch Federn 10, 11 entsprechender Vorspannung, die die Förderelemente 5A, 5B, 5C, 5D und Ventilelemente 6A1, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2 während ihrer periodischen Auf- und Abbewegung auf die entsprechende Bahnkurve 55, 65 ziehen, unterstützt werden.
3c zeigt wie die Membran 2 für ein höheres Ansaugvermögen, mit dem Förderelement 5A formschlüssig verbunden werden kann, und durch die Feder 10 während der Ansaugbewegung zurückgestellt wird.
3b zeigt das Förderelement 5A und das Ventilelement 6C2 in ihrer unteren Endlage der Bahnkurve. Ensprechend ihrer Gesamtauslenkung sind hier der Querschnitt des wirksamen Fördervolumens 53 bzw. der Querschnitt des Ventilvolumens 61b sichtbar. Die beiden Schlauchverschraubungen 14,15 stellen die Anschlüsse der Mediumzuleitungen 16, 17 für Saug- und Druckseite, entsprechend der Drehrichtung der Kurvenscheibe 4 bereit.
In 4 sind alle Medium-führenden Flusswege der Deckplatte 1 dargestellt. Die Deckplatte 1 wird über die vier Bohrungen 25a, 25b, 25c, 25d mit der Grundplatte 3 und der dazwischenliegenden Membrane 2 verschraubt. Die Bereiche 50, 51, 52, 53 stellen die förderwirksamen Räume (Förderkammern) der Pumpe dar, während die Bereiche 60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b die Räume für die Ventilfunktionen (Ventilkammern) darstellen. Je eine Förderkammer ist mit zwei Ventilkammern verbunden. Entsprechend der Drehrichtung der Kurvenscheibe 4 sind dabei die vier Ventilkammern 60a, 61a, 62a, 63a mit der Ansaugseite 18, bzw. die vier Ventilkammern 60b, 61b, 62b, 63b mit der Druckseite 19 der Pumpe verbunden. Die beiden Bohrungen 20, 21 verbinden die jeweils vier im Saug- oder Druckmodus arbeitenden Ventilkammern 60a, 61a, 62a, 63a bzw. 60b, 61b, 62b, 63b mit den Schlauchverschraubungen 14, 15. Ventilkammern 60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b und Förderkammern 50, 51, 52, 53 sind konzentrisch zur Mittelachse und kreisförmig in einem Winkel von 30° (4a) angeordnet. Dabei liegen die Förderkammern 50, 51, 52, 53 auf einem inneren Bahnkreis 55, und die Ventilkammern 60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b auf einem äußeren Bahnkreis 65.
4a zeigt die beiden Bahnkreise 55, 65 der Kurvenscheibe 4, auf denen die Förderkammern 50, 51, 52, 53 und Ventilkammern 60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b der Deckplatte 1 angeordnet sind.
4b zeigt die Deckplatte 1 in einer erweiterten Ausgestaltung ihrer Stirnfläche. Hier sind alle Medium-führenden Flächen der Deckplatte 1 von einem schmalen Steg 22 vollständig umschlossen. Die Abstufung der Stirnfläche 23 gegenüber der Stegfläche 22 hat die Aufgabe der sicheren Fixierung der Membran 2 auf der Deckplatte 1. Ein Durchrutschen der Membrane in Richtung der gedehnten Bereiche 50, 51, 52, 53) wird dadurch verhindert, der Druck auf die Membran stark verringert und die Dichtwirkung bei höheren Gegendrücken verbessert. Diese Eigenschaften lassen sich weiter verbessern, in dem die Geometrie der Membranoberfläche entsprechend der Geometrie der Stegfläche 22 angepasst wird.
4c zeigt den Querschnitt der Medium-führenden Kanäle mit der abgesetzten Stirnfläche 23.
In 5 ist die Seitenansicht der Kurvenscheibe 4 im Schnitt dargestellt. In der linken Hälfte der Schnittansicht sind die untere Endlage der Bahnkurve 65 der Ventile und der Bahnkurve 55 der Förderelemente sichtbar. Die maximale Auslenkung von Ventilelementen 6A1, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2 und Förderelementen 5A, 5B, 5C, 5D wird durch den Abstand zwischen der Stirnfläche 4s der Kurvenscheibe 4 und der unteren Endlage der jeweiligen Bahnkurve 55, 65 bestimmt.
