DE10316395A1 - Membranpumpe - Google Patents

Abstract

Membranpumpe mit einem mehrteiligen Pumpenkörper, wenigstens umfassend drei starre Platten (201, 203, 205) und mindestens zwei zwischen diesen Platten (201, 203, 205) angeordnete elastische Membranen (204, 202), wobei die Platten (201, 203, 205) mindestens eine Pumpkammer (211) und mindestens zwei Absperrkammern (210, 212), insbesondere in der Geometrie eines Kugelabschnitts, einer Kugelzone, eines Zylinders oder abgestumpften Kegels, mit je einer Einlass- (240) und einer Auslassöffnung (241) für das Fördergut bilden und die Pumpkammer (211) und Absperrkammern (210, 212) zusammen mit einem Einlasskanal (207), den Verbindungskanälen (208) und (209) sowie einem Auslasskanal (206) einen Durchlasskanal bilden, wobei die Pumpkammer (211) und die Absperrkammern (210, 212) durch die Membranen (204, 202) in je einen Produktraum (230, 231, 232) und einen Steuerraum (220, 221, 222) getrennt sind und die Steuerräume (220, 221, 222) Steuerleitungen (119, 120, 121) aufweisen, die mit einer Steuereinheit (100, 115) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Platte (205) stärker ausgebildet ist, wodurch der Steuerraum der Pumpkammer vergrößert ist und in diesem eine axial bewegliche Scheibe (1001) mit einseitig angesetzter verlängerter Gewindestange (1002) eingesetzt ist, so dass die einseitig angesetzte Gewindestange der beweglichen Scheibe bis außerhalb des Dosierkopfes verlängert ist und außerhalb der Pumpe manuell verstellt werden kann (1003) und dadurch die im ...

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membranpumpe auf Basis der DE-A 102 16 146 jedoch mit veränderbarem Hubvolumen was durch eine Dosiervorrichtung in Form eines Dosierkopfes erzielt wird und die Verwendung dieser Membranpumpe als steuerbares Ventil bzw. als steuerbare Mehrwege-Verteilerventile oder Mehrkomponenten-Verteilerventile.
• Aus DE-A 102 16 146 ist eine Membranpumpe mit einem mehrteiligen Pumpenkörper bekannt, die wenigstens aus drei starren Platten und wenigstens zwei zwischen diesen Platten angeordneten, elastischen Membranen besteht, wobei die Platten insbesondere eine Pumpkammer und mindestens zwei Absperrkammern mit je einer Einlass- und einer Auslassöffnung für das Fördergut bilden, und die Pumpkammern und Absperrkammern zusammen mit einem Einlasskanal den Verbindungskanälen sowie einem Auslasskanal einen Durchlasskanal bilden, wobei die Pumpkammer und die Absperrkammern durch die Membranen in je einen Produktraum und einen Steuerraum geteilt sind und die Steuerräume Steuerleitungen aufweisen, die mit einer Steuereinheit verbunden sind.
• Es hat sich beim Gebrauch der Membranpumpe gemäß DE-A 102 16 146 gezeigt, dass diese nicht immer den Anforderungen genügt, insbesondere dann, wenn Substanzen unterschiedlicher Dichte genau dosiert werden sollen oder die Membranpumpe als Mehrwegeventil eingesetzt werden soll.
• Es bestand daher die Aufgabe eine auf Basis der Membranpumpe gemäß DE-A 102 16 146 verbesserte Membranpumpe zu entwickeln, die stark miniaturisiert kleine Volumenmengen pro Zeiteinheit fördert und eine hohe Kurzzeit-Dosiergenauigkeit besitzt. Die Pumpe soll ein gutes Ansaugverhalten haben und gegen den Druck fördern, so dass selbst im nicht gefluteten Zustand des Pumpenkopfes ein Fördern gegen den Druck sowie ein Teilhubbetrieb möglich ist, aber auch jederzeit eine Probenentnahme des zu fördernden Gutes gestattet.
• Der Inhalt der DE-A 102 16 146 wird deshalb von der vorliegenden Anmeldung mit umfasst.
• Die Lösung der Aufgabe und Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein modular lamellenartig aufgebauter elektro-pneumatisch angetriebener Pumpenkopf gemäß 2, der mehrteilig aus mindestens drei starren Platten (Lamellen) (201, 203, 205) und mindestens zwei zwischen diesen Platten angeordneten elastischen Membranen (204, 202) besteht, wobei die Platten (201, 203, 205) mindestens eine Pumpkammer (211) und mindestens zwei Absperrkammern (210, 212), insbesondere in der Geometrie eines Kugelabschnitts, einer Kugelzone, eines Zylinders oder abgestumpften Kegels, mit je einer Einlass- (240) und einer Auslassöffnung (241) für das Fördergut bilden, und die Pumpkammer (211) und die Absperrkammern (210, 212) zusammen mit einem Einlasskanal (207), den Verbindungskanälen (208) und (209) sowie einem Auslasskanal (206) einen Durchlasskanal bilden, wobei die Pumpkammer (211) und die Absperrkammern (210, 212) durch die Membranen (204, 202) in je einen Produktraum (230, 231, 232) und einen Steuerraum (220, 221, 222) getrennt sind und die Steuerräume (220, 221, 222) Steuerleitungen (119, 120, 121) aufweisen, die mit einer Steuereinheit (100, 115) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Platte (205) stärker oder dicker ausgebildet ist, wodurch der Steuerraum der Pumpkammer vergrößert ist und in diesen eine axial bewegliche Scheibe (1001) mit einseitig angesetzter verlängerter Gewindestange (1002) eingesetzt ist, so dass die einseitig angesetzte Gewindestange der beweglichen Scheibe bis außerhalb des Dosierkopfes verlängert ist und außerhalb der Pumpe manuell verstellt werden kann (1003) und dadurch die im Steuerraum befindliche Scheibe (1001) axial bewegt wird und den möglichen Membranweg in der Pumpkammer reduziert oder vergrößert, so dass das dosierte Flüssigkeitsvolumen pro Förderhub variierbar ist und die Pumpe in einem Teilhubbetrieb arbeitet ohne dass das Totraumvolumen im Produktraum vergrößert wird.
• Die Erfindung betrifft ferner eine Membranpumpe gemäß 1 mit einem mehrteiligen Pumpenkopf der aus wenigstens drei starren Platten (Lamellen) (201, 203, 205) und mindestens zwei zwischen diesen Platten (201, 203, 205) angeordneten elastischen Membranen (204, 202) besteht, wobei die Platten (201, 203, 205) mindestens eine Pumpkammer (211) und mindestens zwei Absperrkammern (210, 212), insbesondere in der Geometrie eines Kugelabschnitts, einer Kugelzone, eines Zylinders oder abgestumpften Kegels, mit je einer Einlass- (240) und einer Auslassöffnung (241) für das Fördergut bilden, und die Pumpkammer (211) und die Absperrkammern (210, 212) zusammen mit einem Einlasskanal (207), den Verbindungskanälen (208) und (209) sowie einem Auslasskanal (206) einen Durchlasskanal bilden, wobei die Pumpkammer (211) und die Absperrkammern (210, 212) durch die Membranen (204, 202) in je einen Produktraum (230, 231, 232) und einen Steuerraum (220, 221, 222) getrennt sind und die Steuerräume (220, 221, 222) Steuerleitungen (119, 120, 121) aufweisen, die mit einer Steuereinheit (100, 115) verbunden sind, die äußere Platte (205) stärker oder dicker ausgebildet ist, wodurch der Steuerraum der Pumpkammer vergrößert ist und in diesen eine axial bewegliche Scheibe (1001) mit einseitig angesetzter verlängerter Gewindestange (1002) eingesetzt ist, so dass die einseitig angesetzte Gewindestange der beweglichen Scheibe bis außerhalb des Dosierkopfes verlängert ist und außerhalb der Pumpe manuell verstellt werden kann (1003) und dadurch die im Steuerraum befindliche Scheibe (1001) axial bewegt wird und den möglichen Membranweg in der Pumpkammer reduziert oder vergrößert, so dass das dosierte Flüssigkeitsvolumen pro Förderhub variierbar ist und die Pumpe in einem Teilhubbetrieb arbeitet ohne dass das Totraumvolumen im Produktraum vergrößert wird, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine dezentrale elektro-pneumatische Steuereinheit zum Antrieb des Pumpenkopfes aufweist.
• Die erfindungsgemäße Membranpumpe bestehend aus dem erfindungsgemäßen Pumpenkopf und der dezentralen Steuereinheit erlaubt das Fördern kleiner Volumenmengen pro Zeiteinheit, besitzt eine hohe Kurzzeit-Dosiergenauigkeit, zeigt ein gutes Ansaugverhalten, kann selbst in nicht geflutetem Zustand des Pumpenkopfes gegen Druck fördern und erlaubt zudem jederzeit den Teilhubbetrieb. Die erfindungsgemäße Membranpumpe erlaubt in den verschiedensten Anwendungen das Fördern von Flüssigkeiten mit einem Viskositätsbereich von 0,001 Pas bis 10 Pas, bevorzugt 0,001 bis 5 Pas und besonders bevorzugt von Flüssigkeiten mit einer Viskosität von 0,001 bis 2 Pas.
• Die durch Verdrehung in axialer Richtung bewegliche Scheibe (1001) im Steuerraum der Pumpkammer (211) ermöglicht, dass der maximale Hubweg der fördernden Pumpenmembran (204) verkleinert oder vergrößert wird, so dass ein Pumpen in einem Teilhubbetrieb möglich ist. Zusätzlich erfolgt eine Reduzierung der Membranbelastung, so dass je nach eingesetztem elastischen Material die auftretende bleibende Verformung durch Veränderung des Membran-Hubweges ausgeglichen wird.
• Die axial bewegliche Wand (1001) innerhalb des Steuerraumes der Pumpkammer variiert die Membranbewegung in axialer Richtung in einem Bereich von 1 % bis zu 100 % des konstruktiv größten Hubweges, bevorzugt erfolgt die Begrenzung von 10 % bis 100 % und besonders bevorzugt erfolgt die Begrenzung in einem Bereich von 20 % bis 100 % des Hubweges, ohne dabei das Totraumvolumens der Pumpkammer zu vergrößern.
• Die axiale Scheibenverstellung innerhalb des Steuerraumes der Pumpkammer kann in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung am Verstellrad (1003) auch automatisch bzw. ferngesteuert erfolgen, wenn ein elektrisch betriebener Motor, ein hydraulischer oder ein pneumatischer Antrieb montiert wird.
• Ein automatisch einstellbarer Teilhub der Pumpmembran bildet einen Aktor, so dass in Kombination mit einem Durchflusssensor eine Durchflussregelung aufgebaut werden kann.
• Die eingestellte Förderleistung der pneumatischen Pumpe, kann beispielsweise mit einer Waage kontrolliert werden. Entstehen Abweichungen von der vorgegebenen Dosierleistung, sendet die Waage ein Signal zum überwachenden Regler, und der Regler ein Steuersignal zum Antrieb, der die an der Abtriebswelle befestigten Scheibe (1001) im Pumpensteuerraum in axialer Richtung verstellen kann und so eine Veränderung des Pumpenhubvolumens vornimmt um eine Korrektur der Pumpen-Förderleistung vorzunehmen.
