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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dosiermembranpumpe mit einem Dosierraum, einem Arbeitsraum und einer Dosiermembran, wobei Dosierraum und Arbeitsraum durch die Dosiermembran voneinander getrennt sind, und eine Einrichtung zum Hin- und Herbewegen der Dosiermembran zwischen einer ersten und einer zweiten Position vorgesehen ist. Dabei ist in einer ersten Position das Volumen des Dosierraums kleiner als in der zweiten Position.
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Wenn der Dosierraum über geeignete Ventile mit einem Sauganschluss und einem Druckanschluss verbunden ist, kann bei der Bewegung der Dosiermembran von der ersten in die zweite Position Dosiermedium über den Sauganschluss in den Dosierraum gesaugt werden und bei der umgekehrten Bewegung der Dosiermembran von der zweiten Position in die erste Position über den Druckanschluss in einer am Druckanschluss angeordnete Leitung dosiert werden.
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Solche Dosiermembranpumpen sind seit vielen Jahren bekannt.
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Die bewegliche Dosiermembran muss in irgendeiner Form gehalten werden. In der Regel weist die Dosiermembran einen Randbereich auf, an dem sie eingespannt oder zwischen zwei Bauelementen eingeklemmt ist. Die Dosiermembran ist unmittelbar angrenzend an den Einklemm- bzw. Einspannbereich einer hohen Beanspruchung ausgesetzt, da die Dosiermembran immer abwechselnd in die eine oder die andere Richtung verbogen wird. Diese Wechselbiegung sorgt für einen ständigen Wechsel von Zug- und Druckspannung im Material. Daher kann es insbesondere in den Bereichen, die an den eingespannten Randbereich der Dosiermembran angrenzt, zu Einkerbungen, Rissen und dergleichen kommen, die schließlich zu einem vorzeitigen Bruch der Dosiermembran führen.
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Dadurch besteht die Gefahr, dass Dosierfluid vom Dosierraum in den Arbeitsraum austreten kann, was grundsätzlich nicht gewünscht ist. Zudem kann die Einrichtung zum Hin- und Herbewegen der Dosiermembran eine hydraulische Einrichtung sein, sodass in solch einem Fall sogar Hydraulikfluid vom Arbeitsraum in den Dosierraum und damit in das zu fördernde oder abzufüllende Produkt gelangen kann.
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Ein Bruch der Membran ist daher unbedingt zu vermeiden. Daher sind bereits mehrlagige Dosiermembrane mit einer Einrichtung zur Detektion von Dosierfluid zwischen den mehreren Lagen der Dosiermembran verwendet worden. Kommt es zu einem Bruch der dem Dosierraum zugewandten Lage, so dringt Dosierfluid zwischen die Lagen der Dosiermembran und kann dort, z.B. im Randbereich der Dosiermembran detektiert werden.
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Häufig wird bei Dosierpumpen ein hydraulischer Antrieb verwendet, bei dem ein sich im Arbeitsraum befindliches Hydraulikfluid oszillierend unter Druck gesetzt wird. Somit kann die Bewegung der Dosiermembran in Richtung der ersten Position durch Erhöhen des Hydraulikdruckes leicht bewirkt werden, die Rückbewegung der zweiten Position erfolgt jedoch im Wesentlichen aufgrund des über den Sauganschluss bereitgestellten Fluiddruck des zu fördernden Dosierfluids. Dies begrenzt den Anwendungsbereich der Pumpe, da am Sauganschluss immer ein bestimmter Mindestdruck anliegen muss, um eine zuverlässige Rückbewegung der Dosiermembran in die zweite Position und damit eine zuverlässige Funktion der Pumpe zu gewährleisten.
