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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dosierpumpe mit hygienegerechter Einspannzone.
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Im Stand der Technik sind verschiedene Arten von Pumpen unter unterschiedlichen Bezeichnungen bekannt, die nach ihrem technischen Aufbau oder ihrer Funktion bezeichnet sind, z.B. Kolbenpumpen, Dosierpumpen, Membranpumpen, etc.
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Bei einer Hubkolbenpumpe als Dosierpumpe kommt beispielsweise ein mechanisch betriebener Kolben zum Einsatz, der in einem Zylinder läuft. Dieser Kolben wird dabei mit einem Zulauf und einem Ablauf kombiniert, die jeweils durch ein Ventil verschlossen sind. Im ersten Takt, beim Ansaugen, bewegt sich der Kolben derart, dass sich das Volumen im Zylinder vergrößert und somit bei geöffneten Einlassventil Förderfluid in den Zylinder strömt. Anschließend wird das Einlassventil geschlossen und das Auslassventil geöffnet, und der Kolben bewegt sich im Zylinder derart, dass sich das Volumen in diesem wieder verkleinert und somit das Förderfluid aus dem Auslassventil austritt.
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Die alternativ ebenfalls bekannten Membranpumpen besitzen demgegenüber einen Förderraum mit einem Sauganschluss und einem Druckanschluss sowie einen Arbeitsraum, der durch eine Membran von dem Förderraum getrennt ist. Der Förderraum wird dabei auch als Dosierraum bezeichnet.
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Um ein Medium zu fördern, wird die Membran oszillierend zwischen einer ersten und zweiten Position hin- und her bewegt, in dem der Arbeitsraum mit einem Hydraulikfluid befüllt ist, welches mit einem oszillierenden Druck beaufschlagt wird. Die zwei Positionen der Membran werden dabei meist als Druckhubposition und als Saughubposition bezeichnet.
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Üblicherweise ist der Druckanschluss über ein als Rückschlagventil ausgebildetes Druckventil mit dem Dosierraum verbunden und der Sauganschluss über ein ebenfalls als Rückschlagventil ausgebildetes Saugventil mit dem Dosierraum verbunden. Bei der Bewegung der Membran von der ersten in die zweite Position, dem sogenannten Saughub, wird das Volumen des Dosierraums vergrößert, wodurch der Druck im Dosierraum abfällt. Sobald der Druck im Dosierraum unter den Druck in einer mit dem Sauganschluss verbundenen Saugleitung fällt, öffnet sich das Saugventil und über den Sauganschluss wird ein zu förderndes Medium in den Dosierraum eingesaugt. Sobald die Membran sich von der zweiten Position wieder in Richtung der ersten Position bewegt (dies ist der sogenannte Druckhub), verringert sich das Volumen im Dosierraum und der Druck im Dosierraum steigt an. Das Saugventil wird verschlossen, um ein Zurückströmen des zu fördernden Mediums in die Saugleitung zu verhindern. Sobald der Druck im Dosierraum den Druck in einer mit dem Druckanschluss verbundenen Druckleitung überschreitet, wird das Druckventil geöffnet, sodass das im Dosierraum befindliches Fördermedium in die Druckleitung gedrückt werden kann.
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Die Membran selbst kann dabei federnd in Richtung der Saughubposition vorgespannt sein. Dabei wird die Membran stets eine Position einnehmen, in der die auf die Membran wirkenden Kräfte sich gegenseitig aufheben. Dabei wirken die von dem Fluiddruck in dem Dosierraum und die durch die federnde Vorspannung in Richtung Saughubposition erzeugten Kräfte gegen die von dem Fluiddruck im Arbeitsraum erzeugten Kräfte.
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Die Beaufschlagung des Hydraulikfluids mit einem oszillierenden Druck führt somit zu einer oszillierenden Bewegung der Membran und damit verbunden zu einem oszillierenden Pumpvorgang des Förderfluids aus der Saugleitung in die Druckleitung.