• Die im Steuerraum eingesetzte axial bewegliche Scheibe (1001) kann zur Membranseite unterschiedliche Formen haben. Die Scheibe kann die Form einer ebenen Zylinderscheibe (2a), eines stumpfen Kegels (2b) oder die Form eines Kugelabschnittes (1001) haben. Insbesondere eine zur produktseitigen Vertiefung der Pumpkammer angepasste Form hat Vorteile dahingehend, dass bei maximaler Verstellung der beweglichen Scheibe die zuführenden und abführenden Verbindungskanäle (208/209) der Pumpkammer verschlossen werden.
• Die axial bewegliche Scheibe (1001) ist mit Öffnungen oder Bohrungen (1007) versehen und gegebenenfalls zusätzlich auf der Membran-abgewandten Seite mit einem konzentrisch erhabenen Ring (1008) versehen, so dass bei vollständiger Rückstellung der Scheibe der pneumatische Anschluss nicht verschlossen werden kann.
• Gegenüber der Membranpumpe gemäß DE-A 102 16 146 zeigt diese erfindungsgemäß verbesserte Membranpumpe ein einfacheres Einstellen bzw. Variieren der Dosierleistung und der zu fördernden Volumenströme. Die Anwendung des Teilhubbetriebes gilt für Pumpkammern mit einem Hubvolumen von größer 10 μl/Hub bis zu 100 000 μl/Hub. Die erfindungsgemäße Membranpumpe ist aufgrund unterschiedlicher Korrosionsanforderungen in der chemischen Industrie aus diversen resistenten Werkstoffen preiswert herstellbar. Reparatur und Wartung sind einfach und preiswert.
• Die Auslegung der Steuerung oder Antriebstechnik der erfindungsgemäßen Membranpumpe hat keinen Einfluss auf die Pumpenkopfgröße und die Integrationsmög lichkeit in einem miniaturisierten Versuchsanlagenaufbau. Die erfindungsgemäße Membranpumpe lässt sich modular aufbauen, so dass durch entsprechende Ergänzungen oder Austausch von Modulteilen, eine leichte Aufgabenanpassung an das zu fördernde Gut erfolgen kann. Die Änderung der Dosierleistung erfolgt ohne dass der Verdrängerweg der Membran bzw. der beweglichen Scheibe (1001) im Pumpenkopf das Totvolumen vergrößert, so dass das angesaugte Flüssigkeitsvolumen zu jeder Zeit vollständig aus dem Pumpenkopf verdrängt wird.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Membranpumpe bzw. des Pumpenkopfes, ist der Steuerdruck auf der Membran in allen Steuerräumen durch einen der Steuereinheit vorgeschalteten Druckregler mindestens um 0,1 bar höher, als der herrschende Druck am Auslasskanal des Pumpenkopfes, bevorzugt ist der Steuerdruck mindestens um 0,5 bar höher und besonders bevorzugt ist der Steuerdruck um 1 bar höher als der zu erwartende Druck am Auslasskanal.
• Der höhere Differenzdruck zwischen Auslasskanal (206) und steuerseitigem Druck stellt das dichte Verschließen der jeweiligen Einlassöffnungen in den Kammern durch die Membran sicher.
• Die Membranen (202, 204) bestehen bevorzugt aus einem elastischen Material, insbesondere einem Elastomer, Silikon, Viton^®, Teflon^® oder einem Kautschuk.
• Eine bevorzugte Ausführung der Membranen ist dadurch gekennzeichnet, dass diese aus einem elastischen Schichtstoff bestehend aus mindestens zwei miteinander verbundenen Materialschichten mit unterschiedlichem Elastizitätsmodul bestehen. Die einzelnen Schichten werden untereinander verklebt bzw. verbunden. Prinzipiell ist dieses Merkmal auch auf eine Membranpumpe gemäß DE-A 102 16 146 anwendbar.
• So kann beispielhaft eine dünne Teflon^®-Folie mit einem hochelastischen Kautschuk verbunden werden, um benötigte Rückstellkräfte des Membranschichtstoffes zu erhöhen , und so einen bei der Flüssigkeitsverdrängung verformten Membranschichtstoff mit geringer Hilfsenergie in den ursprünglichen Zustand zurückzuformen.
• Eine bevorzugte Ausführung der eingesetzten Membranen ist dadurch gekennzeichnet, dass dünne elastische Folien teilweise gekammert sind und die Bauteile bzw. die Komponenten für eine Membran-Kammerung aus korrosionsfesten Werkstoffen bestehen und bis zu 30 % der produktberührten Membranfläche kammern, bevorzugt bis 65 % und besonders bevorzugt bis 80 % der produktberührten Membranfläche kammern.
• Die Verwendung einer gekammerten Membran reduziert die bei Belastung auftretende plastische Verformung, so dass bei hoher mechanischer Belastung die plastische oder bleibende Membranverformung extrem gering bzw. einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Dosiergenauigkeit hat. Die zwei plattenförmigen Membrankammerelemente 3 (1100, 1101) sind vorzugsweise scheibenförmig, und haben am äußeren Durchmesser einen konzentrischen zur Membranseite ausgebildeten erhabenen Ring (1102, 1103), so dass große Membran-Flächenanteile eingespannt sind und im gekammerten Bereich keiner Verformungskraft bzw. Dehnkraft unterliegen.
• Vorzugsweise werden Kammerelemente bei einem Membran-Durchmesser von größer 10 mm bis kleiner 1000 mm eingesetzt, vorzugsweise in einem Durchmesserbereich von größer 20 mm bis kleiner 800 mm und besonders bevorzugt in einem Durchmesserbereich von größer 25 mm bis kleiner 200 mm eingesetzt.
• Besonders vorteilhaft ist eine bevorzugte Ausführung der Membranpumpe bzw. des Pumpenkopfes dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpkammer und die Absperrkammern mit zugeordneten gekammerten Membranen versehen sind.
• Besonders vorteilhaft ist eine bevorzugte Ausführung der Membranpumpe bzw. des Pumpenkopfes, dadurch gekennzeichnet, dass nur die Pumpkammer mit einer gekammerten Membran versehen ist (3).
• Sind große Flächenanteile der Membran gekammert, so kann die produktseitige Fläche (1104) der Membran-Kammerkomponente mit einer elastischen Schicht oder Folie (1105) beschichtet sein, um zuführende und oder abführende Verbindungskanäle der Pumpkammer dicht zu verschließen (siehe 3).
• Besonders vorteilhaft ist eine bevorzugte Ausführung der Membranpumpe bzw. des Pumpenkopfes, bei der mehrere Absperrkammern eine gemeinsame Membran aufweisen (1).
• Eine bevorzugte Ausführung der Membranpumpe bzw. des Pumpenkopfes ist dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpenkopf aus mindestens drei Platten besteht und die Pump- und Absperrkammern durch Vertiefungen in den Platten gebildet sind (2).
• In einer besonders bevorzugten Bauform besteht die Membranpumpe bzw. der Pumpenkopf aus mindestens drei Platten und die Pump- und Absperrkammern (210, 211, 212) sind durch Vertiefungen in der mittleren Platte gebildet.
• Eine andere besonders bevorzugte Form der Membranpumpe bzw. des Pumpenkopfes ist dadurch gekennzeichnet, dass dieser/diese aus mindestens drei Platten besteht und die Pump- und Absperrkammern durch Vertiefungen (210, 211, 212) in den äußeren Platten gebildet sind.
• In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Membranpumpe bzw. des Pumpenkopfes, befindet sich zumindest im Produktraum der Pumpkammer (231) eine Nut (213), die den Scheitelpunkt der Pumpkammer-Vertiefung mit der Auslassöffnung der Pumpkammer verbindet.
• In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die der Membran gegenüberliegenden Wände der Steuerräume, zumindest jedoch in der Pumpkammer, ein Ausgleichsvolumen in Form einer flächigen Vertiefung auf. Dadurch kann sich die Membrane bei anstehenden Unterdruck im Steuerraum anschmiegen, gleichzeitig erfolgt eine Vergrößerung des jeweiligen Produktraumes (beispielhaft dargestellt in 1 im Produktraum der Absperrkammer (212)).
• In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Membranpumpe bzw. des Pumpenkopfes beträgt das Ausgleichsvolumen höchstens 100 % des jeweiligen zugehörenden Produktraumvolumens, bevorzugt beträgt das Ausgleichsvolumen höchstens 20 %, und besonders bevorzugt beträgt das Ausgleichsvolumen höchstens 10 % des Produktraumvolumens.
• Das Ausgleichsvolumen beschreibt den Raum, in den sich die vorhandene Membran bei anstehendem Unterdruck hinein verformt. Ist das Ausgleichsvolumen vergrößert und mit einer verstellbaren Scheibe (1001) ausgerüstet, dann hat das Ausgleichsvolumen durch axiale Verstellung der beweglichen Scheibe (1001) keinen Einfluss auf das produktseitige Vertiefungsvolumen der Pumpkammer.
• Typischerweise sind die Produkträume der Absperrkammern (210, 212) kleiner als der Produktraum der Pumpkammer (211) ausgeführt.
• In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Membranpumpe bzw. des Pumpenkopfes beträgt das Absperrkammervolumen weniger als 50 % des produktseitigen Pumpkammervolumens, bevorzugt weniger als 30 % und besonders bevorzugt weniger als 15 %. Prinzipiell ist dieses Merkmal auch auf eine Membranpumpe gemäß DE-A 102 16 146 anwendbar Der Mittenabstand des jeweils benachbarten Einlasses und des Auslasses jeder Pump- oder Absperrkammer beträgt das zwei- bis zehnfache des größten hydrau lischen Durchmessers der jeweiligen Einlass- (240) oder Auslassöffnung (241), bevorzugt beträgt der Mittenabstand das zweifache bis fünffache und besonders bevorzugt das zwei- bis dreifache.
• Der definierte Mittenabstand ist ein wichtiges Funktionsmaß der Kammern. Er sorgt für ein dichtes Verschließen der zu- und abführenden Kanäle bzw. Öffnungen und erhöht das reproduzierbare Fördern von gasförmigen oder flüssigen Substanzen und nimmt Einfluss auf den Miniaturisierungsgrad.
• Die Verbindungskanäle (208, 209) zwischen der Pumpkammer und den Absperrkammern sind in einer bevorzugten Ausführung gerade ausgebildet und weisen ein Verhältnis von Kanallänge zum jeweiligen hydraulischen Durchmesser der Kanäle von höchstens 20, bevorzugt höchstens 10, besonders bevorzugt höchstens 5, auf.
• Eine weitere besonders bevorzugte Form der Membranpumpe bzw. des Pumpenkopfes ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskanäle und Teilabschnitte des Einlass- und Auslasskanals unter einem Winkel α stehen, wobei der Winkel α in einem Bereich von +/- 20 bis 70 Grad, bevorzugt in einem Bereich von +/- 30 bis 60 Grad liegt (3b).
