-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Doppelmembranpumpe, umfassend ein Pumpengehäuse mit zwei parallelen Leitungsabschnitten mit jeweils einer Membrankammer, welche jeweils zwischen zwei in Strömungsrichtung gleichsinnig schließenden Kugelventilen eingeschlossen und von einer Membran flüssigkeitsdicht in eine Flüssigkeitskammer und eine Luftkammer unterteilt ist, ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Doppelmembranpumpe, sowie eine Membranpumpe, umfassend ein Pumpengehäuse mit einer Membrankammer, welche zwischen zwei in Strömungsrichtung gleichsinnig schließenden Kugelventilen eingeschlossen und von einer Membran flüssigkeitsdicht in eine Flüssigkeitskammer und eine Luftkammer unterteilt ist.
-
Doppelmembranpumpen sind im Stand der Technik bereits seit Langem bekannt. Sie sind dafür bekannt, auch schwieriges Fördergut zu transportieren und basieren darauf, dass zwei Membranen in einander gegenüberliegenden Membrankammern einen Flüssigkeitsraum abwechselnd in einer Saugbewegung füllen und in einer Druckbewegung entleeren. Kugelventile sorgen dabei für eine vorgegebene Förderrichtung, indem sie bei der Druckbewegung die Zulaufseite, bei der Saugbewegung die Ablaufseite blockieren. Die Membranen werden dabei mithilfe einer starren Verbindungswelle gekoppelt und bewegen sich daher im Gegentakt.
-
Der Stand der Technik sieht bevorzugtermaßen eine Betätigung der Membranen mit Druckluft vor. In einer zentralen Kammer ist ein Druckluftanschluss vorgesehen, über welchen Druckluft in eine erste Membrankammer eingebracht wird. Die Membrankammern sind durch die Membran in eine Luftkammer und eine Flüssigkeitskammer getrennt, wobei die Druckluft in die Luftkammer strömt und die Flüssigkeitskammer zusammenpresst, wodurch die Flüssigkeit aus der Flüssigkeitskammer herausgepresst wird. Die Membran bewegt sich dabei von der gegenüberliegenden Kammer weg, nimmt aber aufgrund der Verbindung mithilfe der Verbindungswelle die gegenüberliegende Membran mit und wird bei dieser die Luftkammer zusammendrücken, die Flüssigkeitskammer hingegen aufblähen und damit eine Saugwirkung auf den Zulauf ausüben. Im äußersten Punkt wechselt ein Luftverteiler die Luftrichtung und die Luft wird in die gegenüberliegende, soeben erst entleerte Luftkammer eingebracht und die Membranen bewegen sich gekoppelt in die Gegenrichtung.
-
Eine solche Lösung ist zwar funktionell und seit vielen Jahren bewährt, jedoch erfordert sie den Einsatz von Druckluft als Arbeitsmedium. Druckluft ist zum Einen als Medium verhältnismäßig teuer, zum Anderen steht es auch nur begrenzt zur Verfügung. In aller Regel bedarf es spezieller zusätzlicher Infrastruktur, um die Druckluft vor Ort verfügbar zu haben. Gerade im mobilen Einsatz ist die Druckluftversorgung bei herkömmlichen Doppelmembranpumpen problematisch.
-
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Doppelmembranpumpe sowie eine Membranpumpe zu schaffen, welche unabhängig von Druckluft einsetzbar ist und welche zudem hinsichtlich der weiteren Einsatzmöglichkeiten weiterentwickelt werden kann.
-
Dies gelingt durch eine Doppelmembranpumpe gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, sinnvolle Weiterentwicklungen und ein Verfahren zum Betrieb einer Doppelmembranpumpe sind den Unteransprüchen und dem nebengeordneten Verfahrensanspruch 13 sowie dessen Unteranspruch 14 zu entnehmen. Ferner gelingt dies durch eine Membranpumpe gemäß Anspruch 15.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Doppelmembranpumpe weitgehend so aufgebaut ist, wie dies aus dem Stand der Technik vorbekannt ist. Sie umfasst ein Pumpengehäuse mit zwei parallelen Leitungsabschnitten, welche jeweils eine Membrankammer ausbilden. In den Membrankammern befindet sich jeweils eine Membran, welche die Membrankammer flüssigkeitsdicht in eine Flüssigkeitskammer und eine Luftkammer trennt. Lediglich die Flüssigkeitskammer ist über die Leitungsabschnitte erreichbar und ist zu- und ablaufseitig durch Kugelventile begrenzt.
