DE19623537A1 - Dosierpumpe und Dosierverfahren für Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Dosierpumpe, insbesondere für hochviskose Flüssigkeiten, mit einem in einem För­ derraum eingreifenden, motorisch über vorzugsweise me­ chanische Getriebemittel in einer oszillierenden Hubbe­ wegung antreibbaren Verdrängerorgan. Weiter betrifft die Erfindung ein Dosierverfahren für Flüssigkeiten, bei welchem die Drehbewegung eines Antriebsmotors über Getriebemittel in eine Hubbewegung eines auf einen För­ derraum einwirkenden Verdrängerorgans umgewandelt wird.

Vorrichtungen und Verfahren dieser Art werden vor allem zur volumenabgrenzenden Dosierung geringer Flüssigkeits­ mengen bei hohen Förderdrücken eingesetzt. Insbesondere in Anlagen der chemischen Verfahrenstechnik mit Bedarf an konzentrierten, unter Umständen hochviskosen Flüssig­ keiten. Bei den dafür eingesetzten Hubkolbenpumpen wird zur Einstellung des Förderstroms die Hublänge durch Ver­ änderung der Totpunktlagen verstellt. Bei Kolbenpumpen mit Formschluß zwischen dem die Motordrehung übertragen­ den Getriebe und dem Hubkolben er folgt dies durch Ver­ stellung der Exzentrizität eines Schiebeexzenters bzw. durch Amplitudenverstellung einer Geradschubkurbel, wobei die Hubmittellage bei der Hubverstellung konstant bleibt. Bei Kolbenpumpen mit Kurvengetriebe und Kraft­ schluß des Kolbens durch Federrückholung erfolgt die Amplitudenverstellung durch mechanische Anschlagbegren­ zung des Kolbensaughubs. Nachteilig hierbei ist die ge­ ringe Laufruhe und damit verbunden die geringe Lebens­ dauer. Die Verstellung der Gesamthublänge bedingt zudem unerwünschte Toträume im Förderraum und läßt sich ins­ besondere für Kurzzeitabläufe in der Regel nicht auto­ matisieren.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß bei gerin­ gem Bauaufwand eine automatische Steuerung der Flüssig­ keitsdosiermenge bei einem Dosiervorgang ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 15 gelöst. Vorteilhaf­ te Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweils abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, die Dosierung portionsweise dadurch zu steuern, daß der gesamte zur Verfügung stehende Kolbenhub schrittweise in Teilhub­ schritten durchlaufen wird. Um dies zu ermöglichen, sind bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung Mittel zur Steuerung des Hubwegs des Verdrängerorgans in vorgege­ benen Hubschritten vorgesehen. Durch die Steuerung der Schrittweite der Hubschritte ist es möglich, die Do­ siermenge ohne Eingriffe in das mechanische System ein­ zustellen.

In bevorzugter Ausgestaltung umfassen die Mittel zur Hubsteuerung einen vorgegebene Drehschritte ausführen­ den elektrischen Stellmotor, wobei die Drehschritte durch die mechanische Kopplung über die Getriebemittel in die entsprechenden Hubschritte umgewandelt werden. Wenn der die Drehschritte erzeugende Stellmotor als Schrittmotor ausgebildet ist, wird kein zusätzlicher Winkelgeber zur Stellungsrückmeldung benötigt, und der Antrieb bleibt in Stillstandsphasen selbstsperrend in seiner momentanen Winkelstellung stehen.

Vorteilhafterweise umfassen die Mittel zur Hubsteuerung eine vorzugsweise mikroprozessorgestützte Steuerein­ heit, welche den Stellmotor schrittweise weiterdreht.

Bei einem Schrittmotor lassen sich die Drehschritte da­ durch erzeugen, daß die Steuereinheit den Schrittmotor mit Schrittimpulsfolgen von vorgegebener, die Drehwin­ kel der Drehschritte bestimmender Schrittimpulszahl be­ aufschlagt, wobei die Schrittimpulsfrequenz innerhalb der Schrittimpulsfolgen zur Erzielung eines günstigen Motordrehmoments konstant gehalten wird.