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Jede Membran weist dabei einen Einspannbereich und einen Arbeitsbereich auf. Der Einspannbereich verläuft dabei vom äußeren Umfang der Membran in Richtung Mitte und dient der Befestigung und hermetischen Abdichtung der Membran an der Pumpe.
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Problematisch bei den bekannten Dosierpumpen ist, dass beim Einspannbereich der Membran Hygieneprobleme auftreten können, da sich im Übergangsbereich von Einspannbereich und Dosierraum Reste des zu fördernden Fluides sammeln können.
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Für hygienische Anwendungen stellt daher die Einspannung der Membran derzeit einen Nachteil dar, deren Optimierung die Reinigung der Pumpe vereinfachen könnte bzw. Reinigungsintervalle verlängern würde.
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Es wäre daher wünschenswert, wenn eine verbesserte Einspannung der Membran ermöglicht werden könnte.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt daher darin, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden, und insbesondere Pumpen zu liefern, die eine verbesserte Einspanneinrichtung im Hinblick auf eine vereinfachte Reinigung und längere Reinigungsintervalle bieten und zudem die Hygiene der Pumpe zu verbessern, da sich weniger Fluidreste am Einspannbereich sammeln.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Dosierpumpe für Fluide mit einem Einlassventil, einem Auslassventil und einem oszillierenden Antrieb, wobei die Dosierpumpe eine im wesentlichen kreisförmige Membran aufweist, die den Arbeitsraum und den Dosierraum trennt, und wobei die Membran vom äußeren Umfang in Richtung der Mitte einen im Umfangsrichtung von Außen nach Innen verlaufenden Einspannbereich sowie sich einen an oder beabstandet zu dem Einspannbereich anschließenden Arbeitsbereich aufweist, wobei der Einspannbereich der Befestigung und hermetischen Abdichtung der Membran an der Dosierpumpe dient, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosierpumpe an dem dem Dosierraum zugewandten inneren Ende des Einspannbereichs eine zur Membran gerichtete umlaufende konvexe Erhöhung in Form einer Wölbung aufweist.
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Durch die erfindungsgemäße Ausprägung des Einspannbereichs mit einer umlaufenden konvexen Erhöhung am Übergang vom Einspannbereich in den Dosierraum wird wirksam verhindert, dass Fluide in den Einspannbereich eindringen.
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Gerade beim Einsatz vom Pumpen im Hygienebereich soll sichergestellt sein, dass keine Verunreinigungen auftreten, unerwünschte Reste im Dosierraum verbleiben oder in diesen eindringen können und dass der Dosierraum leicht und vollumfänglich gereinigt werden kann.
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Im Stand der Technik ist der Übergang vom Einspannbereich in den Dosierraum flach. Dies führt dazu, dass sich die Membran bei der Pumpbewegung leicht im Übergangsbereich vom Dosierraum abheben kann und somit zu förderndes Fluid in den Einspannbereich unter die Membran gelangt.
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Gerade dort besteht die Gefahr, dass er bei einer Reinigung nicht entfernt wird und/oder von dort beim nächsten Pumpvorgang mit dem dann zu pumpenden Fluid vermischt wird.
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Durch die erfindungsgemäße umlaufende konvexe Erhöhung wird genau dies verhindert und somit eine wichtige hygienenische Problemstelle im Hinblick auf die Verbesserung der Reinigung und/oder der Verlängerung von Reinigungsintervallen optimiert.
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Unter einer konvexen Erhöhung in Form einer Wölbung soll eine Ausgestaltung eines Querschnittprofils verstanden werden. Unter einer konvexen Wölbung soll dabei ein Querschnitt verstanden werden, der nicht eckig, sondern abgerundet in einer Kurvenform erfolgt. Die Kurvenform selbst muss dabei nicht, kann aber, entlang einem einzigen Krümmung verlaufen. Es kann aber auch sein, dass die konvexe Erhöhung mehrere „Wellenberge“ umfasst oder aus mehreren geometrischen Abschnitten zusammengesetzt ist. Entscheidend für die konvexe Erhöhung ist, dass diese eine Erhöhung im Einspannbereich darstellt, die einen oder mehrere konvexe Erhöhungsabschnitte umfasst.