-
Die Erfindung sieht nun vor, anstelle des mit Druckluft betriebenen Mechanismus eine Magnetkammer zwischen den Membrankammern vorzusehen, in welcher ein oder mehrere Elektromagneten mit den Membranen verbundene Wirkmittel beeinflussen. Diese Wirkmittel greifen an den Membranen an und werden durch die elektromagnetisch erzeugte Kraft zwischen zwei Bewegungsendpunkten hin und her bewegt und nehmen dabei die Membranen mit, so dass der gleiche Bewegungsablauf entsteht wie bei der bekannten Doppelmembranpumpe im Stand der Technik.
-
Der Unterschied besteht jedoch zunächst darin, dass der Elektromagnet mithilfe von elektrischem Strom betrieben werden kann, der ausgesprochen Flächendeckend verfügbar ist. Auch in Fahrzeugen kann ein Betrieb über ein Bordnetz dadurch gekennzeichnet, dass dem Pumpengehäuse ferner in einer zwischen den Luftkammern angeordneten Magnetkammer wenigstens ein Elektromagnet zugeordnet ist, in dessen Wirkbereich mit den Membranen verbundene Wirkmittel zwischen jeweils zwei Bewegungsendpunkten beweglich angeordnet sind. Aufgrund der Feldänderungen am Elektromagneten werden die Wirkmittel abwechselnd von dem Elektromagneten angezogen oder abgestoßen und bewegen sich infolgedessen unter Mitnahme der Membran in der Membrankammer.
-
Die Erfindung bildet eine Vielzahl von Varianten über dem skizzierten Grundthema heraus, welche verschiedene Anwendungsfälle abdecken und unterschiedliche Vorteile mit sich bringen. Der Begriff des Elektromagneten ist im Rahmen der vorliegenden Offenbarung grundsätzlich so zu verstehen, dass dieser ein Magnet oder eine Magnetanordnung aus mehreren Magneten sein kann, die entweder im Verbund oder in Abhängigkeit voneinander oder unabhängig voneinander betrieben werden können. Etwa können mehrere gleiche oder ungleiche Magnetspulen auf einem Kern oder auch mehrere gleiche oder ungleiche Magnetspulen auf mehreren Kernen einen Elektromagneten im Sinne der Erfindung bilden.
-
So können in einer ersten Ausgestaltung die Wirkmittel eine Verbindungswelle sein, die wie beim Stand der Technik die gegenüberliegenden Membranen miteinander mechanisch koppeln. Die Membranen können hierdurch nur im Gegentakt betrieben werden, was eine einfachste von der Erfindung mit umfasste Lösung darstellt. Die Verbindungswelle greift hierzu an beiden Membranen kraftschlüssig an, so dass sie die beiden Luftkammern und die Magnetkammer vollständig durchgreifen muss. Innerhalb der Magnetkammer kann die Verbindungswelle durch eine Magnetspule geführt sein, was es erlaubt, einen Einfluss auf die Verbindungswelle auszuüben.
-
Es ist bekannt, dass durch eine Magnetspule beschleunigte, elektromagnetisch wirksame Elemente auf diese zu oder von dieser weg beschleunigt werden können. Durchquert ein elektromagnetisch wirksames Element also die Magnetspule, so wird es vor der Durchquerung auf die Magnetspule zu beschleunigt, in der Magnetspule selbst jedoch wieder abgebremst, so dass es sinnvoll ist, die Verbindungswelle nicht vollständig elektromagnetisch wirksam zu gestalten. Vielmehr kann die Verbindungswelle einzelne Abschnitte aufweisen, die magnetisch, ferromagnetisch oder elektrisch leitfähig sind und im Betrieb von der Magnetspule angezogen werden, aber es sollte auch Abschnitte geben, die nichtmagnetisch und/oder nichtleitend sind und die beim Durchqueren der Magnetspule keine Bremswirkung besitzen. Insbesondere wenn die magnetisch wirksamen Abschnitte stets außerhalb der Magnetspulen verbleiben, während nur magnetisch unwirksame Abschnitte diese tatsächlich durchqueren, ergibt sich keine Bremswirkung.
-
In einer weiteren Ausgestaltungsform handelt es sich bei den Wirkmitteln um zwei separate Verbindungswellen, welche separat von eigenen Magnetspulen bewegt werden können. Die Konstruktion ist hierbei prinzipiell gleich, jedoch sind die beiden Membranen nicht mechanisch miteinander gekoppelt. In dem Sonderfall, in dem nunmehr die Magnetspulen der separaten Verbindungswellen im Gegentakt betrieben werden, werden sich die Membranen so verhalten, als ob sie mechanisch gekoppelt wären. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Ein bekanntes Problem bei Doppelmembranpumpen ist es, dass sich aufgrund des Gegentaktes turbulente Strömungen im Ablauf bilden. Diese sollen jedoch vermieden werden. Durch einen asynchronen Betrieb der beiden Membranen lassen sich diese turbulenten Strömungen zu laminaren Strömungen glätten, was im Stand der Technik in dieser Form bislang nicht realisierbar war.