• Die unter einem Winkel stehenden Kanäle und Kanalabschnitte vermindern Strömungsverluste während des Ansaug- und Fördervorgangs. Eine Druckverlustminderung ist besonders vorteilhaft, weil Strömungsvorgänge in der erfindungsgemäßen Membranpumpe bzw. im Pumpenkopf durch sprunghaft wechselnde Veränderungen von Druck und Vakuum eingeleitet werden. Prinzipiell ist dieses Merkmal auch auf eine Membranpumpe/Pumpenkopf gemäss DE-A 102 16 146 anwendbar.
• Das geringe Totraumvolumen zwischen Pump- und Absperrkammern verbessert die Ansaugleistung der Membranpumpe bzw. des Pumpenkopfes.
• Eine weitere besonders bevorzugte Form der Membranpumpe/des Pumpenkopfes ist dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpenkopf aus mindestens drei Platten besteht und mindestens eine äußere Platte temperierbar ausgebildet ist. Prinzipiell ist dieses Merkmal auch auf eine Membranpumpe/Pumpenkopf gemäß DE-A 102 16 146 anwendbar.
• Die Temperierung der äußeren Platte erfolgt durch Thermostatisierung oder durch eine elektrische Beheizung mit Kühleinrichtung.
• Die vorliegende Erfindung betrifft zudem bevorzugt eine Membranpumpe mit steuerbaren Ventilen und dezentraler Steuereinheit dadurch gekennzeichnet, dass im Pumpenkopf in Durchströmrichtung des Fluids der Einlasskanal mit durchströmter Absperrkammer und Verbindungskanal zur Pumpkammer einen größeren hydraulischen Querschnitt hat als der ableitende Verbindungskanal mit folgender Absperrkammer und Auslasskanal.
• Die vorliegende Erfindung betrifft besonders bevorzugt eine Membranpumpe mit steuerbaren Ventilen und dezentraler Steuereinheit dadurch gekennzeichnet, dass im Pumpenkopf das Volumen der Pumpkammer (211) im Bereich von 0,005 ml bis kleiner 1000 ml liegt, bevorzugt von 0,01 ml bis 100 ml und besonders bevorzugt beträgt das Volumen der Pumpkammer 0,1 ml bis kleiner 10 ml.
• Die vorliegende Erfindung betrifft ganz besonders bevorzugt eine Membranpumpe mit steuerbaren Ventilen und dezentraler Steuereinheit dadurch gekennzeichnet, dass im Pumpenkopf das Totraumvolumen des Produktraumes der Pumpkammer (211) kleiner 20 % ist, bevorzugt kleiner 10 % und besonders bevorzugt kleiner 5 % ist.
• Es ist auch möglich, zwei Pumpenköpfe gemäß 2 miteinander so zu verbinden, dass man eine Membranpumpe mit steuerbaren Ventilen und dezentraler Steuereinheit bestehend aus drei Platten und in den Trennebenen der Platten befindliche Vertiefungen mit gemeinsamen Einlass- und Auslasskanälen sowie abgewinkelten Verbindungskanälen zwischen Pump- und Absperrkammern erhält, dadurch gekennzeichnet, dass in der mittleren Platte beidseitig eine Pumpvertiefung (300) und mindestens zwei Absperrkammern (301, 305) eingebracht sind und der Einlasskanal in ansaugender Durchströmrichtung auf einen Verbindungskanal mündet der zwei Absperrkammern (301, 301') verbindet, und in ableitender Strömungsrichtung ebenfalls der Verbindungskanal zwei Absperrkammern verbindet und über den Auslasskanal ein zu fördernder Stoff aus dem Pumpenkopf austreten kann und in Verbindung mit der dezentralen Steuerung die Betätigung aller Pump- und Absperrkammern so geschaltet wird, dass die Funktion einer Doppelmembranpumpe mit steuerbaren Ventilen erbracht wird (3a).
• Die jeweils einer Pumpkammer zugeordneten Absperrkammern müssen dabei im Steuerungsablauf zeitlich versetzt angesteuert werden, so dass die auftretenden Pulsationen halbiert werden.
• Die drei Platten dieser Membranpumpe gemäß 3a sind zu Reinigungs- und Reparaturzwecken vorzugsweise lösbar miteinander verbunden.
• Eine weitere bevorzugte Form der Membranpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe aus mindestens drei Platten besteht und in der mittleren Platte (4 oder 4a) mindestens eine Pumpkammer vorgesehen ist und zu jeder Pumpkammer mindestens drei kleinere Absperrkammern gehören und jede Absperrkammer einen Verbindungskanal zur Pumpkammer und einen Einlass- oder Auslasskanal für die Zu- oder Ableitung mindestens eines Fluids besitzt und alle Kammern über eine dezentrale Steuereinheit separat ansteuerbar sind.
• Eine Pumpkammer, die über Verbindungskanäle mit mindestens zwei zuführenden Absperrkammern und mit mindestens einer abführenden Absperrkammer verbunden ist, ermöglicht das sequenzielle oder das alternierende Fördern von mindestens zwei verschiedenen Fluiden mit einer Pumpeinheit. So können beispielsweise einem Prozess zwei verschiedene Substanzen mit einer Pumpe zugeführt werden, wobei das Hubverhältnis der zu fördernden Substanzen gleich oder unterschiedlich sein kann.
• Die Vorteile des Anwenders bestehen darin, dass mit einer Dosiereinheit, bei niedrigem Investitions- und Montageaufwand sowie bei geringstem Raumbedarf mit einer Pumpeinheit mehrere Substanzen in einem gewünschten Verhältnis einem Prozess zugeführt werden können. Insbesondere bei Anwendungen im pharmazeutischen Bereich, wo geringe Totraumvolumina und eine Sterilisierbarkeit der eingesetzten technischen Komponenten gefordert ist, ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Membranpumpe besonders vorteilhaft.
• In einer alternativen Ausführungsform wird die erfindungsgemäße Membranpumpe bzw. der erfindungsgemäße Pumpenkopf als Fördervorrichtung eingesetzt. In diesem Fall eignet sich die erfindungsgemäße Membranpumpe bzw. der erfindungsgemäße Pumpenkopf zur Probenentnahme von Flüssigkeiten oder Gasen aus geschlossenen Apparaturen.
• In 7 ist beispielhaft eine Pumpenverschaltung zur Probenahme und -aufbereitung dargestellt. Zwei Membranpumpen (700, 700') ausgerüstet mit einer mittleren Platte (400, 400') gemäss 4 sind mit einer Mischkammer (701) kombiniert, so dass alle funktionellen Teile in den drei, jedoch vergrößerten, Pumpenplatten eingebracht sind. Die Membranpumpen haben eine Pumpkammer (702, 702') und jede Pumpkammer hat vier zugeordnete Absperrkammern (703, 704, 705, 706 und 703', 704', 705', 706'). Den Absperrkammern sind jeweils Einlasskanäle und Auslasskanäle (in der Fig. mit Flusspfeilen gekennzeichnet) zugeordnet. Für eine automatisierte Probenahme mit anschließender Aufarbeitung und Abtransport zu einem angeschlossenen Analysegerät sind in der 7 alle Komponenten dargestellt. Verzichtet wurde auf die Darstellung der Steuereinheit zur separaten Ansteuerung der Kammern und auf eine Schnittdarstellung der drei Platten.
• Aus der 7 ist zu erkennen, dass eine Substanzprobe angesaugt werden kann, wenn Einlasskanal (707) und Auslasskanal (708) an einem Reaktor angeschlossen sind. Über Einlasskanal (707), Ansaugventil (704), Pumpkammer (702), Druckventil (705) und Auslasskanal (708) der Pumpe (700) kann ständig eine Substanzmenge aus dem Reaktionsgefäß umgepumpt werden. Zu einem gewünschten Zeitpunkt schaltet die Steuerung beispielsweise um, so dass Druckventil (705) schließt und Ventil (706) öffnet und mit dem bekannten Pumpkammervolumen eine definierte Substanzmenge durch den Auslasskanal des Ventils (706) in die Mischkammer (701) überführt wird. Sobald die Probe überführt ist startet die Pumpe (700') um ebenfalls einen Umpumpkreislauf zur Mischkammer zu erzeugen. Dabei ist der Einlasskanal des Ventils (704') und der Auslasskanal des Ventils (705') mit der Mischkammer verbunden. Die Pumpe (700) kann nun, parallel zum in Betrieb genommenen Umpumpkreislauf der Mischkammer, über Einlasskanal (709) und Ventil (703) bei gleichzeitig geschlossenem Ventil (704) ein zusätzliches Verdünnungsmittel in die Mischkammer fördern, welches mit der Substanzprobe dort vermischt wird. Nach dem Mischprozess durch Pumpe (700') wird die verdünnte Substanzprobe zu einem möglichen Analysegerät gefördert. Dabei schließt das Ventil (705') und das Ventil (706') öffnet. Aufgrund der Summe aller zuführenden Pumphübe zur Mischkammer, kann mit gleicher Hubzahl die aufbereitete Probe über Auslasskanal (710) ausgeschleust und gegebenenfalls zur Analyse gefördert werden. Des Weiteren ist der Einlasskanal (709) verlängert bis zum Ventil (703'), so dass auch die zweite Pumpe nach dem Probentransport mit Verdünnungsmittel gespült werden kann, wenn entsprechende Ventile geschaltet werden.
• Die Fördervorrichtung weist ein geringes Totraumvolumen auf.
• Dieses geringe Totraumvolumen ist notwendig damit durch Ablagerung und Alterung der entnommenen Substanzen das Analysenergebnis nicht durch Altsubstanzen verfälscht wird, die produktbeaufschlagten Kanäle nicht verstopfen und eine hohe betriebliche Verfügbarkeit gegeben ist.
• Die erfindungsgemäße Fördervorrichtung gestattet eine exakte Probenentnahme und eine anwendernahe volumetrische Förderung von Flüssigkeiten, Gasen, bzw. verflüssigten Druckgasen. Sie ist für diese Zwecke besonders vorteilhaft, weil das Hubvolumen des Pumpenkopfes leicht an betriebliche Anforderungen anpassbar ist.
• Die erfindungsgemäße Membranpumpe/Fördervorrichtung wird mittels einer dezentralen elektro-pneumatischen Steuereinheit betrieben.
• Eine dezentrale elektro-pneumatische Steuereinheit wie in 1 ermöglicht aber auch eine synchrone Ansteuerung mehrerer Pumpenköpfe. Der parallele Betrieb mehrerer Pumpenköpfe mit nur einer Steuereinheit ermöglicht den wirtschaftlichen Einsatz der erfindungsgemäßen Membranpumpe/Fördervorrichtung beispielsweise in Abfüllanlagen aller Abfüllvorrichtungen. Die Erfindung betrifft deshalb auch Abfüllanlagen oder Abfüllvorrichtungen, die wenigstens eine erfindungsgemäße Membranpumpe enthalten.