Der zeitliche Verlauf der Dosierung läßt sich dadurch steuern, daß die Schrittimpulszahl und der Zeitabstand der Schrittimpulsfolgen über die Steuereinheit program­ miert werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Er­ findung weisen die Schrittimpulsfolgen eine in Abhän­ gigkeit von einer zu dosierenden Flüssigkeitsmenge be­ stimmte, konstante Schrittimpulszahl auf. Damit wird erreicht, daß der zur Verfügung stehende Kolbenhub in gleichlange Hubschritte unterteilt wird. Der Hubweg wird für alle Druckhubschritte auch über die Druckhub­ totlage hinaus dadurch konstant gehalten, daß beim Er­ reichen der Druckhubtotlage die momentan ausgeführte Schrittimpulsfolge um eine einen zwischengeschalteten vollständigen Füllhub bewirkende Anzahl von Schrittim­ pulsen verlängert wird. Damit wird auch ein weitgehen­ der Austausch der im Förderraum befindlichen, unter Um­ ständen ausgasenden Flüssigkeit gewährleistet.

Zur Ablaufsteuerung der Hubbewegung können die Getrie­ bemittel eine Nockenscheibe und einen die sich drehende Nockenscheibe in einer Geradführung abtastenden, die Hubbewegung auf das Verdrängerorgan übertragenden Hub­ stößel aufweisen. Dabei wird eine weitere Verbesserung hinsichtlich der erreichbaren Hubfrequenz bei gegebener Motordrehzahl dadurch erreicht, daß die Nockenscheibe mehrere, vorzugsweise drei symmetrisch über ihren Schei­ benumfang verteilt angeordnete Nocken besitzt. Um einen schnelleren Verdrängungshub von einem langsameren und dadurch kavitationsfrei ablaufenden Füllhub zu trennen, können die Nocken eine unsymmetrische, vorzugsweise steil auflaufende und flacher abfallende Nockenbahn auf­ weisen. Der die Nockenbahn abtastende Hubstößel wird dadurch zwangslaufgesichert, daß er unter der Einwirkung einer vorgespannten Rückstellfeder kraftschlüssig ra­ dial gegen die Nockenscheibe gedrängt wird.

Zur Erreichung hoher Förderdrücke und einer hohen Win­ kelauflösung ist es günstig, wenn die Getriebemittel ein dem Stellmotor nachgeordnetes Untersetzungsgetriebe aufweisen.

Vorteilhafterweise werden Abdichtungsprobleme insbeson­ dere bei aggressiven Flüssigkeiten dadurch vermieden, daß das Verdrängerorgan als eine vorzugsweise aus einem Ethylen-Propylen-Elastomer bestehende Membran ausgebil­ det ist. Aus Redundanzgründen können an der Ein- und Auslaßseite des Förderraums jeweils zwei hintereinan­ dergeschaltete, in Fördergegenrichtung sperrende Rück­ schlagventile angeordnet sein.

In verfahrensmäßiger Hinsicht wird die eingangs genann­ te Aufgabe dadurch gelöst, daß die Hubbewegungen schrittweise durch Steuerung des Antriebsmotors in vor­ gegebenen Drehschritten ausgeführt werden. Dabei können die Drehschritte einen in Abhängigkeit von einer einzu­ stellenden Dosiermenge vorgegebenen, konstanten Drehweg aufweisen. Dieser läßt sich auch über die Druckhubtot­ lage des Verdrängerorgans hinaus beibehalten, wenn der im Totpunkt weiter auszuführende Drehschritt zur Bewir­ kung eines zwischengeschalteten, vollständigen Füllhubs verlängert wird.

Die Erzeugung eines zeitlich veränderlichen Dosierflüs­ sigkeitsstroms wird dadurch erreicht, daß die Zeitab­ stände der im wesentlichen mit konstanter Winkelge­ schwindigkeit und damit konstanter Drehdauer ausgeführ­ ten Drehschritte durch Stillstandsphasen variiert wer­ den.

In bevorzugter Weise werden die Drehschritte jeweils durch eine vorgegebene, vorzugsweise durch ein Unter­ setzungsgetriebe übersetzte Anzahl von Einzelschritten eines Schrittmotors erzeugt. Damit wird eine automati­ sche Ablaufsteuerung auf einfache Weise möglich.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher er­ läutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Dosierpumpe mit Schubkurvengetriebe und Membrankolben in teilweise geschnittener, teil­ weise schematischer Darstellung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf das Getriebe der Dosierpum­ pe nach Fig. 1;

Fig. 3a bis e Zeitdiagramme von Dosierabläufen in vier Hubschritten bei zwei verschiedenen Schrittwei­ ten.