-
Eine weitere Alternative sieht vor, dass es sich bei den Wirkmitteln um ferromagnetische oder permanentmagnetische Elemente handelt, die den Membranen direkt zugeordnet sind. Diese werden von dem Elektromagneten berührungslos abwechselnd angezogen oder abgestoßen.
-
Ein besonderer Vorteil dieser Lösung liegt darin, dass sich der Elektromagnet nicht in derselben Kammer befinden muss, wie die Membran, zumindest kein Durchlass zwischen der Membrankammer und der Magnetkammer erforderlich ist. Vielmehr kann die in Richtung der Magnetkammer weisende Außenwand der Membrankammer nichtmagnetisch und für Magnetismus durchlässig, beispielsweise aus Kunststoff gebildet sein. Dann wirkt der Magnetismus des Elektromagneten durch diese Wandung hindurch auf die mit dem ferromagnetischen oder permanentmagnetischen Element versehende Membran, ohne eine mechanische Verbindung auszuüben.
-
Im Einzelnen können die ferromagnetischen oder permanentmagnetischen Elemente als Metallkörper gebildet sein, welche insbesondere mittig auf den Membranen angebracht sind. Es ist jedoch auch möglich, sie als Metallschicht in die Membranen einzubetten und damit auf ein Durchdringen der Membran ganz zu verzichten. In diesem Fall müssten die Metallschichten flexibel gestaltet sein, aber von genügender Dicke, dass eine Beeinflussung der Membran durch den Elektromagneten erfolgen kann.
-
Hinsichtlich des Elektromagneten ist es zunächst möglich, einen großen Magnetkern vorzusehen und mit einer Magnetspule zu bewickeln. Wird dieser Elektromagnet in den Wirkbereich beider Membranen gebracht, so entsteht eine mit der Verbindungswelle vergleichbare Situation und die Membranen können im Gegentakt ausgelenkt werden. Werden hingegen mehrere Magnetspulen gegebenenfalls auch auf mehrere Kerne aufgebracht, so können die Membranen auch auf diesem Wege in asynchrone Bewegungsmuster versetzt werden.
-
In dem Fall, dass die Luftkammer nicht mit der Magnetkammer verbunden ist, wird eine Möglichkeit benötigt, wie die Luft hinter der Membran aus der Luftkammer entweichen kann. Entweder entweicht diese ganz nach außen in die Umgebung und wird von dort wieder angesaugt, oder sie stammt aus einem Ausgleichsbehälter. Im Fall einer Beschädigung der Membran würde bei einem Einsatz eines Ausgleichsbehälters kein Austreten des Fördermediums nach Außen zu besorgen sein.
-
Soweit die Doppelmembranpumpe asynchron bewegbare Membranen realisiert, kann zudem mit separaten Zulaufleitungen für die einzelnen Leitungsabschnitte gearbeitet werden. Dadurch können die beiden Leitungsabschnitte unterschiedliche Medien fördern und durch eine Beeinflussung der Frequenz der Membranschwingungen können auf beiden Seiten unterschiedliche Fördermengen erreicht werden. Bei einem gemeinsamen Ablauf bedeutet dies, dass zwei unterschiedliche Medien unterschiedlich zu einem gemeinsamen Produkt dosiert werden können. Dies kann durch die zusätzliche Anordnung weiterer Leitungsabschnitte mit Membranen letztlich beliebig erweitert werden.
-
Umgekehrt ist es auch möglich, die genannten Effekte auch mit nur einer Membran in einer einfachen Membranpumpe zu erzeugen. Eine solche Lösung, wenngleich sie nicht die weiteren zuvor beschriebenen Vorteile besitzt, ist ebenfalls ausdrücklich von der Erfindung mit beansprucht.
-
Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
-
Es zeigen
- 1 eine Doppelmembranpumpe mit einer durchgehenden Verbindungswelle und über diese mechanisch gekoppelte Membranen in einer frontalen Querschnittsdarstellung,
- 2 eine Variante der Doppelmembranpumpe gemäß 1 mit mehreren Magnetspulen in einer frontalen Querschnittsdarstellung,
- 3 eine Doppelmembranpumpe mit mehreren separaten verbindungswellen und einzeln beeinflussbaren Membranen in einer frontalen Querschnittsdarstellung,
- 4 eine Doppelmembranpumpe mit Metallkörpern, welche den Membranen direkt zugeordnet sind und über eine gemeinsame Magnetspule angesteuert werden in einer frontalen Querschnittsdarstellung, sowie
- 5 eine Variante der 4 mit zwei separat ansteuerbaren Magnetspulen in einer frontalen Querschnittsdarstellung.