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Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die konvexe Erhöhung in Form einer Wölbung vollumfänglich entlang der im Wesentlichen kreisförmigen Membran verläuft.
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Dieser vollumfängliche Verlauf hat insbesondere den Vorteil, dass durch die konvexe Erhöhung zum Einen der Anpressdruck im Einspannbereich erhöht und somit die Dichtheit gesteigert wird. Zum Anderen wird ein Hindernis geschaffen, was es weiter erschwert, dass Fluide in den Einspannbereich eindringen.
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Wie bereits ausgeführt unterscheidet man zwischen mechanisch ausgelenkten und hydraulisch ausgelenkten Dosierpumpen. Die vorliegende Erfindung kann bei beiden Ausgestaltungen vorteilhafterweise zum Einsatz kommen. Insbesondere kann die Erfindung vorteilhafterweise bei mechanisch oder hydraulisch ausgelenkten Membranpumpen zum Einsatz kommen.
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Der Arbeitsbereich ist dabei der Abschnitt, der sich bei der Druck- bzw. Saugbewegung hin- bzw. her bewegt. Der Arbeitsbereich erstreckt sich dabei vom Zentrum der kreisförmigen Membran nach Außen bis hin oder beabstandet zum erfindungsgemäßen Einspannbereich.
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Es kann gemäß einer Ausführungsform vorteilhaft sein, dass die konvexe Erhöhung tangential abfallend in den Dosierraum übergeht.
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Durch eine solche tangential abfallende Ausbildung der konvexen Erhöhung wird ein nahtloser Übergang zwischen der Wand des Arbeitsraums und der konvexen Erhöhung im Einspannbereich selbst geschaffen. Wie bereits ausgeführt wirkt die erfindungsgemäße konvexe Erhöhung wie ein Deich, der gleichzeitig den Anpressdruck im Einspannbereich erhöht und somit eine doppelte Dichtfunktion erzeugt. Durch den tangentialen Verlauf werden des weiteren Kanten oder Stellen vermindern, an denen sich Reste vom Fluid unerwünscht ansammeln können.
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Es kann dabei weiterhin bevorzugt sein, dass die Krümmung der konvexen Erhöhung kontinuierlich verläuft und insbesondere keine Sprünge oder Absätze aufweist.
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Eine kontinuierlich gekrümmte konvexe Erhöhung hat mehrere Vorteile. Ein Vorteil ist, dass wie bereits ausgeführt an Kanten oder Absätzen in Richtung des Dosierraums sich kein Fluid sammeln kann, sondern wie bei einem Deich abgehalten wird. Ein weitere Vorteil liegt darin, dass Kanten oder Absätze die Membran beschädigen können. Dies wird durch eine kontinuierliche Krümmung vermieden, da keine punktuellen bzw. lienienförmigen Belastungen entlang der somit nicht vorhandenen Kanten auftreten.
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Des weiteren kann es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft sein, dass die konvexe Erhöhung eine Höhe von 5% bis 30%, bevorzugt von 7,5% bis 25%, besonders bevorzugt von 10% bis 20%, der Dicke der Membran gegenüber dem benachbarten Einspannbereich der Dosierpumpe aufweist.
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Es hat sich gezeigt, dass schon eine kleine konvexe Erhöhung die Dichtheit des Einspannbereichs der Dosierpumpe signifikant verbessert. Als besonders vorteilhaft hat sich jedoch eine relative Höhe der konvexen Erhöhung bezogen auf die Membrandicke von mindestens 10% erwiesen. Durch diese Erhöhung wird der Anpressdruck im Einspannbereich lokal gesteigert und eine zusätzliche gute mechanische Barriere gegen das Eindringen von Fluiden geschaffen.
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Eine konvexe Erhöhung über 30% der Dicke der Membran kann dabei wiederum nachteilig sein, da der punktuelle Anpressdruck zu stark gesteigert wird, die Membran zu stark plastisch verformt wird und/oder die Krümmung der konvexen Erhöhung zu steil wird, und daher eine Beschädigung der Membran entstehen kann.