• Eine dezentrale elektro-pneumatische Steuereinheit ermöglicht auch eine zeitlich versetzte Ansteuerung einzelner Pumpenköpfe, so dass im parallelen Betrieb mehrerer Pumpen eine reduzierte Pulsation auftritt.
• Durch die erfindungsgemäße Membranpumpe mit dezentraler elektro-pneumatischer Steuereinheit und verstellbarer Scheibe im Steuerraum der Pumpkammer ist ein wirtschaftlicher Einsatz bei gleichzeitig niedrigen Investitionskosten möglich. Das wird insbesondere sichtbar, wenn wechselnde Aufgabenstellungen unterschiedlich große Förderströme verlangen, die mit einem Pumpenkopftyp nicht abgedeckt werden können. Bei unterschiedlich großen Förderströmen muss nur der Pumpenkopf ausgetauscht werden, während der Steuerungsteil unverändert bleibt. Der Austausch des Pumpenkopfes erfolgt durch einfaches Abklemmen der pneumatischen Steuerleitungen.
• Die Steuerung für das Fördern mit der Membranpumpe ist bevorzugt so durchzuführen, dass ein Förderhub aus mindestens vier einzelnen hintereinander folgenden Steuerschritten besteht und jeder einzelne Steuerschritt mit einem zwischengeschalteten bzw. zugeordneten konstanten oder variierbaren Zeitglied zum darauf folgenden Steuerschritt getrennt ist und die Förder- bzw. Dosierleistung der Pumpe durch das Verändern von mindestens einem Zeitglied variiert werden kann.
• Die zwischen den Steuerschritten eingeflochtenen Zeitglieder stellen sicher, dass die pneumatisch ausgelösten Teilschritte des Pumphubes exakt und vollständig durchgeführt werden und die einzelnen Schritte reproduzierbar ablaufen. Das synchrone Verändern aller Zeitglieder zur Regulierung der Förderleistung sorgt für eine einfache bedienerfreundliche Handhabung der Pumpe.
• Die zur Steuerung gehörenden Zeitglieder T betragen vorzugsweise 0,001 Sekunden bis 100 Sekunden, bevorzugt liegt der Bereich zwischen 0,03 Sekunden bis 30 Sekunden und besonders bevorzugt beträgt das Zeitglied 0,03 Sekunden bis 10 Sekunden.
• Die Zeitglieder stellen sicher, dass die schnellen elektronischen Steuerungs-Signale (Signallaufzeit) die langsameren pneumatischen Arbeitsvorgänge zur Auslenkung der Membranen und dadurch die hydraulischen Verdrängungsvorgänge auf der produktberührten Seite der Membran nicht vorzeitig abgebrochen werden. Insbesondere wenn viskose Substanzen mit einer Viskosität von 0,1 mPas bis 5000 mPas gefördert werden, benötigen die fluiddynamischen Vorgänge mehr Zeit als die elektronisch ausgelösten Signale der Steuerung.
• Der Dosierzyklus besteht bevorzugt aus mindestens vier Steuerschritten und hat mindestens zwei unterschiedliche Zeitglieder, von denen nur ein Zeitglied veränderbar ist und zur Regulierung des Pumpenzyklusses benutzt wird.
• Zur zeitlichen Optimierung des Pumpzyklusses einer erfindungsgemäßen Membranpumpe können die pneumatischen Öffnungs- und Schließvorgänge der Membranen in den Absperrkammern mit einem nicht verstellbaren kleineren Zeitglied versehen werden und ein variierbares Zeitglied für die AUF/ZU-Schaltung der mittleren größeren Pumpkammer genutzt werden.
• Zwei verschiedene Zeitglieder sind insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Volumen der Absperrkammern kleiner ist als das Volumen der Pumpkammer.
• Insbesondere ausgehend von der elektro-pneumatischen Steuerung und den wechselnden pneumatischen Zuständen in den Steuerleitungen und -räumen der Membranpumpe, zwischen Unterdruck (Vakuum) bzw. einen drucklosen Zustand für den Öffnungsvorgang und erhöhtem Druck für den Schließvorgang der Kammern, ist es vorteilhaft mit verschiedenen Zeitgliedern zu arbeiten und somit die Leistungsfähigkeit der Pumpe zu steigern.
• Jedes Zeitglied ist in einer besonders bevorzugten Betriebsweise größer als die benötigte Schaltzeit der zugeordneten elektro-pneumatischen Mehrwege-Ventile in der Steuereinheit.
• In einer besonderen Ausführung der Steuerung ist das zugeordnete Zeitglied für die Membranen der Absperrkammern kleiner 0,15 Sekunden und bevorzugt kleiner 0,075 Sekunden und besonders bevorzugt kleiner als 0,05 Sekunden.
• An der elektronischen und der elektro-pneumatischen Steuereinheit sind bevorzugt mindestens zwei Membranpumpen parallel angeschlossen.
• Eine elektro-pneumatische Steuereinheit kann parallel mehrere Membranpumpen ansteuern, so dass die Pumpen mit gegebenenfalls unterschiedlichen großen Pumpkammern synchron verschiedene Substanzen in unterschiedlicher Menge zeitgleich dosieren können.
• Die Dicke der elastischen Membran ist bevorzugt größer als 0,1 mm und kleiner als 5 mm und die Höhe der Pump- und Absperrkammer im Bereich des Scheitelpunktes der Kammer (größte Ausdehnung über der Membran) ist insbesondere kleiner als das 10-fache der Membrandicke.
• Die konkaven Vertiefungen in den Platten können verschiedene geometrische Formen haben, wie z.B. die eines Zylinders, eines Kugelabschnittes oder eines Kegelstumpfes.
• Die Membranpumpe bzw. der Pumpenkopf weist bevorzugt für die saug- und druckseitige Absperrkammer kleinere Vertiefungen auf, als für die Pumpkammer, und alle Vertiefungen sind vollständig auf der Produktseite der Membranseite in der mittleren Platten angeordnet.
• Eine Variante der Membranpumpe bzw. des Pumpenkopfes besteht bevorzugt aus einer pneumatisch gesteuerten Pumpkammer, kombiniert mit zwei magnetbetriebenen Ventilen als Absperrkammern.
• Die in der Membranpumpe bzw. im Pumpenkopf eingesetzten Membranen sind vorzugsweise im Durchmesser größer ausgelegt als der Durchmesser der durch die Kammern in der Trennebene der Platten gebildet wird und besonders bevorzugt ist der Membrandurchmesser mindestens um 20 % größer.
• In einer weiteren alternativ bevorzugten Ausführungsform werden metallische Membranen als Pumpmembran verwendet und eingelegt oder unlösbar mit einer der Platten, insbesondere einer äußeren Platte schweißtechnisch verbunden.
• In einer weiteren besonderen Ausführungsform ist ein Pulsationsdämpfer in Strömungsrichtung hinter der druckseitigen Absperrkammer, insbesondere im Bereich des Auslasskanals der Membranpumpe bzw. des Pumpenkopfes angebracht.
• In einer weiteren besonderen Ausführungsform ist die Membranpumpe bzw. der Pumpenkopf mit einem integrierten federbelasteten Überströmventil ausgerüstet, um einen internen Produktkreislauf im Pumpenkopf zu erzeugen. Falls der angeschlossene Steuerungsdruck größer ist als der erwünschte Pumpendruck wird eine integrierte Entspannungsmöglichkeit von der Pumpendruckseite zur Pumpensaugseite geschaffen.
• In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführung sind in den drei starren Platten mindestens zwei Pumpeneinheiten, bestehend aus zwei Pumpkammern mit zugehörenden vier Absperrkammern zur Bildung eines Pumpensatzes nebeneinander angeordnet.
• Gegenstand der Erfindung ist auch ein Pumpensatz bestehend aus zwei oder mehr Membranpumpen, wobei die erfindungsgemäßen Membranpumpen eine gemeinsame Steuereinheit aufweisen.
• Bevorzugt ist ein Pumpensatz, bei dem die Pumpenköpfe gemeinsame durchgehende Platten aufweisen.
• In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung eine Membranpumpe, die als steuerbares Mehrkanal-Membranventil bestehend aus drei Platten genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verteilerkammer mit einem Einlasskanal über einen Verbindungskanal mit mindestens einer Absperrkammer, die einen Auslasskanal hat, verbunden ist und die Kammern gleich große Vertiefungen haben und separat ansteuerbar sind, so dass für die Durchleitung eines Stoffes mindestens zwei Kammern gleichzeitig in gewünschter Durchflussrichtung geöffnet sein müssen, und alle Kammern von einer dezentralen elektro-pneumatischen Steuereinheit betätigt werden.
• Insbesondere für die gleichmäßige Verteilung von Flüssigkeiten und Gasen auf eine Vielzahl von Verbrauchern eignet sich die erfindungsgemäße Membranpumpe als Mehrkanal-Membranventil, da es eine kompakte Bauform, kleinste Toträume und aufgrund der kleinen Steuerräume geringe Schaltzeiten hat um von der AUF-Stellung in die ZU-Stellung zu gelangen.
• Die erfindungsgemäße Membranpumpe als Mehrkanal-Verteilerventil kann bei verschlossenem Einlasskanal der Verteilerkammer als Verteilerventil genutzt werden um mehr als zwei verschiedene Flüssigkeiten zu einer Vielzahl von Abnahmestellen des Verteilerventils zu leiten. Dabei werden beispielsweise mindestens zwei Absperrkammern an unterschiedliche Fluidversorgungen angeschlossen, so dass eine Verteilung über die zentrale Verteilerkammer zu einer Vielzahl, mindestens mehr als zwei Absperrkammern mit zugeordneten Auslasskanälen möglich ist. In diesem Fall sind für die sequentielle Fluiddurchleitung drei Kammern geöffnet. Im ruhenden Zustand sind mindestens zwei Kammern des Mehrkanal-Verteilerventils geschlossen (6a).
• Wird die erfindungsgemäße Membranpumpe als Mehrkanal-Verteilerventil für die Verteilung von mindestens zwei verschiedenen Fluiden zu mehreren Verbrauchern eingesetzt, kann auch von sendenden und abgebenden Absperrkammern gesprochen werden.
• Dadurch ist gewährleistet, dass im ruhenden Zustand zwischen mehreren separaten Sendekanälen und mehreren separaten Empfängerkanälen eine zusätzliche Sicherheitsabsperrung vorhanden ist
• Im Falle des Einsatzes der Membranpumpe als Mehrkanal-Verteilerventil kann die Betätigung der Membranen in AUF- oder ZU-Stellung pneumatisch, elektrisch oder mit einer Hydraulikflüssigkeit erfolgen.
