-
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.
-
Stand der Technik
-
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.
-
Weiterhin
zeigen die
CH-PS 520 874 wie
auch die
DE 26 28 332
C2 Membranpumpen aus drei Platten mit eingelegten elastischen
Membranen zum Pumpen von Flüssigkeiten,
die jedoch keine variablen Volumina ermöglichen. Die
US 2391703 zeigt eine Membranpumpe
mit vorgeschalteten Kolbenventilen, bei denen die Membranen nur
die Beweglichkeit der Kolben begrenzen, nicht aber das zu pumpende
Flüssigkeitsvolumen. Der
Förderhub
des Pumpenkopfes ist hierbei begrenzt durch den Kolben und einen
Gehäuseanschlag.
-
Aufgabenstellung
-
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 mitumfasst.
-
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 Totraumvolumen 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 Integrationsmöglichkeit
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
einerweiteren 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 steuerseitigern
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 Membran Verformung 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 hydraulischen 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 An Saugleistung der Membran pumpe bzw. des Pumpenkopfes.
-
Eine
weitere besonders bevorzugte Form der Membran pumpe/des Pumpenkopfes
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpenkopf aus mindestens drei
Platten besteht und mindestens eine äußere Platte temperierbar ausgebildet
ist.
-
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 Membran
pumpe mit steuerbaren Ventilen und dezentraler Steuereinheit dadurch
gekennzeichnet, dass im Pumpenkopf das Tötraumvolumen 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 Membran pumpe 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 darauffolgenden
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
einerweiteren 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
einerweiteren 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 < 5 ul/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 elektromagnetisch 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.
-
Ausführungsbeispiel
-
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
Steuerraum wand 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 frei programmierbare 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 darin 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
frei programmierbare 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
| Schritt | V1
(111) Saugventil | V3
(113) Verdränger | V2
(112) Druckventil | V4
(114) Vakuum |
| Grundstellung | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 1.
Schritt | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 2.
Schritt | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 3.
Schritt | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 4.
Schritt | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 5.
Schritt | 1 | 1 | 0 | 1 |
| | | Zurück nach Schritt
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 elektro-pneumatischen 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 Membran Werkstoffe
einzusetzen, die aufgrund der hohen bleibenden Verformung weniger
geeignet wären.
-
In 3b ist
schematisch eine Membran pumpe, 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
a 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 Verbindungskanal (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 durchström
bare 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.