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Daher wird beispielsweise in der
DE 10 2019 135 153 A1 bereits die Verwendung einer einlagigen Dosiermembran aus einer Metallfolie beschrieben. Durch die Elastizität der Metallfolie kann die Membran selbst in einem gewissen Umfang eine Rückbewegung in die zweite Position vornehmen, ohne dass es hierzu eines entsprechenden Antriebes oder weiterer Federelemente bedarf. Zudem wird die Dosiermembran in eine Richtung vorgespannt, so dass der ständige Wechsel von Zug- und Druckspannung im Material entfällt und die Lebensdauer der Dosiermembran deutlich verbessert wurde. Die Verwendung einer Metallmembran schließt jedoch die Verwendung von mehrlagigen Membranen aus, da dann die Bewegung der Dosiermembran nachteilig behindert würde.
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Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Dosiermembranpumpe der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche die von der Dosiermembran vorgegebenen Bewegungseigenschaften aufweist und zugleich eine Membranbruchanzeige ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird dies durch eine Schutzmembran gelöst, die arbeitsraumseitig neben der Dosiermembran angeordnet ist.
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Mit anderen Worten wird keine mehrlagige Membran verwendet, sondern neben der Dosiermembran eine Schutzmembran angeordnet, welche für den Fall, dass es zu einem Bruch der Dosiermembran kommt, zuverlässig den Arbeitsraum gegenüber dem Dosierraum abdichtet. Diese Schutzmembran sollte möglichst nicht mit der Dosiermembran mechanisch gekoppelt sein, so dass die Dosiermembran in ihrem Bewegungsablauf nicht von der Schutzmembran gestört wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Dosiermembran aus einem elastischen Material, wobei die Dosiermembran vorzugsweise aus Metall besteht und zwar besonders bevorzugt aus einer ebenen Metallfolie.
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Die Verwendung einer Dosiermembran aus einem elastischen Material erlaubt es, die Rückstellkräfte der Dosiermembran zu verwenden, um die Membran von der ersten in die zweite Position zu bewegen. Grundsätzlich wäre es allerdings auch möglich, mit der elastischen Dosiermembran die Bewegung von der zweiten Position in die erste Position zu bewerkstelligen oder zu verstärken.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Schutzmembran aus einem anderen Material als die Dosiermembran hergestellt ist. Die Dosiermembran kann aus einem nicht elastischen Material und/oder aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen, und zwar vorzugsweise aus einem Kunststoff und besonders bevorzugt aus PTFE.
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Durch die Verwendung eines elektrisch isolierenden Materials kann beispielsweise mithilfe einer Kapazitätsmessung bestimmt werden, ob Dosierfluid zwischen der Dosiermembran und der Schutzmembran angeordnet ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform hat die Schutzmembran auf ihrer der Dosiermembran zugewandten Seite zumindest einen Schlitz oder eine Einfräsung. Dies ermöglicht es, dass die Schutzmembran direkt auf der Dosiermembran aufliegen kann und dennoch sich im Bereich des Schlitzes bzw. der Einfräsung Raum zur Aufnahme des aufgrund eines Membranbruches der Dosiermembran eindringenden Dosierfluids ergibt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Dosiermembraneinspannrichtung vorgesehen, welche zwei zueinander korrespondierende Dosiermembrankontaktflächen aufweist, zwischen denen ein Randbereich der Dosiermembran angeordnet ist. Die Dosiermembran besteht somit aus einem Randbereich, der eingeklemmt ist, und einem Walkbereich, der an der Bewegung der Dosiermembran zwischen der ersten und der zweiten Position teilnimmt.
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Dabei ist es von Vorteil, wenn in der Dosiermembraneinspannvorrichtung ausschließlich die Dosiermembran gehalten wird und nicht die Schutzmembran.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Schutzmembraneinspannvorrichtung vorgesehen, welche eine Schutzmembrankontaktfläche aufweist, zwischen welcher und der Dosiermembran ein Randbereich der Schutzmembran angeordnet ist. Dabei weist besonders bevorzugt die Schutzmembran auf ihrer der Dosiermembran zugewandten Seite zumindest einen Schlitz oder eine Einfräsung auf, welche sich bis in den Randbereich der Schutzmembran erstreckt.