5a zeigt die Stirnfläche 4s der Kurvenscheibe 4 mit den Konturen der beiden Bahnkurven 55, 65. Die Bahnkurven werden sinnvollerweise mit einem Radiuswerkzeug desselben Durchmessers, der auf der Bahnkurve abrollenden Kugel 14 gefertigt. Dadurch beginnt die abrollende Kugel 14, beim Übergang von der unteren Endlage der entsprechenden Bahnkurve, in die sich anschließende Steigung, exakt an dem definierten Winkel. Um konzentrische Ungenauigkeiten zwischen den Bahnkurven 55, 65 auf der Kurvenscheibe 4 und den Bahnen auf der Deckplatte auszugleichen, wird bei der Erstellung der Bahnkurven, das Radiuswerkzeug nach jedem 360° Umlauf, zu beiden Seiten der Bahndurchmesser leicht versetzt. Es entsteht eine schmale Fläche entlang der Vertiefungen der Bahnkurven auf der Stirnseite der Kurvenscheibe 4, die kleine horizontale Abweichungen der Positionen der abrollenden Kugeln 14 toleriert.
In 5a sind in der äußeren Bahnkurve, die Winkel der vier Phasen der Ventilelemente 6A1, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2 bemaßt. Dabei bedeuten:

V1:: Pause vor Öffnen (Ventilelement bleibt über einen Winkel von 60° in der oberen Endlage)
V2:: Öffnen (Ventilelement wird gleichmäßig axial, über einen Winkel von 15°, in die untere Endlage geführt)
V3:: Pause vor Schließen (Ventilelement bleibt über einen Winkel von 30° in der unteren Endlage)
V4:: Schliessen (Ventilelement wird gleichmäßig axial, über einen Winkel von 15°, in die obere Endlage geführt)

In 5b sind in der inneren Bahnkurve, die Winkel der einzelnen Phasen der Förderelemente 5A, 5B, 5C, 5D bemaßt. Dabei bedeuten:

F1:: Pause vor Ansaugen (Förderelement bleibt über einen Winkel von 30° in der oberen Endlage)
F2:: Ansaugen (Förderelement wird gleichmässig axial, über einen Winkel von 30°, in die untere Endlage geführt)
F3:: Pause vor Abgeben (Förderelement bleibt über einen Winkel von 30° in der unteren Endlage)
F4:: Abgeben (Förderelement wird gleichmässig axial, über einen Winkel von 30'', in die obere Endlage geführt)

Die Phasenwinkel (30°) der Ansaug- bzw. Abgabephasen können ohne Überschneidungen der zugehörigen Ventilbewegungen, in einem Bereich von +/–15° variiert werden. Dadurch kann die Zeit zwischen den aufeinanderfolgenden Ansaug- bzw. Abgabephasen variiert, bzw. eine Überschneidung dieser Förderphasen definiert werden.
5c zeigt eine modifizierte Ausführung der Bahnkurve 55 der Förderelemente dieser Art. Hier werden die Winkel der Förderphasen um 1° vergrößert, während die Winkel der Pausenphasen um 1° verkleinert werden, so dass die vier Phasen einer Förderperiode wieder einen Winkel von 120° einnehmen. Durch diese Überschneidung der aufeinanderfolgenden Förderphasen wird eine kurze Erhöhung der Fördermenge bewirkt, die eine zeitweise geringere Fördermenge im Bereich der oberen Endlage der Förderelemente ausgleicht. Die kurzfristig geringere Fördermenge kommt dadurch zustande, dass die Membran 2 kurz vor dem Erreichen ihrer oberen Endlage die Aufgabe hat, den verbleibenden Förderraum 53 vollständig und daher ohne verbleibenden Totraum auszufüllen. Zusätzlich kann das auszugleichende Fördervolumen, durch Veränderung der Steigungswinkel, in dem sich überschneidenden Winkelbereich eingestellt werden.
5d zeigt, dass die Bahngeometrien der Ventilelemente zu den Bahngeometrien der Förderelemente ohne Auswirkung auf die Funktionseigenschaften um einen Winkel von 60° versetzt zueinander angeordnet werden können.