• Mit der erfindungsgemäßen Membranpumpe mit ansteuerbarem Ansaug- und Druckventil bzw. ansaugseitiger und druckseitiger Absperrkammer können je nach Ausführungsgröße sehr kleine Volumenströme von <5μl/Hub aber auch Volumenströme bis in den ml-Bereich pro Hub reproduzierbar gefördert werden. Besonders vorteilhaft ist der getrennte Aufbau zwischen eigentlicher Pumpeinheit bzw. Pumpenkopf und der dezentralen elektrischen bzw. elektro-pneumatischen Steuereinheit. Dadurch ist der erforderliche Platzbedarf für ein kontinuierlich arbeitendes Fördergerät in einer stark miniaturisierten Versuchsanlage für Screening-Arbeiten sehr gering. Dieses Pumpenprinzip arbeitet ohne mechanisches Getriebe und die benötigten Bauteile des Pumpenkopfes haben keine dynamische Funktion, bis auf das Auslenken der Membran im Bereich der Absperr- und Pumpkammer. Somit ist selbst für eine miniaturisierte Ausführung der Pumpenbauteile keine Präzisionsfertigung nötig. Mechanische Störungseinflüsse sind aufgrund fehlender mechanischer Teile nicht vorhanden und die Fertigungskosten sind für diesen reproduzierbar arbeitenden Membranpumpenkopf erheblich minimiert. Die Pumpe benötigt lediglich eine Strom- und eine Druckluftversorgung um arbeiten zu können; diese sind beispielsweise in jedem Labor vorhanden.
• Besonders vorteilhaft ist die Anwendung der Membranpumpe für die Dosierung von sehr kleinen flüssigen Substanzmengen, deren Volumen pro Pumphub wesentlich unter der spezifischen Tropfengröße liegt. Durch das schnelle Ausbringen der pneumatischen Förderenergie auf die Steuerseite der Verdrängermembran der Pumpkammer wird das angesaugte Produktvolumen in der Pumpkammer aus dem Produktraum der Kammer und dem Auslasskanal herausgeschleudert und es bildet sich kein Tropfen an der Abgabestelle der Pumpe. Dadurch wird eine Dosierung von kleinen Flüssigkeitsmengen in ein Reaktionsgemisch zeitlich nicht verzögert und ein Syntheseverlauf wird synchron mit der Dosierung gestartet.
• Das Dosieren von kleinen Substanzmengen bei gegenläufigem Druck ist sehr gut durchführbar, da die Membranen der Absperrkammern und der Pumpkammer elastisch sind und die zu- und ableitenden Produktkanäle in ZU-Stellung der Kammern gasdicht schließen, so dass über die Gasphase eines angeschlossenen Druckgefäßes kein Stoff über die Auslassseite des Pumpenkopfes auf die Einlassseite der Pumpe zurück gedrückt wird und das Ansaugen bei Normaldruck nicht unterbrochen wird.
• Ein weiterer Vorteil gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, dass aufgrund des geringen Totraums und der dichten Absperr- und Pumpkammer ein zu dosierendes empfindliches Produkt ohne große Verweilzeit und Rückvermischung dem Bestimmungsort zugeführt wird.
• Insbesondere im Vergleich zur Mikrostrukturtechnik bieten sich Vorteile. Aufgrund der im Verhältnis zum Dosiervolumen großen Kanalabmessungen ist die Pumpe wenig empfindlich gegen Verschmutzung. Eine durch Produktverunreinigung hervorgerufene Störung, die sich durch einen größer werdenden Dosierfehler bemerkbar macht, oder zum Versagen der Dosierung der Pumpe führen kann, ist aufgrund der großen Produktkanäle stark reduziert. Produktverunreinigungen können während des Dosierens durch die relativ großen Produktkanäle gespült werden.
• Das extrem kleine Hold-up des Pumpenkopfes und das geringe Totraumvolumen sichert ein gutes Ansaugverhalten und ein schnelles reproduzierbares Dosieren, insbesondere bei Anwendungen, die neue pharmazeutische Stoffe betreffen, die im frühen Entwicklungsstadium nur in geringen Mengen verfügbar sind.
• Das Einstellen von kleinen Flüssikeitsströmen ist besonders einfach, weil das Einstellen der Dosiermenge bei konstantem Verdrängervolumen mit einem zwischengeschalteten Zeitglied in der Steuerung erfolgt. Dadurch können sehr einfach ohne Gegenkontrolle Volumenströme verändert werden. Die Veränderung der Dosierleistung eines Membranpumpenkopfes erfolgt durch Verschiebung des Dosierhubes auf der Zeitachse.
• Der lamellenartige Aufbau der Membranpumpe mit integrierten steuerbaren Ventilen, die aufgrund des Pumpprinzips einen pulsierenden Dosierstrom erzeugt, macht es möglich, durch Vervielfachung der Verdrängereinheit und der Ventile den Dosierstrom zu vergleichsmäßigen, wobei die baulichen Abmessungen der Pumpe in der Versuchsanlage sich nicht wesentlich vergrößern.
• Weitere Ausführungsvarianten für den mobilen Einsatz der erfindungsgemäßen Membranpumpe sind möglich, wenn die steuerbaren Ventile durch elektomagnetisch gesteuerte Ventile, (Versorgungsspannung z.B. 6 oder 12 Volt) ersetzt werden. Die Steuereinheit kann bei mobilen Einsätzen dann über eine Batterie mit Strom versorgt, so dass über lange Zeit die Steuereinheit funktionstüchtig bleibt. Die pneumatisch betriebene Arbeitsmembran zur Förderung flüssiger Substanzen kann mit einem tragbaren Druckluftspeicher versorgt werden, der aus Gewichtsgründen beispielsweise aus Kunststoff sein kann. Die erfindungsgemäße Membranpumpe, deren Pumpkammer ein geringes Steuerraumvolumen hat, kann über den Druckluftspeicher lange Zeit betrieben werden. Die erfinderische Membranpumpe bietet sich für mobile Einsätze beispielsweise bei der Ausbringung von Pflanzenschutzmitteln in schwierigem Gelände an.
• Für den Anwender bieten sich weitere Betriebsvorteile dadurch, dass die produktberührten Verschleißteile einfach und preiswert ersetzbar sind.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert.
• 1 zeigt den schematischen Aufbau einer lamellenartig aufgebauten pneumatischen Membranpumpe mit zugehörender elektro-pneumatischer Steuereinheit und programmierbarer elektronischer Steuerung sowie den Verbindungsleitungen.
• 2 zeigt eine Schnittdarstellung eines Pumpenkopfes mit von außen variierbarer Wand im Steuerraum der Pumpkammer.
• 2a, 2b zeigen verschiedene Ausführungskonturen der variierbaren Steuerraumwand.
• 3 zeigt eine gekammerte Pumpenmembran.
• 3a ist eine Schnittdarstellung, wobei die mittlere Platte zwei Pumpkammern und zugeordnete Absperrkammern hat und die äußeren Platten mit einer variierbaren Steuerraumwand ausgestattet sind.
• 3b zeigt einen schematischen Pumpenkopf mit schrägen Kanälen.
• 4, 4a zeigt die mittlere Platte eines Membranpumpenkopf mit mehreren Absperrkammern und mehreren Einlass- und Auslasskanälen.
• 4b zeigt schematisch einen Membranpumpenkopf mit zentraler Pumpkammer und mehreren Absperrkammern und zugeordneten Einlass- und Auslasskanälen.
• 5 ist ein Mehrwege- Membranverteilerventil in einer Schnittdarstellung gezeigt.
• 6 ist eine schematische Darstellung eines Mehrwege-Verteilerventils.
• 6a ist schematisch ein Mehrkomponenten-Verteilerventil dargestellt.
• 7 ist ein integriertes Probenahmesystem gezeigt mit zwei Membranpumpen.
• Beispiele
• Beispiel 1
• In 1 ist eine Membranpumpe mit Pumpenkopf (200) im Querschnitt mit zugehöriger Steuerung (100) und Gehäuse sowie Pneumatikverteiler (115) dargestellt. Im Pumpenkopf gemäß 2 ist jedoch eine bewegliche Scheibe mit fest verbundener Gewindestange nach 2a oder 2b eingesetzt worden. Im Gehäuse sind elektronische Komponenten und eine freiprogrammierbare elektrische Steuerung eingebaut. Eine nicht dargestellte Stromzuleitung dient der Spannungsversorgung der elektronischen Komponenten. Das Gehäuse hat ein Display (101), einen Ein/Aus-Schalter (102) und mehrere Funktionstaster (103 bis 109), mit denen benötigte Parameter für den Pumpablauf bzw. für den Pumpvorgang eingegeben, optisch verfolgt und gespeichert werden können. Die elektronische Steuerung (100) ermöglicht verschiedene Betriebsvarianten, so dass mit dem Taster (103) auf kontinuierlichen Betrieb und mit Taster (104) auf diskontinuierlichen Betrieb der Pumpe geschaltet werden kann. Insbesondere der diskontinuierliche Betrieb der Pumpe kann durch eine vorwählbare Anzahl von Pumphüben eingestellt und mit Taster (105) in der Steuerung gespeichert werden. Mit dem Taster (106) ist eine Reduzierung der eingestellten Parameter, der Taster (107) ist für eine Erhöhung der variierbaren Parameter vorgesehen, die dann ebenfalls mit dem Taster (105) als neu gewählte Betriebsparameter der Membranpumpe in die Steuerung gespeichert werden können. Bei kontinuierlicher Fahrweise können mit Taster (106, 107) die Zeitkonstanten verändert werden. Der Taster (108) erlaubt die Wahl zwischen interner und externer Steuerung, von zum Beispiel einem externen Prozessleitsystem. Der Pumpenkopf (200) beginnt zu arbeiten, wenn Taster (109) betätigt wird und bei wiederholtem Drücken des Tasters (109) wird der Arbeitsvorgang wieder gestoppt. Die Elektronik mit der programmierbaren Steuerung sendet zu Beginn der Dosierung über elektrische Verbindungskabel (110) digitale Signale zu den elektropneumatischen -Mehrwege-Ventilen (111, 112, 113, 114), die dann in ihre definierte Auf- oder Zu-Stellung (Tabelle 1) schalten. Die elektro-pneumatischen Mehrwege- Ventile (111 bis 114) sind auf einem pneumatischen Verteilerblock (115) montiert. Der Verteilerblock hat zwei Versorgungskanäle (116, 117). Der Versorgungskanal (116) ist direkt mit der Druckluftversorgung verbunden und der Verteilkanal (117) ist mit einer Vakuumleitung an die Unterdruckversorgung angeschlossen. Der Unterdruck wird durch den im Bypass installierten Vakuumerzeuger (118), einen Injektor, erzeugt, der vom Ventil (114) bei Einschaltung der elektrischen Steuerung ständig mit Druckluft versorgt wird. In einer kompakten Bauweise befindet sich der Verteilerblock (115) mit den elektro-pneumatischen 2/3-Wege-Ventilen und dem Unterdruckerzeuger (118) direkt im Gehäuse der Steuerung (100), so dass die Druckluftversorgung des Versorgungskanals (116) über eine Schlauchkupplung (116') und der Pumpenkopf über die Schlauchkupplungen (119', 120', 121') verbunden werden. Die freiprogrammierbaren elektronischen Komponenten, Dioden für die optische Funktionsanzeige, elektrisches Netzgerät und eine elektrische Platine sind in 1 nicht dargestellt.