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Dadurch kann eventuell in den Zwischenraum zwischen Dosiermembran und Schutzmembran eindringendes Dosierfluid bis in den Randbereich der Schutzmembran strömen und dort gegebenenfalls detektiert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Dosiermembrankontaktflächen von einem Mittelpunkt der Dosiermembran oder von dem Walkbereich der Dosiermembran weiter entfernt als die Schutzmembrankontaktfläche.
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Die Einspannung der Dosiermembran folgt somit völlig unabhängig von der Einspannung der Schutzmembran.
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Beispielsweise kann in der Schutzmembrankontaktfläche eine Bohrung vorgesehen sein, in welcher eine Membranbruchsignalisierungseinrichtung angeordnet ist. Membranbruchsignalisierungseinrichtungen sind prinzipiell bekannt. Beispielsweise kann die Schutzmembran derart ausgebildet sein, dass Dosierfluid in die Bohrung gelangen kann und dort detektiert wird. Alternativ könnte aufgrund des Eindringens des Dosierfluids die Schutzmembran im Bereich der Bohrung derart ausgestaltet sein, dass sie sich beim Eindringen des Dosierfluids in die Bohrung ausdehnt und diese Ausdehnung beispielsweise durch einen entsprechenden Schalter detektiert wird.
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In einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass zwischen Dosiermembran und Schutzmembran ein textiles Flächengebilde, vorzugsweise ein Gewebe, ein Gewirke oder ein Gestricke angeordnet ist. In diesem Fall kann auf die beschriebene Einfräsung bzw. die Schlitze verzichtet werden, da eventuell eindringendes Dosierfluid sich entlang des textilen Flächengebildes ausbreiten kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Einspannvorrichtung für das textile Flächengebilde vorgesehen, welche eine Kontaktfläche für das textile Flächengebilde aufweist, zwischen welcher und der Dosiermembran ein Randbereich des textilen Flächengebildes angeordnet ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Dosiermembrankontaktflächen von einem Mittelpunkt der Dosiermembran oder von dem Walkbereich der Dosiermembran weiter entfernt als die Kontaktfläche für das textile Flächengebilde und/oder die Kontaktfläche für das textile Flächengebilde ist von einem Mittelpunkt der Dosiermembran oder von dem Walkbereich der Dosiermembran weiter entfernt als die Schutzmembrankontaktfläche.
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Somit haben Dosiermembran, Schutzmembran und textile Flächengebilde separate Einspannvorrichtungen, sodass weder die Schutzmembran noch das textile Flächengewebe das elastische Verhalten der Dosiermembran nachteilig beeinflussen können.
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In einer bevorzugten Ausführungsform hat die Dosiermembranpumpe einen Dosierkopf und einen Antriebskopf, die jeweils zueinander korrespondierende Flächen aufweisen, welche die Dosiermembrankontaktflächen bilden, wobei vorzugsweise der Antriebskopf zusätzlich die Schutzmembrankontaktfläche und besonders bevorzugt auf die Kontaktfläche für das textile Flächengebilde aufweist. Die Dosiermembran, das textile Flächengebilde und die Schutzmembran werden daher zwischen Dosierkopf und Antriebskopf angeordnet und entsprechend eingeklemmt.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Dosiermembrankontaktflächen derart ausgebildet, dass die Dosiermembran in Richtung der ersten oder zweiten Position vorgespannt wird, wobei vorzugsweise die Dosiermembrankontaktflächen konisch ausgebildet sind.
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Dies hat zur Folge, dass selbst dann, wenn keinerlei Druckdifferenz zwischen Arbeitsraum und Dosierraum besteht, bereits eine Kraft auf die Dosiermembran ausgeübt wird und diese elastisch verformt wird.