6 zeigt eine Membran 2 eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Membranpumpe, bei welchem die Förderkammern 50, 51, 52, 53, Ventilkammern 60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b sowie Medium-führenden Kanäle in die Membran 2 integriert sind.
In 6a und 6b ist die Membran aus 6 in einer Ansicht von schräg vorne (6a) sowie von schräg hinten (6b) gezeigt.
Berechnung der Fördergeometrien
In den nachfolgenden Berechnungen sind:

A: Vom Kreisbogen umschlossener Winkel des Kreisabschnittes der gedehnten Membran
b: Dicke der Membran
lm: Gestreckte Länge der gedehnten Membran
bm: Mittlere Dicke der gedehnten Membran im Förderraum
hm: Höhe des Kugelabschnittes der Membran
hh: Hubhöhe bzw. Höhe des zylindrischen Abschnittes des Förderraumes
hk: Höhe des Kugelabschnittes des Förderraumes
df: Durchmesser des Förderelements
dk: Durchmesser des Kugelabschnitts des Förderelements
rz: Radius des Zylinderabschnitts
V: Fördervolumen pro Umdrehung
Vk: Volumen des Kugelabschnitts des Förderraumes
Vm: Volumen des Kugelabschnitts der Membran
Vz: Volumen des Zylinderabschnitts des Förderraumes

Die Dicke der gedehnten Membran lässt sich in guter Näherung im Schnitt durch den Förderraum bestimmen. Der Winkel des Kreisabschnittes der Membran berechnet sich dann zu: α = 2 × arcsin( df + b / dk + b) und daraus die mittlere gestreckte Länge der Membran: lm = π × (df/2 + b/2) × α / 180° und die Dicke der gedehnten Membran mit: bm = (df + b) × b / lm + (2 × b) + (2 × hh)
Im Nenner müssen zur gestreckten Länge der Membran, die beiden linear gedehnten Bereiche durch Hubhöhe und Membrandicke berücksichtigt werden. Eine genaue Berechnung der Membrangeometrie wird dadurch erschwert, dass beim Einspannen der Membran zwischen Grund und Deckplatte Membranmaterial in Richtung der Förderräume ausgedehnt wird und sich die Membran nicht vollständig linear dehnt. Die exakten Geometrien für ein totraumfreies Anlegen der Membran an die Flächen des Förderraumes wurden im Ausführungsbeispiel daher experimentell ermittelt.
Berechnung der Förderrate
Die Höhen der Kugelabschnitte berechnen sich mit: hk = dk / 2 × tan ak / 4 bzw. hm = dk + bm / 2 × tan am / 4 und daraus die Volumina: Vk = π × hk² × ( dk + 2 × bm / 2 – hk / 3) Vz = π × rz² × hh Vm = π × hm² × ( dk + 2 × bm / 2 – hm / 3)
Für eine volle Umdrehung der Kurvenscheibe berechnet sich dann das Fördervolumen zu: V = (Vk + Vz – Vm) × 3 Förderperioden × 4 Fördereinheiten
Ein lückenloses Anschließen der vier Abgabe- bzw. Ansaugphasen der Fördereinheiten hängt von einer kleinen konzentrischen Abweichung der Mittelpunktsymmetrien der Bahnkreise zwischen Deckplatte 1 und Kurvenscheibe 4 ab. Der entstehende Winkelfehler berechnet sich hier zu: af = arctan Konzentrische Abweichung / Bahndurchmesser
Ergebnis
Das Ausführungsbeispiel zeigt, dass eine Unterteilung der Bahnkurven auf der Kurvenscheibe in drei Förderperioden zu je 120° eine besonders günstige Anordnung der Förder- und Ventilelemente zulässt. Werden dabei die Bahnkurve für die Ventilelemente auf einer äußeren und die Bahnkurve der Förderelemente auf einer inneren Kreisbahn angelegt, können die Ventilelemente zu ihrem Förderelement in idealer Weise angeordnet werden. Zudem ist dann von Vorteil, dass die äußere Bahnkurve größere Weglängen für die 15° einschließenden Steigungen der Ventilelemente ergibt. In einer weiteren Ausführung können die Bahnkurven der Förder- und Ventilelemente, in neun Förderperioden zu je 40° für einen vollen Umlauf der Kurvenscheibe aufgeteilt werden. Es lassen sich alle Medium-führenden Räume der Pumpe in einer Ebene, konzentrisch und symmetrisch um die Mittelachse anordnen, was eine sehr kleine Bauform und eine einfache Herstellung ermöglicht.