-
1 zeigt eine Doppelmembranpumpe mit einem Pumpengehäuse 10, das im Wesentlichen aus einem ersten Leitungsabschnitt 1 auf der linken Seite und einem zweiten Leitungsabschnitt 2 auf der rechten Seite aufgebaut ist. Beide Leitungsabschnitte 1 und 2 bilden jeweils eine Membrankammer aus, die erste Membrankammer 11 und die zweite Membrankammer 21. Diese Membrankammern 11 und 21 werden von Kugelventilen 5 und 6 begrenzt, von denen die mit 5 bezeichneten Kugelventile offen und die mit 6 bezeichneten Kugelventile geschlossen sind. Die Membrankammern 11 und 21 sind durch jeweils eine Membran 12 und 22 in eine Flüssigkeitskammer 13 bzw. 23 und eine Luftkammer 14 bzw. 24 unterteilt. In der dargestellten Position ist die erste Membrankammer 11 mit dem Fördermedium gefüllt und daher ist die erste Flüssigkeitskammer 13 ausgedehnt und groß, während die erste Luftkammer 14 durch die erste Membran 12 zusammengedrückt und klein ist. Umgekehrt verhält es sich in der zweiten Membrankammer 21, in der die Luftkammer 24 groß und die Flüssigkeitskammer 23 zusammengedrückt und klein ist.
-
Diese Grundposition soll an dieser Stelle nur einmal beschrieben werden, gilt aber für alle fünf Figuren. Das Medium wird auch in allen fünf Figuren von einem Zulauf 3 zu einem Ablauf 4 gefördert, mit Ausnahme von 5, wo zwei Zulaufleitungen vorhanden sind.
-
Die Ausgestaltung nach 1 besitzt eine durchgehende Verbindungswelle 18, welche die erste Membran 12 mit der zweiten Membran 22 mechanisch verbindet. Der Verbindungswelle 18 sind zwei Magnetabschnitte 8 zugeordnet, welche von einer die Verbindungswelle 18 umgebenden Magnetspule 9 angezogen oder abgestoßen werden können. Eine Steuerung 20 legt einen Spannungsverlauf an die Magnetspule 9 an und beeinflusst damit das erzeugte Magnetfeld der Spule.
-
Wird nun ein Magnetfeld in der Magnetspule 9 erzeugt, so wird die Spule die Magnetabschnitte 8 je nach Polung anziehen oder abstoßen. Im vorliegenden Fall sind die beiden Magnetabschnitte gegensinnig gepolt, liegen aber beiderseits der Magnetspule, so das ein zur ersten Membran 12 weisender Magnetabschnitt 8 zur Spule hingezogen wird, während gleichzeitig ein zur zweiten Membran 22 weisender Magnetabschnitt 8 von der Spule weggedrückt wird. Hierdurch wird die durchgehende Verbindungswelle 18 im Bild nach rechts gedrückt, also auf die zweite Membran 22 zu, welche die zweite Flüssigkeitskammer leerdrückt. Im äußersten Umlenkpunkt wechselt die Steuerung 20 die magnetische Polung der Magnetspule 9, so dass die durchgehende Verbindungswelle 18 in die andere Richtung getrieben wird und in der ersten Flüssigkeitskammer 13 eine Druckwirkung und in der zweiten Flüssigkeitskammer 23 eine Saugwirkung erzeugt. Dieser Vorgang bedeutet für die Membranen 12 und 22 einen synchronen Gegentakt, entsprechend den Abläufen bei den aus dem Stand der Technik bekannten Doppelmembranpumpen.
-
2 zeigt hiervon abweichend eine andere Bauform mit zwei Magnetspulen 9, welche zwischen sich einen Magnetabschnitt 8 der durchgehenden Verbindungswelle 18 zwischen sich hin und her schieben. Im Übrigen ist die Funktion der Anordnung mit dem zuvor Gesagten identisch und auch hier werden die Membranen 12 und 22 im synchronen Gegentakt betrieben.