• Die freiprogrammierbare Steuerung der pneumatisch betriebenen Membranpumpe mit Pumpenkopf (200) schaltet die elektro-pneumatischen Mehrwegeventile (111 bis 114) und leitet den im Verteilerblock (115) anstehenden pneumatischen Druck im Kanal (116) (Druckkanal) oder das Vakuum im Verteilerkanal (117) (Vakuumkanal) durch die Steuerleitungen (Kapillaren oder Schläuche) (119, 120, 121) auf die pneumatischen Steuerräume (Pneumatikräume) (220, 221, 222) in den Pumpenkopf (200).
• Das Ventil (111) (V1) ist durch die Steuerleitung (119) mit dem Ansaugventil (untere Absperrkammer (210) des Pumpenkopfes (200) verbunden. Nach gleichem Schema sind das andere Ventil (112) (V2) (obere Absperrkammer (212)) und Ventil (113) (V3) mit der Pumpkammer (211) des Pumpenkopfes (200) verbunden. Das Ventil (114) (V4) versorgt den Vakuumerzeuger ständig mit Druckluft und wird sofort geschaltet, sobald die Elektronik mit elektrischer Spannung versorgt ist.
• Der Membranpumpenkopf (200) besteht aus den drei Teilplatten (201, 203, 205) und hat eingelegte elastische Membranen (202, 204), die im Bereich der Pumpkammer (211) und Absperrkammern (210, 212) pneumatisch verformbar sind. Die Membranen (202, 204) sind etwas kleiner als die Platten (201, 203, 205), um eine gute Abdichtung zur Atmosphäre zu gewährleisten. In der Platte (203,) sind Vertiefungen eingelassen, die die Pump- bzw. Absperrkammern (210, 211, 212) bilden, wobei das jeweilige Ausgleichsvolumen der Absperrkammern (210, 212) in der Platte (201) eingebracht ist. Die Pumpkammer (211) ist mit einem geringen Ausgleichs-Volumenanteil in der Platte (205) und mit dem größeren Pump-Volumenanteil in der mittleren Platte (203) eingearbeitet.
• Mit der Absperrkammer (210) ist z.B. das steuerbare Ansaugventil des Pumpenkopfes benannt. Sinngemäß stellt die Pumpkammer (211) die Förderkammer und die Absperrkammer (212) das steuerbare Druckventil des Pumpenkopfes dar.
• Die Membranen (202, 204) teilen die Pump- und Absperrkammern in Steuerräume (220, 221, 222) und in Produkträume (230, 231, 232).
• Die Pump- bzw. Absperrkammern (210, 211, 212) haben die Form von Kalotten. Die mittlere Platte (203) weist einen Ansaugkanal (207) und einen Auslasskanal (206) auf. Beide Kanäle (206, 207) sind jeweils mit einer eingeschweißten Kapillare verlängert. Die Kanäle (209, 208) verbinden die Produkträume (230, 231, 232) der Kammern (210, 211, 212) miteinander.
• Die Pumpkammer (211) hat eine Nut (213), als verbindendes Element vom tiefsten geometrischen Punkt der Vertiefung in der Platte zur Auslassöffnung bzw. zum Verbindungskanal (209). Auch wird verdeutlicht, das zwischen Einlasskanal (208) und Beginn des Auslasskanals (209) mit der verbindenden Nut (213) noch ein ausreichend großer Abstand vorliegt um ein dichtes Verschließen der Öffnungen im Produktraum der Pumpkammer durch die Membran (204) zu ermöglichen.
• Der Pumpenkopf (200) ist hier im Steuerungsschritt 4 (siehe Tabelle 1) gezeigt. Im Bereich der Absperrkammer (210) (steuerbares Ansaugventil) ist die Membran (202) auf der Steuerraumseite (220) mit Druck beaufschlagt, so dass die Membran (202) den Ansaugkanal (207) am Einlass (240) (2) und den Verbindungskanal (208) am Auslass (241) (2) versperrt. Im Bereich der Pumpkammer (211) (Förderkammer oder Verdrängereinheit) ist der zugehörige Steuerraum (221) mit Vakuum beaufschlagt, so dass der förderaktive Membranbereich sich abhebt und den zuführenden und ableitenden Verbindungskanal (208, 209) öffnet. Die Absperrkammer (212) ist steuerseitig ebenfalls mit Vakuum beaufschlagt, so dass der Verbindungskanal (209) und der Auslasskanal (206) geöffnet sind um im folgenden Steuerschritt 5 (siehe Tabelle 1) das Flüssigkeitsvolumen aus der Pumpkammer zu verdrängen. Zu erkennen ist, dass die jeweilige Membranbewegung sich über die gesamte Höhe der Vertiefung erstreckt. In 1 sind erforderliche Schrauben für das Zusammenziehen der Platten und gleichzeitige Verpressen der eingelegten Membranen nicht dargestellt.
• Die Reihenfolge der programmierbaren Steuerungsschritte und die Stellung der Ventile (111 bis 114) sind im Folgenden in der Tabelle 1 dargestellt. Es bedeutet als Digitalsignal „1" Druckluft anstehend (Ergebnis: Membran wird an die Platte (203) angedrückt und schließt) und das Signal „0" Vakuum anstehend (Membran wird im Steuerraum angehoben und öffnet). Sobald die elektronische Steuerung mit elektrischer Spannung versorgt und mit dem Taster (102) eingeschaltet ist, schaltet die programmierte Steuerung die Ventile (111 bis 114) in eine definierte Start- oder Grundstellung. Die Steuerung eines vollständigen Pumpenhubes besteht hier beispielsweise aus fünf Einzelschritten. Wird der Pumpvorgang unterbrochen oder beendet springt die Steuerung in die Start- oder Grundstellung. Tabelle 1

  
• Im Steuerungsablauf ist für jedem Steuerungsschritt 1–5 ein veränderbares Zeitglied programmiert und zugeordnete (in der Tabelle 1 nicht dargestellt), damit die einzelnen hintereinander ablaufenden Steuerungsschritte sich nicht gegenseitig beeinflussen und vollständig ausgeführt werden. Die Schaltzeiten der elektropneumatischen Ventile sind größer und damit wesentlich langsamer als die benötigte Zeit zur Sendung der digitalen Signale. Durch die zwischengeschalteten Zeitglieder wird die Pumpfunktion gemäß dem Steuerungszyklus 1–5 (siehe Tabelle 1) reproduzierbar und vollständig durchgeführt.
• Beispiel 2
• In 2 ist ein Pumpenkopf (200), bestehend aus den Platten (201, 203, 205) in einer Schnittdarstellung gezeigt. Zu erkennen sind die in den Trennebenen der Platten eingespannten elastischen Membranen (202, 204), sowie die Absperrkammern und die Pumpkammer mit den zugehörigen Vertiefungen (Kalotte) in der mittleren Platte. Die äußere Platte (205) ist dicker ausgebildet, so dass der Steuerraum (221) über das zugehörige Ausgleichsvolumen hinaus vergrößert ist. Der Steuerraum ist zusätzlich erweitert um eine kleinere zylindrische Vertiefung (1000) und um eine Gewindebohrung, die nach außen geführt ist. Im vergrößerten Steuerraum ist die abgesetzte Scheibe (1001) mit einseitigem Zylinder eingebaut, in der eine durch die äußere Platte geführte abgesetzte Gewindestange (1002) befestigt ist, so dass bei schon geringer Drehung der, auf der Gewindestange (1002) befestigten äußeren Rändelmutter (1003), die Scheibe (1001) sich im Steuerraum axial bewegt bzw. verschiebt. Die Gewindestange ist abgesetzt und durch zwei Stifte (1004) mit dem aufnehmenden Zylinder der Scheibe lösbar befestigt. Auf dem im Steuerraum befindlichen einseitigen Zylinder der Scheibe ist eine Dichtung (1005) positioniert, um den mit pneumatischem Druck beaufschlagten Steuerraum nach außen zu dichten. Die Scheibe (1001) ist mit mehreren Bohrungen (1007) und mit einem konzentrisch erhabenen Ring (1008) versehen, um eine Druckbeaufschlagung des gesamten Steuerraumes zu begünstigen und das Verschließen der Bohrung (1006) bei vollständiger Rückstellung der Scheibe zu verhindern. Die Druckluftzufuhr bzw. die Beaufschlagung durch Unterdruck erfolgt über die seitlich versetzte Bohrung (1006). In der 2 hat die verstellbare Scheibe die Kontur eines Kugelabschnittes und ist damit angepasst an die Kontur der prozessseitigen Vertiefung.
• Ist die Gewindestange beispielsweise mit einem Feingewinde versehen, so kann die Scheibe (1001) schon bei einer geringen manuellen Verdrehung der Rändelmutter (1003) axial verschoben und dadurch der Membranweg, der gleichzeitig das zu fördernde Flüssigkeitsvolumen bestimmt, verändert werden.
• Die 2a und 2b zeigen weitere Ausführungsvarianten, insbesondere verschiedene Konturen der beweglichen Scheibe. Die membranseitige Kontur der Scheibe (1001') in 2a ist eben, während die Kontur der Scheibe (1001'') in 2b einen stumpfen Kegel zeigt. Des Weiteren zeigen die beiden Figuren, dass die Scheibe mit einseitigem Zylinder und direkt angearbeiteter Gewindestange zu fertigen ist, um möglichst die Anzahl der Bauteile, Kosten und die Montagearbeit zu reduzieren.
• Beispiel 3
• In 3 wird beispielhaft die Kammerung einer Pumpmembran (204) in einer Schnittdarstellung gezeigt. Im oberen Teil der Figur ist die gekammerte Membran (204) nicht im Arbeitszustand, während im unteren Teil der Figur der Steuerraum (221) der Membran (2040 mit Druck beaufschlagt ist und es zur Auslenkung der Membran kommt. Ebenfalls zu erkennen ist, dass die Membran zwischen den Platten (203, 205) eingespannt ist und in der Platte (203) Teile der Verbindungskanäle (208, 209) vorhanden sind. Die Pumpmembran ist im äußeren Bereich zwischen den Platten eingespannt, während im Zentrum die Membran geöffnet ist, so dass beidseitig Kammerelemente (1100, 1101) befestigt werden können. Die Kammerelemente haben zur elastischen Membran hin einen erhabenen gerundeten konzentrischen äußeren Ring (1102, 1103), so dass während des Zusammenschraubens der Kammerelemente die eingeschlossene Membranfläche nicht mehr kraftbeaufschlagt ist.
• Vorteilhaft ist, wenn die Kontur des prozessseitigen Kammerelementes (1104) der Vertiefungskontur angepasst ist, damit das Totraumvolumen der Pumpkammer sich nicht wesentlich vergrößert. Wird das produktseitige Kammerelement mit einer elastischen Folie (1105) versehen bzw. beschichtet, dann können die Verbindungskanäle im belasteten Membranzustand dicht verschlossen werden. In der 3 ist zu erkennen, dass bei plastischer Verformung eines Elastomers der Verformungsgrad aufgrund der geringen Auslenkung, die als Funktion des Membrandurchmessers zu sehen ist, zu vernachlässigen ist. Durch die Kammerelemente besteht die Möglichkeit auch Membranwerkstoffe einzusetzen, die aufgrund der hohen bleibenden Verformung weniger geeignet wären.