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Die Vorspannung sollte vorzugsweise derart gewählt werden, dass im Gegensatz zu den Dosiermembranen des Standes der Technik sich die Dosiermembran nicht mehr um einen entspannten Zustand, sondern lediglich zwischen zwei Positionen die beide in dieselbe Richtung vorgespannt sind, bewegen. Dadurch entfällt die Wechselbiegung und damit ein ständiges Belasten und Entlasten der Randbereiche der Dosiermembran, wenn diese von einem nach außen gewölbten Zustand in einem nach innen gewölbten Zustand übergeht. Darüber hinaus wird durch diese Maßnahme sichergestellt, dass während des Saughubes immer eine Kraft in Richtung der zweiten Position auf die Dosiermembran ausgeübt wird, sodass die Dosierpumpe mit sehr niedrigen Dosierfluiddruck hydraulisch angetrieben werden kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung zweier bevorzugter Ausführungsformen und der zugehörigen Figuren. Es zeigen:
- 1 eine schematische Querschnittsansicht durch eine Dosiermembran und deren Einspannung aus dem Stand der Technik,
- 2 eine schematische Detailquerschnittsansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
- 2a eine schematische Draufsicht auf eine Schutzmembran und
- 3 eine schematische Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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Der grundsätzliche Aufbau der beschriebenen Dosierpumpe ist dem Fachmann bekannt. 1 zeigt daher lediglich eine Querschnittsansicht einer Dosiermembran 5, die einen Dosierraum 1 von einem Arbeitsraum 2 trennt. Die Dosiermembran 5 ist in ihren Randbereichen zwischen der Einspannvorrichtung 3, 4 eingespannt. Die Einspannvorrichtung 3, 4 besteht aus zwei zylinderförmigen Elementen 3, 4 mit einander zugewandten Kontaktflächen, zwischen denen der Randbereich der Dosiermembran 5 eingeklemmt wird. Da die Kontaktflächen in der gezeigten Ausführungsform konusförmig mit einem Konuswinkel α ausgebildet sind, biegt sich die Dosiermembran 5 in der in 1 gezeigten Situation nach links, wenn die beiden zylinderförmigen Elemente 3, 4 der Einspannvorrichtung aufeinander zubewegt werden und der Randbereich der Membran eingeklemmt wird. Durch die gezeigte Einspannvorrichtung wird die elastische Dosiermembran somit in der in 1 nach links vorgespannt.
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In der bevorzugten Ausführungsform ist der Arbeitsraum 2 mit einem Hydraulikfluid gefüllt, welches mithilfe einer entsprechenden Vorrichtung, wie z.B. einem angetriebenen Kolben, mit einem Druck beaufschlagt werden kann. Steigt der Druck in dem Arbeitsraum 2 über den Druck in dem Dosierraum 1 an, so wird die Dosiermembran 5 noch weiter nach links bewegt. Diese Position ist schematisch mit der gestrichenen Linie 5` dargestellt. Wird der Druck im Arbeitsraum 2 erniedrigt, bewegt sich die Membran wieder zurück in die Position, die mit der durchgezogenen Linie 5' dargestellt ist.
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Zwar wird durch die hier beschriebene Vorspannung eine Wechselbiegung der Membran vermieden, was die Lebensdauer der Membran erheblich erhöht, dennoch kann es in Ausnahmefällen zu einem Membranbruch kommen, der aufgrund der einlagigen Ausführungsform nicht detektiert werden kann.