Die beschriebenen Maßnahmen zur Pulsationsminimierung benötigen keine zusätzlichen Bauelemente und führen zu keiner Erhöhung der Herstellungskosten. Als Totraum sind einzig die kleinen Verbindungkanäle zwischen Ventil- und Förderelementen anzuführen, was eine einfache Entlüftung der Förderwege und ein hohes Maß an Ansaugvermögen gewährleistet. Bei entsprechender Dicke der Membran, kann eine totraumfreie Ausführung dadurch erreicht werden, dass sich die Förderraume mit den Ventilräumen leicht überschneiden, was die Verbindungskanäle zwischen Ventilräumen und Förderräumen überflüssig machen kann. Da die Membran durch die Förderelemente nahezu vollständig hinterstützt wird, befinden sich keine kompressiblen Bereiche in den Förderräumen. Die Pumpe zeigt daher ein in einem weiten Förderbereich vom Gegendruck unabhängiges Förderverhalten. Es entstehen bauartbedingt keine Saug- und Druckeffekte durch das Förderprinzip. Durch den weiten Drehzahlbereich und die sehr geringe Restpulsation konnte eine hohe Förder- und Reproduziergenauigkeit von < 1%, im Besonderen bei niedrigen Drehzahlen der Kurvenscheibe von < 1 U/min erzielt werden, was einen großen Förderbereich von > 1:1000 möglich macht. Durch die freie Zugänglichkeit der Medien-berührenden Flächen können diese sehr einfach gereinigt oder bei entsprechenden Anforderungen poliert bzw. beschichtet werden. Die verwendete Silikonmembran zeigte als einziges Verschleißteil auch bei höheren Gegendrücken von > 5 bar ein gutes Langzeitverhalten. Da die Hubbewegungen von der Kurvenscheibe auf die Ventil- und Förderelemente bzw. der Membran spielfrei übertragen werden, ist bauartbedingt, bei entsprechender Auslegung des Antriebssystems, ein verzögerungsfreies Starten, Stoppen bzw. Umschalten der Förderrichtung zu erreichen. Da die Medien-führenden Geometrien der Pumpe keine Hinterschnitte enthalten, lässt sich der Pumpenkopf sehr einfach im Sinter oder Spritzgussverfahren und in den verschiedensten Materialien wie Kunststoff, Keramik oder Glas herstellen. Bei entsprechender Auslegung des Pumpenkopfes in einem transparenten Material, sind sämtliche Flusswege während des Betriebes einsehbar. Aufgrund des einfachen kompakten Aufbaus, der hohen Förderpräzision und des weiten Förderbereiches ergeben sich eine breite Anwendbarkeit der Pumpe mit Einsatzmöglichkeiten in den verschiedensten Bereichen des Transfers von Flüssigkeiten und Gasen. Da der Pumpenkopf mit der Membran aus nur zwei einfachen Bauteilen besteht, kann er beispielsweise für sterile Anwendungen in der Medizin, als Einwegbauteil konzipiert werden. Das vorgestellte Verfahren zur Pulsationsminimierung kann vorteilhaft in Ausführungen von Kolbenpumpen und bei Mikropumpen Anwendung finden.