• In 3b ist schematisch eine Membranpumpe, bestehend aus drei Platten (201, 203, 205) dargestellt, wobei insbesondere zu erkennen ist, dass Verbindungskanäle (208, 209) und Abschnitte des Zuführ- und Auslasskanals (207, 206) unter einem Winkel α stehen, damit bei schnell wechselnden Strömungszuständen keine großen Druckverluste auftreten.
• Beispiel 4
• In 3a ist eine Doppelmembranpumpe mit steuerbaren Ventilen gezeigt, die aus drei Platten besteht und alle Pump- und Absperrkammern in der mittleren Platte eingebracht worden sind. Zu erkennen ist, dass der Einlasskanal (300) T-förmig gestaltet ist und die linke und rechte ansaugseitige Absperrkammer (301, 301') verbindet, so dass beide Absperrkammern einen gemeinsamen Einlasskanal haben. Von jeder Absperrkammer verläuft ein abgewinkelter Verbindungskanal (302, 302') zur Pumpkammer (303, 303'). Fast spiegelbildlich zum Einströmbereich ist der nachgeschaltete Ausströmbereich der Doppelmembranpumpe gestaltet. Die Verbindungskanäle (304, 304') verbinden die Pumpkammern (303, 303') mit den Absperrkammern (305, 305') auf der Auslassseite, und die Absperrkammern der Auslassseite sind mit einem gemeinsamen Auslasskanal (306) verbunden. In diesem Beispiel ist eine Doppelmembranpumpe beschrieben, mit einem gesplitteten inneren Durchlasskanal. Die Doppelmembranpumpe ist in diesem Beispiel mit einer beweglichen Scheibe (1001) für einen möglichen Teilhubbetrieb ausgerüstet. In der 3a sind keine lösbaren Verbindungselemente der Platten gezeigt, der Pumpenkopf befindet sich in keinem Arbeitszustand. Die Durchströmrichtung der Doppel-Membranpumpe ist mit Pfeilen angedeutet.
• Beispiel 5
• In 4, 4a sind die Frontansichten einer mittleren Platte (Platte 400) gezeigt, bei der vier Absperrkammern (1200, 1201, 1202, 1203) einer Membrankammer (1205) zugeordnet sind. Die Kammern sind durch Vertiefungen mit der Form eines Kugelabschnittes (Kalotte) gebildet. Jede Absperrkammern hat einen Verbindungskanal (1206) zur zentralen Pumpkammer (1205), zusätzlich sind jeweils zwei Absperrkammern mit einem separaten Einlasskanal (1207, 1208) und zwei Absperrkammern mit einem separaten Auslasskanal (1209, 1210) versehen. In diesem Ausführungsbeispiel können zwei unterschiedliche Substanzen sequentiell oder alternierend mit einem Pumpenkopf gefördert werden. In einer Anwendung für pharmazeutische Zwecke könnte auch der zweite Einlasskanal dazu genutzt werden um eine Reinigungsflüssigkeit zu pumpen und einen Spülvorgang einzuleiten. Eine alternative Verwendung des zweiten Einlasskanals besteht, wenn ein Dampfanschluss realisiert ist und dadurch zu einem beliebigen Zeitpunkt ein Sterilisationsvorgang eingeleitet werden könnte. So kann z.B. der Einlasskanal (1207) mit einer Zuleitung für eine zu dosierende Substanz verbunden sein. Die Substanz gelangt während des Ansaugvorgangs in die Pumpkammer (1205) um dann durch die Absperrkammer (1202) in den Auslasskanal (1209) gedrückt zu werden. Ein Sterilisationsvorgang benötigt einen Dampfanschluss am Einlasskanal (1208). Der Dampf könnte durch die Absperrkammer (1201) in die Pumpkammer (1205) gelangen um anschließend durch einen Verbindungskanal zur Absperrkammer (1203) und zum Auslasskanal (1210) zu gelangen. Im Anwendungsbereich der Pharmazie erfolgen Dosier- bzw. Pumpvorgänge und Sterilisationsschritte sequentiell, so dass aufgrund einer separaten Ansteuerbarkeit von Pumpkammer und Absperrkammern der Automatisierungsaufwand gering ist. In 4 ist eine abgewinkelte Sammel-Nut (1215) in der Pumpkammer (1205) gezeigt und Bohrungen (1216) für die Aufnahme von Zugankern bzw. lösbaren Befestigungselementen, mit denen alle drei Platten befestigt werden können. Die 4 zeigt sichtbar die Pumpkammer, Verbindungskanäle ( z.B. 1206) und eine Nut (1215) zur besseren Produktableitung aus der Pumpkammer. 4a zeigt sichtbar die Absperrkammern mit Einlass- und Auslassöffnungen.
• In 4b ist beispielsweise schematisch eine Kammerverschaltung dargestellt, wobei eine Pumpkammer (1205) und sechs Absperrkammern (z.B. 1200), in der Figur als Kreis dargestellt sind, sowie mit zugeordneten Einlasskanälen (1207, 1208, 1213) und Auslasskanälen (1209, 1210, 1214) verknüpft sind. Aufgrund der separaten Ansteuerung jeder einzelnen Kammer sind mehrere unterschiedliche Fluidenströme sequentiell oder alternierend über eine gemeinsame Pumpkammer (1205) zu allen vorhandenen Auslasskanälen verschaltbar.
• Aus den 4, 4a, 4b ist zu erkennen, dass eine Pumpkammer mit mehr als drei Absperrkammern und den entsprechenden Einlass- und Auslasskanälen für ein automatisiertes Probeentnahmesystem nutzbar ist. So kann z.B. aus einem Reaktor oder einer produktführenden Rohrleitung über den Einlasskanal (1207) mit Absperrkammer der Pumpkammer (1205) und dem Auslasskanal (1209) ein Umpumpkreislauf im Bypass erzeugt werden. Wird zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Substanzprobe aus dem Reaktor gewünscht, schließt beispielsweise der Auslasskanal (1209) und der Auslasskanal (1210) öffnet, so dass eine ausreichend große Substanzmenge als Probe über die Pumpkammer (1205) entnommen werden kann. Nach der Probeentnahme wird die Pumpkammer über den Einlasskanal (1208) mit einem inerten Spülmittel gereinigt, wobei die Reinigungsflüssigkeit über den Auslasskanal (1214) separat abgeleitet werden kann. Der Einlasskanal (1213) ist beispielhaft für einen abschließenden Sterilisationsvorgang nach Beendigung der Reaktion vorgesehen.
• Beispiel 6
• In 5 ist ein Mehrwege- Verteilerventil, bestehend aus drei Platten in Analogie zum Pumpenaufbau dargestellt. Des Weiteren ist zu erkennen, dass elastische Membranen (1303, 1304) zwischen den Platten (1300, 1301, 1302) eingespannt sind und dadurch eingebrachte Vertiefungen in der mittleren Platte in einen Produkt- und einen Steuerraum teilen. In dieser Darstellung sind die Steuerräume der Kammern nicht erweitert, so dass die Membranen im Trennbereich an den äußeren Platten dicht anliegen. Durch die äußeren Platten (1300, 1302) sind durch Doppelpfeile pneumatische Anschlussverbindungen (1305, 1306, 1307) angedeutet. Das Verteilerventil ist im geöffneten Zustand dargestellt, so dass beispielsweise die elastischen Membranen durch einen aufgebrachten pneumatischen Druck ausgelenkt und dadurch die Verbindungskanäle verschließen würden. Entspannt der pneumatische Druck, sind die Verbindungskanäle in den Produktkammern geöffnet, so dass ein Fluid durchströmen kann. In 5 ist ein Mehrwege-Verteilerventil gezeigt, das einen zentralen Einlasskanal (1308) in der äußeren Platte (1300) hat, daran schließt sich ein Verbin dungskanal (1309) zum Verteilerraum (1310) an. Der Verteilerraum hat zwei Verbindungskanäle (1311, 1312) zu kleineren Absperrkammern (1313, 1314), die wiederum Auslasskanäle (1315, 1316) für die Fluidableitung haben. Es ist zu erkennen, dass beispielsweise eine angeschlossene elektro-pneumatische Steuereinheit mindestens zwei Kammern ansteuern muss um einen Schaltweg für die Durchleitung eines Stoffes frei zu geben. In diesem Beispiel kann das Mehrwege-Verteilerventil bzw. Verteilerventil einen zugeführten Stoff wahlweise zum linken Auslasskanal (1315) oder zum rechten Auslasskanal (1316) lenken. Für Reinigungszwecke können beide Auslasskanäle gleichzeitig geöffnet werden, so dass eine parallele Verteilung möglich ist. Die elektro-pneumatische Steuereinheit benötigt keinen Unterdruckerzeuger, weil Fluidversorgungen in der Regel einen Ausgangsdruck haben.
• In der Trennebene der Platten (1301, 1302) sind die Verbindungskanäle einseitig in die Oberfläche der Platte (1301) eingearbeitet, so dass durch die eingelegte großflächige Membran gleichzeitig alle Verbindungskanäle untereinander und nach außen abgedichtet werden. Daher sind Mehrwege- Verteilerventil in den Trennebenen der Platten vorzugsweise mit vollflächigen elastischen Folien versehen, um eine einfachere Montage und im Falle einer Reinigung die Vorgänge zu vereinfachen. Aufgrund der zentralen Zuführung eines Stoffes der verteilt werden soll, ist in der elastischen Folie (1303) eine kreisrunde Öffnung vorgesehen, damit Einlasskanal (1308) und Verbindungskanal (1309) eine durchströmbare Verbindung haben.
• Verteiler- und Absperrkammer sind pneumatisch mit z.B. Druckluft oder hydraulisch mit Flüssigkeit ansteuerbar. Es können jedoch auch elektromagnetische Antriebe zum Einsatz kommen. Die Platten des Mehrwege-Verteilerventil sind lösbar miteinander verbunden.
• In 6 ist die mittlere Platte eines Mehrwege- Verteilerventils schematisch dargestellt. Zu erkennen ist ein zentraler Stoff-Einlasskanal (1308') mit einer Verteilerkammer (1310') und einer Vielzahl von Verbindungskanälen (1312') mit zugeordneten Absperrkammern (1314') und folgenden Auslasskanälen (1316'). Es kann z.B. mit dieser Ausführung ein Fluid sequentiell oder parallel zu einer Vielzahl von Verbrauchern geleitet werden, wobei immer zwei Kammern in einen geöffneten Zustand geschaltet sein müssen.
• Wird der zentrale Einlasskanal (1308') geschlossen, wie in 6a gezeigt, und beispielsweise zwei Auslasskanäle (1400, 1401) zu Einlasskanälen umfunktioniert und an verschiedene Stoffversorgern angeschlossen, dann besteht die Möglichkeit, diese beiden Stoffe seriell zu jedem angeschlossenen Auslasskanal zu lenken wenn zwei Absperrkammern und die Verteilerkammer im geöffnetem Zustand geschaltet sind.