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In 2 ist daher in einer Teilschnittansicht eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dosiermembran gezeigt. Die Dosiermembran 12 ist hier in ähnlicher Weise mit ihrem Randbereich zwischen zwei Elementen 11 und 13 eingeklemmt. Das Element 11, welches beispielsweise durch den Dosierkopf bereitgestellt werden kann, weist eine Dosiermembrankontaktfläche 18 auf, an welcher der Randbereich der Dosiermembran 12 anliegt. Das zweite Element 13, welches von dem Arbeitskopf oder Hydraulikkopf bereitgestellt werden kann, weist ebenfalls eine Dosiermembrankontaktfläche 18 auf, die direkt mit der Dosiermembran 12 in Kontakt steht. Die entsprechenden Dosiermembrankontaktflächen sind auch hier konisch ausgebildet, sodass die Dosiermembran 12 entsprechend vorgespannt ist, wie dies aus dem Stand der Technik bereits bekannt ist. Allerdings ist hier eine Schutzmembran 14 vorgesehen, die direkt hinter der Dosiermembran 12, d. h. in Richtung des Arbeitsraumes angeordnet ist. Diese Schutzmembran 14 erstreckt sich nicht soweit zwischen die beiden Elemente 11 und 13 wie die Dosiermembran 12. Das Element 13 weist die Schutzmembrankontaktfläche 19 auf, an welcher die Schutzmembran anliegt.
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Die Schutzmembran 14 hat, wie beispielsweise auch in 2a, welche eine schematische Draufsicht auf die Schutzmembran 14 im nicht eingespannten Zustand zeigt, vier Ausnehmungen 15, welche sich von dem Walkbereich 17 der Schutzmembran bis in den eingespannten Randbereich 16 der Schutzmembran 14 erstrecken. Sollte daher tatsächlich Dosierfluid durch die Dosiermembran 12 treten wird sich zwischen der Dosiermembran 12 und der Schutzmembran 14 ein Zwischenraum bilden, der mit Dosierfluid gefüllt wird. Aufgrund der Ausnehmungen 15 gelangt das Dosierfluid bis in den Schutzmembraneinspannbereich 16 und kann dort auf bekannte Weise detektiert werden.
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In 3 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Auch hier ist die Dosiermembran 23 zwischen zwei Elementen einer Einspanneinrichtung 21 und 22 in gleicher Weise wie in 2 und dem Stand der Technik eingespannt.
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Allerdings sind hier nun noch zwei weitere Elemente, nämlich ein textiles Flächengebilde 25 und die Schutzmembran 24 angeordnet. Das textile Flächengebilde 25 erstreckt sich nicht soweit zwischen die beiden Elemente 21 und 22 wie die Dosiermembran 23, sodass durch das textile Flächengebilde die Bewegungseigenschaften der Dosiermembran 23 nicht beeinflusst werden. Schließlich erstreckt sich die Schutzmembran 24 noch weniger weit zwischen die Elemente 21 und 22 wie das textile Flächengebilde 25. Die Dosiermembran 23 ist zwischen den Dosiermembrankontaktflächen 26 eingespannt. Das als Gewebe ausgebildete textile Flächengebilde 25 ist zwischen der Kontaktfläche 27 für das textile Flächengebilde und der Dosiermembran 23 eingespannt. Die Schutzmembran 24 ist zwischen der Schutzmembrankontaktfläche 28 und dem textilen Flächengebilde 25 eingespannt.
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Aufgrund des Vorhandenseins des textilen Flächengebildes 25 kann auf entsprechende Ausnehmungen oder Einfräsungen in der Schutzmembran 24 verzichtet werden, da eventuell eintretendes Dosierfluid in dem textilen Flächengebilde 25, welches vorzugsweise als Gewebe ausgebildet ist, bis in den Einspannbereich des textilen Flächengebildes 25 gelangen kann und dort auf die bekannte Art und Weise detektiert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Dosierraum
- 2
- Arbeitsraum
- 3, 4
- Einspannvorrichtung, zylinderförmige Elemente
- 5, 5`, 12, 23
- Dosiermembran
- 14, 24
- Schutzmembran
- 11,13, 21, 22
- Einspanneinrichtung
- 15
- Ausnehmungen
- 16
- Randbereich
- 17
- Walkbereich
- 18,26
- Dosiermembrankontaktfläche
- 19, 28
- Schutzmembrankontaktfläche
- 25
- textiles Flächengebilde
- 27
- Kontaktfläche für das textile Flächengebilde
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019135153 A1 [0008]