Die in der Zeichnung schematisch dargestellte Dosierpum­ pe besteht im wesentlichen aus einem Schrittmotor 10, einem Getriebe 12, einer über das Getriebe 12 in einer Hubbewegung angetriebenen Verdrängermembran 16 sowie einer mikroprozessorgestützten Steuereinheit 11 zur An­ steuerung des Schrittmotors 10.

Das Getriebe 12 weist ein die Drehbewegung des Schritt­ motors 10 untersetzendes Zahnradgetriebe 18 aus Zahnrä­ dern 20, 22, 24, 26 auf (Fig. 1). Ferner umfaßt das Ge­ triebe 12 eine auf der Abtriebswelle 28 des Unterset­ zungsgetriebes 18 sitzende Nockenscheibe 30 und einen die Mantelfläche 32 der sich drehenden Nockenscheibe 30 abtastenden und dabei eine hin- und hergehende Hubbewe­ gung auf das einen Druck- und Füllhub ausführende Ver­ drängerorgan 16 übertragenden Hubstößel 34.

Die Nockenscheibe 30 besitzt drei im Winkelabstand von 120° ausgebildete Radialnocken 36, 38, 40 von geringer Nockenhöhe, deren Kontur unsymmetrisch ausgeführt ist, wobei die steilere Auflaufflanke eine schnellere Hubbe­ wegung ermöglicht als die flachere Ablaufflanke.

Der Hubstößel 34 ist in einer Führungshülse 42 an einem Flanschteil 44 in Radialrichtung der Nockenscheibe 30 geradlinig geführt. Zur Bewegungsübertragung ist der Stößel 34 an seinem antriebsseitigen Ende mit einer drehbar gelagerten Laufrolle 46 versehen, welche unter der Kraft einer vorgespannten Rückstellfeder 48 zwangs­ laufgesichert auf der Nockenbahn 32 der sich drehenden Nockenscheibe 30 abwälzt. An seinem gegenüberliegenden Ende ist der Stößel 34 mit einem domförmigen Kopfstück 50 versehen, welches flächig mit einem kuppelförmigen Zentralstück 54 der einen Förderraum 52 überdeckenden Membran 16 verbunden ist.

Aufgrund ihrer Elastizität kann die Membran 16 mit ih­ rem Zentralstück 54 der Hubbewegung des Stößels 34 fol­ gen, während der randseitige Membranbereich gehäusefest eingespannt bleibt. Dabei wird der Förderraum 52 wäh­ rend des Druckhubs unter Ausstoß einer entsprechenden Flüssigkeitsmenge verkleinert und in umgekehrter Weise während des Füllhubs unter Nachströmen von Flüssigkeit neu befüllt. Die Strömungsrichtung der Flüssigkeit wird durch Rückschlagventile 56, 58, 60, 62 bestimmt, die im Einlaßkanal 64 und im Auslaßkanal 66 des Förderraums 52 jeweils paarweise hintereinandergeschaltet sind.

Im folgenden wird die Betriebsweise der vorstehend be­ schriebenen Dosierpumpe im einzelnen erläutert. Das Arbeitsprinzip besteht darin, daß der zur Verfügung stehende Hubweg des Stößels 34 bzw. der Membran 16 in Teilschritte entsprechend einem gewünschten Dosiervolu­ men unterteilt wird, wobei der Dosierverlauf in einem Dosierzyklus durch eine zeitgesteuerte Ausführung der Teilschritte bestimmt wird. Aufgrund der bekannten Übersetzung des Getriebes 12 ist es möglich, den Hub­ schritten vorgegebene Drehschritte des Antriebsmotors 10 zuzuordnen. Die Ablaufsteuerung erfolgt nun dadurch, daß die Drehschritte in der Druckhubphase des Verdrän­ gerorgans 16 mit konstanter Drehweite und Drehdauer ausgeführt werden, wobei gegebenenfalls die Drehbewe­ gung durch Stillstandsphasen zwischen den Drehschritten unterbrochen wird. Bei Erreichen der Druckhubtotlage wird der momentane Drehschritt so verlängert, daß ein vollständiger Füllhub des Verdrängerorgans an einen ausgeführten Druckhubschritt angehängt bzw. bei einem weiter aus zu führenden Druckhubschritt zwischengeschal­ tet wird.