-
3 zeigt eine andere Alternative der Doppelmembranpumpe, bei der eine erste Verbindungswelle 15 mit der ersten Membran 12, eine zweite Verbindungswelle 25 mit der zweiten Membran 22 verbunden sind. Die beiden Verbindungswellen 15 und 25 sind hier mit einem Höhenversatz gezeichnet, dies aber nur aus Gründen der Darstellung.
-
Prinzipiell funktioniert jeder der Verbindungswellen 15 und 25 wie die durchgehende Verbindungswelle 18 in 1 und 2, wobei aufgrund der Anordnung nun aber auch eine asynchrone Ansteuerung der Verbindungswellen 15 und 25 durch die Steuerungen 20 erfolgen kann. Hierdurch ist es zum Einen möglich, turbulente Strömungen im Ablauf 4 zu vermeiden, andererseits ist es auch möglich, wie noch in 5 gezeigt wird, unterschiedliche Zuläufe in den Ablauf zusammenzumischen und dabei unterschiedlich zu dosieren.
-
4 zeigt eine weitere Alternative der vorliegenden Erfindung, welche ohne Verbindungswellen auskommt. Den Membranen 12 und 22 sind in diesem Fall ein erster Metallkörper 16 bzw. ein zweiter Metallkörper 26 zugeordnet, im Einzelnen hier mit den Membranen 12 und 22 verschraubt. Zwischen der ersten Membrankammer 11 und der Magnetkammer 7 ist ebenso wie zwischen letzterer und der zweiten Membrankammer 21 eine nichtmagnetische Wandung 19 angeordnet, durch welche hindurch ein von der Steuerung 20 mithilfe der Magnetspule 9 erzeugtes und durch einen Magnetkern verstärktes Feld erzeugt wird. In der gezeigten Position zieht dieses Magnetfeld den ersten Metallkörper 16 auf die Magnetkammer 7 zu und drückt den zweiten Metallkörper 26 von der Magnetkammer 7 weg. Entsprechend bewegen sich die Membranen 12 und 22, welche mit den Metallkörpern 16 und 26 verbunden sind. Durch einen Wechsel der magnetischen Polung der Magnetspule 9 wird auch hier die Wirkrichtung gewechselt und die erste Membrankammer 11 von Fördermedium entleert, die zweite Membrankammer 21 hingegen mit Fördermedium gefüllt.
-
5 zeigt schließlich noch eine Variante der soeben gezeigten Lösung, bei der eine Steuerung 20 in der Magnetkammer 7 zwei unabhängige Magnetspulen 9 ansteuert, welche die Metallkörper 16 und 26 asynchron und nach Bedarf mit unterschiedlicher Frequenz vor- und zurückbewegt. Die hier gezeigte Lösung realisiert ferner einen erste Zulaufleitung 17 und eine zweite Zulaufleitung 27, welche nun mit unterschiedlichen Medien beschickt werden können. Durch eine höhere Pumpfrequenz wird etwa das durch die erste Zulaufleitung 17 zugeführte Fördermedium in größerer Menge zum Ablauf 4 gefördert, als das bei dem mit niedrigerer Pumpfrequenz geförderten Fördermedium in der zweiten Zulaufleitung 27 der Fall sein könnte. Auf diese Weise lässt sich eine solche Doppelmembranpumpe gleichzeitig zur Mischung unterschiedlicher Medien nach vorgegebenem Verhältnis einsetzen.
-
Vorstehend beschrieben ist somit eine Doppelmembranpumpe, welche eine elektromagnetische Ansteuerung der Membranen, bedarfsweise auch unabhängig voneinander, ermöglicht, sowie ein asynchrones Betriebsverfahren für eine derartige Doppelmembranpumpe und eine Membranpumpe.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- erster Leitungsabschnitt
- 2
- zweiter Leitungsabschnitt
- 3
- Zulauf
- 4
- Ablauf
- 5
- offenes Kugelventil
- 6
- geschlossenes Kugelventil
- 7
- Magnetkammer
- 8
- Magnetabschnitt
- 9
- Magnetspule
- 10
- Pumpengehäuse
- 11
- erste Membrankammer
- 12
- erste Membran
- 13
- erste Flüssigkeitskammer
- 14
- erste Luftkammer
- 15
- erste Verbindungswelle
- 16
- erster Metallkörper
- 17
- erste Zulaufleitung
- 18
- durchgehende Verbindungswelle
- 19
- nichtmagnetische Wandung
- 20
- Steuerung
- 21
- zweite Membrankammer
- 22
- zweite Membran
- 23
- zweite Flüssigkeitskammer
- 24
- zweite Luftkammer
- 25
- zweite Verbindungswelle
- 26
- zweiter Metallkörper
- 27
- zweite Zulaufleitung