Claims

Membranpumpe zur Erzeugung einer nahezu laminaren Strömung enthaltend • mindestens vier Fördereinheiten mit jeweils einem Förderelement (5) und zwei Ventilelementen (6), • eine Deckplatte (1), • eine Grundplatte (3) mit Aussparungen für die Förderelemente (5) und die Ventilelemente (6), • eine zwischen der Deckplatte (1) und der Grundplatte (3) angeordnete Membran (2) und • eine rotierbare Kurvenscheibe (4) mit zwei Bahnkurven (55, 65) mit Vertiefungen und Steuerkanten, wobei die Bahnkurven (55, 65), die Vertiefungen und die Steuerkanten so angeordnet sind, dass sich bei einer Rotation der Kurvenscheibe (4) um eine Mittelachse die Förderelemente (5) entlang der einen Bahnkurve (55) und die Ventilelemente (6) entlang der anderen Bahnkurve (65) bewegen und dabei die Förderelemente (5) und Ventilelemente (6) parallel zur Mittelachse periodisch ausgelenkt werden, wobei die Deckplatte (1) oder die Membran (2) Förderkammern (50, 51, 52, 53) und Ventilkammern (60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b) sowie Medium-führende Kanäle aufweist und die Förderkammern (50, 51, 52, 53) und Ventilkammern (60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b) in einer Position angeordnet sind, dass bei einer Rotation der Kurvenscheibe (4) um die Mittelachse die Membran (2) an den Positionen der entsprechenden Förderkammern (50, 51, 52, 53) und Ventilkammern (60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b) durch die Auslenkung der Förderelemente (5) und Ventilelemente (6) in Richtung der Deckplatte (1) gedrückt wird, und wobei die Grundplatte (3) in mindestens vier Abschnitte unterteilt ist, die alle einen gleich großen Phasenwinkel um die Mittelachse abdecken und in jedem der mindestens vier Abschnitte eine der mindestens vier Fördereinheiten angeordnet ist, außerdem die Förderelemente (5) auf einer Kreisbahn punktsymmetrisch um die Mittelachse angeordnet sind, die Ventilelemente (6) auf einer weiteren Kreisbahn punktsymmetrisch um die Mittelachse angeordnet sind und die zwei Ventilelemente (6) einer Fördereinheit den gleichen Abstand zum Förderelement (5) derselben Fördereinheit aufweisen.
Membranpumpe nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (2) Förderkammern (50, 51, 52, 53) und Ventilkammern (60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b) sowie Medium-führende Kanäle aufweist und die Förderkammern (50, 51, 52, 53) und Ventilkammern (60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b) in einer Position angeordnet sind, dass bei einer Rotation der Kurvenscheibe (4) um die Mittelachse die entsprechenden Förderkammern (50, 51, 52, 53) und Ventilkammern (60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b) der Membran (2) durch die Auslenkung der Förderelemente (5) und Ventilelemente (6) gegen die Deckplatte (1) ausgedrückt werden.
Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreisbahn, auf der die Ventilelemente (6) angeordnet sind, weiter von der Mittelachse entfernt ist als die Kreisbahn, auf der die Förderelemente (5) angeordnet sind.
Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranpumpe vier Fördereinheiten enthält.
Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer maximalen Auslenkung eines der Förderelemente (5) bzw. eines der Ventilelemente (6) die Membran (2) an der Position einer entsprechenden Förderkammer (50, 51, 52, 53) bzw. Ventilkammer (60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b), so in Richtung der Deckplatte (1) gedrückt wird, dass an dieser Position kein Totraum zwischen Membran (2) und Deckplatte (1) besteht.
Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnkurven und/oder die Vertiefungen der Bahnkurven so angeordnet sind, dass sich die Steuerkanten nicht überdecken.
Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtheit der Förderkammern (50, 51, 52, 53), Ventilkammern (60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b) und Medium-führenden Kanälen von einem Steg umschlossen ist.
Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnkurven (55, 65) jeweils in mindestens drei gleich große Abschnitte, bevorzugt drei oder neun gleich große Abschnitte, unterteilt sind, die jeweils einen Phasenwinkel gleicher Größe um die Mittelachse abdecken und die gleich großen Abschnitte jeweils in vier Unterabschnitte unterteilt sind, wobei der erste der vier Unterabschnitte ausschließlich eine plane Fläche ohne Vertiefungen aufweist, der dritte der vier Unterabschnitte ausschließlich eine Vertiefung mit Bahnkanten aufweist und der zweite und vierte der vier Unterabschnitte einen Übergang mit Bahnkanten zwischen der planen Fläche ohne Vertiefungen und der Vertiefung mit Bahnkanten aufweist.