Die zeitliche Abfolge der Drehschritte wird durch ein von der Steuereinheit ausgeführtes Programm festgelegt, wie es beispielhaft in Fig. 3a für vier jeweils einen Drehschritt auslösende Startbefehle 68 gezeigt ist. Bei jedem Startbefehl 68 wird der Schrittmotor 10 mit einer Folge von Schrittimpulsen beaufschlagt, deren Anzahl entsprechend dem gewünschten Drehschritt vorgegeben wird. Die Schrittimpulsfrequenz bleibt dabei zur Erhal­ tung eines günstigen Motordrehmoments konstant.

In Fig. 3b ist der zeitliche Verlauf des durch den Stößel 34 bzw. die Membran 16 zurückgelegten Hubwegs h für den Ball dargestellt, daß durch jeden Startbefehl ein vollständiger Druckhub 70 (Druckhubtotlage h = 0, Füllhubtotlage h = 1) ausgelöst wird. Dabei erfolgt die Weiterschaltung der Drehschritte insofern prozeßabhän­ gig, als ein Startbefehl erst nach Beendigung des vor­ angehenden Drehschritts ausgeführt wird (vgl. Schritt 3 in Fig. 3a, b). Zur Veranschaulichung ist der Hubwegver­ lauf vereinfacht linearisiert dargestellt, wobei die Nockenkontur nur qualitativ hinsichtlich der unterschied­ lichen Hubdauern von Füllhub 72 und Druckhub 70 berück­ sichtigt wurde.

In Fig. 3c ist der Hubwegverlauf für den Fall darge­ stellt, daß die Druckhubschritte 74 jeweils die Hälfte der zur Verfügung stehenden Hubhöhe h betragen. Die Druckhubphase wird also in zwei durch Stillstandsphasen 76 unterbrochene Hubschritte 74 unterteilt, wobei beim zweiten und vierten Hubschritt jeweils ein Füllhub 72 unmittelbar folgt.

In Fig. 3d ist der zeitliche Verlauf der Dosiermenge in willkürlichen Einheiten für die Hubschrittfolge nach Fig. 3b dargestellt, während der in Fig. 3e gezeigte Zeitablauf der Hubschrittfolge nach Fig. 3c zugeordnet ist. Aus dem dargestellten Dosierverlauf wird ersicht­ lich, daß das Dosiervolumen in einem Dosierzyklus so­ wohl hinsichtlich des Gesamtbetrags als auch der zeit­ lichen Zunahme in weiten Grenzen einstellbar ist.

Zusammenfassend ist folgendes festzustellen: Die Erfin­ dung betrifft eine Dosierpumpe und ein Dosierverfahren für Flüssigkeiten, bei welchem die Drehbewegung eines Antriebsmotors 10 über Getriebemittel 12 in eine Hubbe­ wegung eines auf einen Förderraum 52 einwirkenden Ver­ drängerorgans 16 umgewandelt wird. Zur einfachen Steue­ rung der Dosiermenge und des Dosierablaufs wird vorge­ schlagen, Mittel 11, 10, 12 zur Steuerung des Hubwegs h des Verdrängerorgans 16 in vorgegebenen Hubschritten einzusetzen.

Claims (19)

1. Dosierpumpe, insbesondere für hochviskose Flüssig­ keiten, mit einem in einen Förderraum (52) eingrei­ fenden, motorisch über vorzugsweise mechanische Ge­ triebemittel (12) in einer oszillierenden Hubbewe­ gung antreibbaren Verdrängerorgan (16), gekenn­ zeichnet durch Mittel (10, 11) zur Steuerung des Hubwegs des Verdrängerorgans (16) in vorgegebenen Hubschritten.

2. Dosierpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Mittel (10, 11) zur Hubsteuerung einen vorgegebene, über die Getriebemittel (12) in die Hubschritte umgewandelte Drehschritte ausführenden elektrischen Stellmotor (10) aufweisen.

3. Dosierpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der die Drehschritte erzeugende Stellmotor als Schrittmotor (10) ausgebildet ist.

4. Dosierpumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mittel (10, 11) zur Hubsteuerung eine vorzugsweise einen Mikroprozessor umfassende Steuereinheit (11) aufweisen, welche den Stellmotor (10) zur Ausführung der Drehschritte ansteuert.

5. Dosierpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Steuereinheit (11) den Schrittmotor (10) mit die Drehschritte erzeugenden Schrittimpuls­ folgen von jeweils vorgegebener Schrittimpulszahl bei gegebener Schrittimpulsfrequenz beaufschlagt.

6. Dosierpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schrittimpulszahl und der Zeitabstand der Schrittimpulsfolgen zur Steuerung des Dosierab­ laufs über die Steuereinheit (11) frei programmier­ bar ist.

7. Dosierpumpe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schrittimpulsfolgen während der Druckhubphase (70, 70′) des Verdrängerorgans (16) eine in Abhängigkeit von einer zu dosierenden Flüs­ sigkeitsmenge bestimmte, konstante Schrittimpulszahl aufweisen, wobei beim Erreichen der Druckhubtotlage (h = 0) die momentan ausgeführte Schrittimpulsfolge um eine einen zwischengeschalteten, vollständigen Füllhub (72) bewirkende Anzahl von Schrittimpulsen verlängert wird.

8. Dosierpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Getriebemittel (12) eine Nockenscheibe (30) und einen die sich drehende Nockenscheibe (30) in einer Geradführung (42) abta­ stenden, die Hubbewegung auf das Verdrängerorgan (16) übertragenden Hubstößel (34) aufweisen.

9. Dosierpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Nockenscheibe (30) mehrere, vorzugs­ weise drei symmetrisch über ihren Scheibenumfang verteilt angeordnete Nocken (36, 38, 40) besitzt.

10. Dosierpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Nocken (36, 38, 40) eine unsymmetrische, vorzugsweise steil auflaufende und flacher abfal­ lende Nockenbahn aufweisen.

11. Dosierpumpe nach einem der Ansprüche 8 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß der Hubstößel (34) unter der Einwirkung einer vorgespannten Rückstellfeder (48) kraftschlüssig radial gegen die Nockenscheibe (30) gedrängt wird.

12. Dosierpumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die Getriebemittel (12) ein dem Stellmotor (16) nachgeordnetes Untersetzungs­ getriebe (18) aufweisen.

13. Dosierpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß das Verdrängerorgan (16) als eine gegen aggressive Flüssigkeiten inerte, vorzugsweise aus einem Ethylen-Propylen-Elastomer bestehende Membran ausgebildet ist.

14. Dosierpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß an der Ein- und Auslaß­ seite des Förderraums (52) jeweils zwei hinterein­ andergeschaltete, in Fördergegenrichtung sperrende Rückschlagventile (56, 58; 60, 62) angeordnet sind.

15. Dosierverfahren für Flüssigkeiten, insbesondere zum Betrieb einer Dosierpumpe nach einem der vorstehen­ den Ansprüche, bei welchem die Drehbewegung eines Antriebsmotors (10) über Getriebemittel (12) in ei­ ne Hubbewegung eines auf einen Förderraum (52) ein­ wirkenden Verdrängerorgans (16) umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubbewegungen schrittweise durch Steuerung des Antriebsmotors (10) in vorgegebenen Drehschritten ausgeführt wer­ den.

16. Dosierverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Drehschritte während der Druck­ hubphase (70, 70′) des Verdrängerorgans (16) einen in Abhängigkeit von einer einzustellenden Dosier­ menge vorgegebenen, konstanten Drehweg aufweisen, wobei in der Druckhubtotlage (h = 0) der momentan aus­ geführte oder weiter auszuführende Drehschritt zur Bewirkung eines zwischengeschalteten, vollständigen Füllhubs (72) verlängert wird.

17. Dosierverfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitabstände der im wesent­ lichen mit konstanter Winkelgeschwindigkeit ausge­ führten Drehschritte zur Erzeugung eines veränder­ lichen Dosierflüssigkeitsstroms durch Stillstands­ phasen (76) variiert werden.

18. Dosierverfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehschritte je­ weils durch eine vorgegebene Anzahl von vorzugswei­ se durch ein Untersetzungsgetriebe (18) unterteil­ ten Winkelschritten eines Schrittmotors (10) er­ zeugt werden.

19. Dosierverfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Geschwindigkeits­ verlauf der Hubbewegung des Verdrängerorgans (16) über ein Kurvengetriebe (30, 46, 34) gesteuert wird.