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Des weiteren kann vorgesehen sein, dass sich die konvexe Erhöhung in die Membran im verspannten Zustand der Membran in 5% bis 30%, bevorzugt in 7,5% bis 25%, besonders bevorzugt von in 10% bis 20%, bezogen auf die Dicke der Membran in die Membran einprägt.
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Alternativ zu der vorangehend beschriebenen Erhöhung der konvexen Erhöhung selbst kann diese auch die relative Einprägung derselben in die Membran vorteilhafterweise definiert sein. Dabei kann die Höhe der Membran identisch mit der Einprägetiefe sein, es kann aber auch sein, dass sich beide Werte leicht unterscheiden. Dies hängt von der Ausgestaltung des Einspannbereichs und der Membran ab.
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Des weiteren kann vorgesehen sein, dass die konvexe Erhöhung in ihrem Querschnitt aus mindestens zwei, insbesondere n, mit n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10, tangential ineinander übergehenden Kreisabschnitten gebildet ist.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die konvexe Erhöhung mehrer abgerundete „Wellenberge“ umfasst. Dies hat insbesondere den Vorteil, eine strukturiertes Oberflächenprofil zu schaffen, das besonders gute Dichteigenschaften bereitstellt. Vorteilhaft ist dabei, dass es sich hierbei nicht um Kanten oder Absätze handelt, die bereitgestellt werden, sondern um ineinanderübergehenden Kurven.
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Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Kreisabschnitte unterschiedliche Radien aufweisen.
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Schließlich kann es vorgehen sein, dass mehr als eine konvexe Erhöhung vorgesehen ist, insbesondere m konvexe Erhöhungen, mit m = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10, wobei die mindestens eine weitere konvexe Erhöhung auf der dem Dosierraum gegenüberliegenden Seite der ersten konvexen Erhöhung angeordnet ist bzw. sind.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung beispielhaft erläutert sind, ohne dadurch die Erfindung zu beschränken.
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Dabei zeigt:
- 1: eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dosierpumpe.
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In 1 ist beispielhaft eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dosierpumpe 1 im Querschnitt gezeigt.
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Die Dosierpumpe 1 umfasst eine Membran 3, die einen Dosierraum 5 von einem Arbeitsraum 7 trennt. Über ein Einlassventil 9 wird ein Fluid in den Dosierraum 5 gesaugt und über ein Auslassventil 11 verlässt dieses den Dosierraum 5 wieder.
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Die Membran 3 selbst ist dabei in einem Einspannbereich E eingespannt und umfasst einen Arbeitsbereich A. Der Einspannbereich E verläuft dabei in Umfangsrichtung der Membran 3 von Außen nach Innen und der Arbeitsbereich A schließt sich im Dosierraum 5 an den Einspannbereich E an.
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Wie in der 1 gut erkennbar ist, weist der Einspannbereich E eine konvexe Erhöhung 13 auf. Die konvexe Erhöhung 13 ist dabei zum inneren Ende des Einspannbereichs E zugewandt und befindet sich am Übergang in den Arbeitsbereich bzw. vom Einspannbereich E in den Dosierraum 5.
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In der 1 ist gut erkennbar, dass die konvexe Erhöhung 13 tangential abfallend in den Dosierraum übergeht. Durch den tangentialen Verlauf entstehen keine Kanten oder Stellen , an den sich Reste vom Fluid unerwünscht ansammeln können und ein fließender Übergang zwischen konvexer Erhöhung 13 und Dosierraum 5 wird bereitgestellt.
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Des weiteren ist in 1 gezeigt, dass die konvexe Erhöhung 13 eine Höhe von 5% bis 30% der Dicke der Membran 3 gegenüber dem benachbarten Einspannbereich E der Dosierpumpe 1 aufweist.
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Die in der voranstehenden Beschreibung, den Ansprüchen sowie den Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