Membranpumpe nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnkurve (55) der Förderelemente im jeweiligen ersten und dritten Unterabschnitt der gleichen Abschnitte so modifiziert ist, dass ein Fehlvolumen, welches durch die Auslenkung eines Ventilementes in der entsprechenden Vertiefung der Deckplatte (1) entsteht, durch eine zusätzliche Auslenkung des Förderelementes der selben Fördereinheit kompensiert wird.
Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderelemente (5) sowie die Ventilelemente (6) und die Steuerkanten der Kurvenscheibe (4) so angeordnet sind, dass bei der Rotation der Kurvenscheibe (4) entweder die Ventilelemente (6) oder das Förderelement (5) einer Fördereinheit parallel zur Mittelachse bewegt werden.
Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckplatte (1) und/oder die Grundplatte (3) aus Kunststoff, Keramik und/oder Glas, bevorzugt einem transparentem Kunststoff oder transparentem Glas, besteht und/oder die Membran (2) aus einem Elastomer besteht.
Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckplatte (1) und die Membran (2) einstückig ausgebildet sind.
Verfahren zum Betrieb einer Membranpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Kurvenscheibe (4) in Rotation um eine Mittelachse versetzt wird und dadurch die Förderelemente (5) und die Ventilelemente (6) parallel zur Mittelachse ausgelenkt werden, wodurch die Membran (2) an den Positionen der entsprechenden Förderkammern (50, 51, 52, 53) und Ventilkammern (60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b) in Richtung der Deckplatte (1) gedrückt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (2) Förderkammern (50, 51, 52, 53) und Ventilkammern (60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b) sowie Medium-führende Kanäle aufweist, die Kurvenscheibe (4) in Rotation um eine Mittelachse versetzt wird und dadurch die Förderelemente (5) und die Ventilelemente (6) parallel zur Mittelachse ausgelenkt werden, wodurch die Förderkammern (50, 51, 52, 53) und Ventilkammern (60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b) der Membran (2) auf die Deckplatte (1) ausgedrückt werden.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Förderelement (5) eine sich wiederholende Förderperiode durchläuft, wobei eine Förderperiode eines Förderelementes (5) in mindestens 4 hintereinander ablaufende Förderphasen unterteilt ist, umfassend mindestens eine Förderphase F1, in welcher sich das Förderelement (5) in einer oberen Endlage befindet, eine Förderphase F2, in welcher das Förderelement (5) von der oberen Endlage gleichmäßig axial in eine untere Endlage geführt wird, eine Förderphase F3, in welcher sich das Förderelement (5) in der unteren Endlage befindet, und eine Förderphase F4, in welcher das Förderelement (5) von der unteren Endlage gleichmäßig axial in die obere Endlage geführt wird, und/oder jedes Ventilelement (6) eine sich wiederholende Förderperiode durchläuft, wobei eine Förderperiode eines Ventilelementes (6) in mindestens 4 hintereinander ablaufende Ventilphasen unterteilt ist, umfassend mindestens eine Ventilphase V1, in welcher sich das Ventilelement (6) in einer oberen Endlage befindet, eine Ventilphase V2, in welcher das Ventilelement (6) von der oberen Endlage gleichmäßig axial in eine untere Endlage geführt wird, eine Ventilphase V3, in welcher sich das Ventilelement (6) in der unteren Endlage befindet, und eine Ventilphase V4, in welcher das Ventilelement (6) von der unteren Endlage gleichmäßig axial in die obere Endlage geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer vollen Umdrehung der rotierbaren Kurvenscheibe (4) jede Fördereinheit mindestens drei, bevorzugt drei oder neun, Förderperioden durchläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sich zu jedem Zeitpunkt, indem sich ein Förderelement (5) einer Fördereinheit in der Förderphase F2 oder F4 befindet, die Ventilelemente (6) derselben Fördereinheit in der Förderphase V1 oder V3 befinden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranpumpe vier Fördereinheiten aufweist und zu jedem Zeitpunkt des Verfahrens sich jeweils eines der Förderelemente (5) in der Förderphase F1, eines der Förderelemente (5) in der Förderphase F2, eines der Förderelemente (5) in der Förderphase F3 und eines der Förderelemente (5) in der Förderphase F4 befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass durch Umkehr der Drehrichtung der Kurvenscheibe (4) die Richtung der erzeugten nahezu laminaren Strömung umgekehrt wird.