• Beispiel 7
• In 7 ist beispielhaft eine Pumpenverschaltung zur Probenahme und -aufbereitung dargestellt. Zwei Membranpumpen (700, 700') ausgebildet mit einer mittleren Platte (400, 400') gemäss 4 und mit einer Mischkammer (701) kombiniert, so dass alle funktionellen Teile in drei, jedoch vergrößerten, Pumpenplatten eingebracht sind. Die Membranpumpen haben eine Pumpkammer (702, 702') und jede Pumpkammer besitzt vier zugeordnete Absperrkammern (703, 704, 705, 706 und 703', 704', 705', 706'). Den Absperrkammern sind jeweils Einlasskanäle und Auslasskanäle (in der Fig. mit Flusspfeilen gekennzeichnet) zugeordnet. Für eine automatisierte Probenahme mit anschließender Aufarbeitung und Abtransport zu einem angeschlossenen Analysegerät sind in der 7 alle Komponenten dargestellt. Verzichtet wurde auf die Darstellung der Steuereinheit zur separaten Ansteuerung der Kammern.
• Aus der 7 ist zu erkennen, dass eine Substanzprobe angesaugt werden kann, wenn Einlasskanal (707) und Auslasskanal (708) an einem Reaktor angeschlossen sind. Über Einlasskanal (707), Ansaugventil (704), Pumpkammer (702), Druckventil (705) und Auslasskanal (708) kann ständig eine Substanzmenge aus dem Reaktionsgefäß umgepumpt werden. Zu einem gewünschten Zeitpunkt schaltet die Steuerung beispielsweise um, so dass Druckventil (705) schließt und Ventil (706) öffnet und mit dem bekannten Pumpkammervolumen eine definierte Substanzmenge durch den Auslasskanal des Ventils (706) in die Mischkammer (701) überführt wird. Sobald die Probe überführt ist startet die Pumpe (700') um ebenfalls einen Umpumpkreislauf zur Mischkammer erzeugen. Dabei ist der Einlasskanal des Ventils (704') und der Auslasskanal des Ventils (705') mit der Mischkammer verbunden. Die Pumpe (700) kann nun, parallel zum in Betrieb genommenen Umpumpkreislauf der Mischkammer, über Einlasskanal (709) und Ventil (703) bei gleichzeitig geschlossenem Ventil (704) ein zusätzliches Verdünnungsmittel in die Mischkammer fördern, welches mit der Substanzprobe dort vermischt wird. Nach dem Mischprozess durch Pumpe (700') wird die verdünnte Substanzprobe zu einem möglichen Analysegerät gefördert. Dabei schließt das Ventil (705') und das Ventil (706') öffnet. Aufgrund der Summe aller zuführenden Pumphübe zur Mischkammer, kann mit gleicher Hubzahl die aufbereitete Probe über Auslasskanal (710) ausgeschleust und gegebenenfalls zur Analyse gefördert werden. Des Weiteren ist der Einlasskanal (709) verlängert bis zum Ventil (703'), so dass auch die zweite Pumpe nach dem Probentransport mit Verdünnungsmittel gespült werden kann, wenn entsprechende Ventile geschaltet werden.

Claims (24)

1. Mehrteiliger Pumpenkopf, wenigstens umfassend drei starre Platten (201, 203, 205) und mindestens zwei zwischen diesen Platten (201, 203, 205) angeordneten elastischen Membranen (204, 202), wobei die Platten (201, 203, 205), mindestens eine Pumpkammer (211) und mindestens zwei Absperrkammern (210, 212), insbesondere in der Geometrie eines Kugelabschnitts, einer Kugelzone, eines Zylinders oder abgestumpften Kegels, mit je einer Einlass- (240) und einer Auslassöffnung (241) für das Fördergut bilden, und die Pumpkammer (211) und Absperrkammern (210, 212) zusammen mit einem Einlasskanal (207) den Verbindungskanälen (208) und (209) sowie einem Auslasskanal (206) einen Durchlasskanal bilden, wobei die Pumpkammer (211) und die Absperrkammern (210, 212) durch die Membranen (204, 202) in je einen Produktraum (230, 231, 232) und einen Steuerraum (220, 221, 222) getrennt sind und die Steuerräume (220, 221, 222) Steuerleitungen (119, 120, 121) aufweisen, die mit einer Steuereinheit (100, 115) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Platte (205) stärker ausgebildet ist, wodurch der Steuerraum der Pumpkammer vergrößert ist und in diesen eine axial bewegliche Scheibe (1001) mit einseitig angesetzter verlängerter Gewindestange (1002) eingesetzt ist, so dass die einseitig angesetzte Gewindestange der beweglichen Scheibe bis außerhalb des Dosierkopfes verlängert ist und außerhalb der Pumpe manuell verstellt werden kann (1003) und dadurch die im Steuerraum befindliche Scheibe (1001) axial bewegt wird und den maximal eingestellten Membranweg in der Pumpkammer reduziert oder vergrößert, so dass das dosierte Flüssigkeitsvolumen pro Förderhub variierbar ist und die Pumpe in einem Teilhubbetrieb arbeitet ohne dass das Totraumvolumen im Produktraum vergrößert wird.
2. Membranpumpe mit mehrteiligem Pumpenkopf gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine dezentrale elektro-pneumatische Steuereinheit aufweist.
3. Membranpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe im Produktraum (231) eine Nut (213) aufweist, die vom Scheitelpunkt des Produktraumes zur Auslassöffnung verläuft.
4. Membranpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpkammer (211) und die Absperrkammern (210, 212) randseitig durch die Membranen (204, 202) abgedichtet sind.
5. Membranpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen (204, 202) aus einem elastischen Material, besonders aus einem Elastomer, Silikon, Viton^®, Teflon^® oder einem Kautschuk, insbesondere aus einem elastischen Schichtstoff der mindestens aus zwei miteinander verbundenen Materialschichten mit unterschiedlichen Elastizitätsmodul besteht.
6. Membranpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe aus mindestens drei Platten (201, 203, 205) besteht und die Pumpkammer (211) und die Absperrkammer (210, 212) durch Vertiefungen (210', 211', 212') in den Platten (201, 203, 205) gebildet sind.
7. Membranpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Scheibe (1001) membranseitig eben ist oder einen stumpfen Kegel zeigt oder der produktseitigen Pumpkammer angepasst und mit mehreren Bohrungen (1007) versehen ist.
8. Membranpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpmembran (204) gekammert ist.
9. Membranpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich dabei um eine Doppelmembranpumpe handelt, die aus drei Platten besteht und worin alle Pump- und Absperrkammern in der mittleren Platte eingebracht worden sind.
10. Membranpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der mittleren Platte vier Absperrkammern (1200, 1201, 1202, 1203) einer Membrankammer (1205) zugeordnet sind.
11. Membranpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese aus drei Platten besteht und als Mehrwege-Verteilerventil genutzt werden kann.
12. Verwendung der Membranpumpe nach Anspruch 11 als Mehrwege-Verteilerventil, dadurch gekennzeichnet, dass dieses aus einem zentralen Stoff-Einlasskanal (1308') mit einer Verteilerkammer (1310') und einer Vielzahl von Verbindungskanälen (1312') mit zugeordneten Absperrkammern (1314') und folgenden Auslasskanälen (1316') besteht.
13. Mehrkanal-Membranventil bestehend aus drei Platten, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verteilerkammer mit einem Einlasskanal über einen Verbindungskanal mit mindestens einer Absperrkammer, die einen Auslasskanal hat, verbunden ist und die Kammern gleich große Vertiefungen haben und separat ansteuerbar sind, so dass für die Durchleitung eines Stoffes mindestens zwei Kammern gleichzeitig in gewünschter Durchflussrichtung geöffnet sein müssen, und alle Kammer von einer dezentralen Steuereinheit betätigt werden.
14. Membranpumpe gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe aus mindestens drei Platten besteht und mindestens eine äußere Platte temperierbar ausgebildet sind.
15. Membranpumpe gemäß Anspruch 2 mit steuerbaren Ventilen und dezentraler Steuereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass in Durchströmrichtung des Fluid der Einlasskanal mit durchströmter Absperrkammer und Verbindungskanal zur Pumpkammer einen größeren hydraulischen Querschnitt hat als der ableitende Verbindungskanal mit folgender Absperrkammer und Auslasskanal.
16. Membranpumpe gemäß Anspruch 2 mit steuerbaren Ventilen und dezentraler Steuereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Pumpkammer im Bereich von 0,005 ml bis 1000 ml beträgt.
17. Membranpumpe gemäß Anspruch 2 mit steuerbaren Ventilen und dezentraler Steuereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass das produktseitige Totraumvolumen der Pumpkammer kleiner 20 % des Kammervolumen beträgt.
18. Membranpumpe gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Produkträume der Absperrkammern (210, 212) kleiner als der Produktraum der Pumpkammer (211) ausgeführt sind.
19. Membranpumpe gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe aus mindestens drei Platten besteht und in der mittleren Platte mindestens eine Pumpkammer vorgesehen ist und zu jeder Pumpkammer mindestens drei kleinere Absperrkammer gehören und jede Absperrkammer einen Verbindungskanal zur Pumpkammer und einen Einlass- oder Auslasskanal für die Zu- oder Ableitung mindestens eines Fluids besitzt und alle Kammern über eine dezentrale Steuereinheit separat ansteuerbar sind.
20. Membranpumpe gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einlass- oder Auslasskanäle mit Absperrkammern einer Pumpkammer zugeordnet sind und in mindestens einem Auslasskanal eine Mischkammer zur Aufnahme einer Probenteilmenge vorgesehen ist, und der Mischkammer eine zweite Pumpkammer mit mehreren Einlass- und Auslasskanälen und Absperrkammern zugeordnet sind, um die in der Mischkammer aufgefangene Probenteilmenge um zu pumpen, so dass bei Zuführung eines separaten Verdünnungsmittels in die Mischkammer, die dort befindliche Probe verdünnt bzw. vermischt werden kann, um nach dem Vermischen die verdünnte Probe durch Abpumpen zu entnehmen und zu analysieren.
21. Verwendung der Membranpumpe gemäß Anspruch 2 als Fördervorrichtung oder als Probenahmesystem.
22. Fördervorrichtung oder Probenahmesystem, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Membranpumpe gemäß Anspruch 2 Flüssigkeiten mit einem Viskositätsbereich von 0,001 Pas bis 10 Pas, bevorzugt von 0,001 bis 5 Pas und besonders bevorzugt Flüssigkeiten mit einer Viskosität von 0,001 bis 2 Pas gefördert bzw. entnommen werden können.
23. Verwendung der Membranpumpe gemäß Anspruch 2 in Abfüllvorrichtungen und Abfüllanlagen.
24. Abfüllvorrichtungen und Abfüllanlagen, dadurch gekennzeichnet, dass diese wenigstens eine Membranpumpe gemäß Anspruch 2 enthalten.