-
Die
Erfindung betrifft eine Membranpumpe für den Transport von Flüssigkeiten.
-
Eine
Membranpumpe in einer Ausführung als
Doppelmembranpumpe ist beispielsweise aus der
DE 33 10 131 A1 bekannt.
-
Ein
Pumpengehäuse
weist zwei Produkt- und zwei Druckkammern auf, die jeweils über eine Membran
voneinander getrennt werden. Die Membranen sind über eine gemeinsame Koppelstange
miteinander verbunden, die durch die zwei Druckkammern geführt wird.
-
Für den Betrieb
der Pumpe wird Druckluft abwechselnd in eine der beiden Druckkammern
geleitet, wobei die Membran der beaufschlagten Druckkammer einen
Förderhub
in die angrenzende Produktkammer und die zweite Membran aufgrund
der Koppelung über
die Koppelstange einen Saughub ausführt.
-
Das
wechselseitige Beaufschlagen und Entlüften der Druckkammern wird über eine
Steuerschiebervorrichtung erreicht, die parallel zu der Koppelstange
angeordnet ist, und zyklisch einzelne Steueröffnungen freigibt.
-
Derartige
Membranpumpen werden häufig zum
Fördern
von hochreinen und/oder feuergefährlichen
Flüssigkeiten
verwendet. Zum einen weisen sie lediglich statische Dichtungen auf,
die mit der Förderflüssigkeit
in Berührung
kommen und zeichnen sich somit durch eine äußerst geringe Verunreinigung
der Produktflüssigkeit
durch Verschleißpartikel
aus. Zum anderen erfolgt der Antrieb und die Umsteuerung der Pumpe
auf rein mechanischer Basis, so daß von besonderen Sicherheitsmaßnahmen
zum Feuerschutz, wie es bei elektrisch angetriebenen oder betätigten Pumpen
erforderlich ist, abgesehen werden kann.
-
Besondere
Anforderungen werden an (Membran-)Pumpen ferner dann gestellt, wenn
diese im Sterilbereich, beispielsweise auf dem Pharmasektor oder
in der Biochemie, eingesetzt werden sollen. Dabei wird neben den
bereits angesprochenen Anforderungen hinsichtlich einer möglichen
Produktverunreinigung vorausgesetzt, daß die Pumpen vor dem Abschalten
vollständig
leerlaufen können,
so daß keine Restmengen
der Produktflüssigkeit
in der Pumpe zurückbleiben.
-
Der
Erfindung liegt nun das Problem zugrunde, eine Membranpumpe, wie
sie beispielsweise aus der
DE
33 10 131 A1 bekannt ist, für das Fördern einer Flüssigkeit
im Sterilbereich zu verbessern und insbesondere ein vollständiges Leerlaufen
der Pumpe zu ermöglichen.
-
Diese
Aufgabe wird durch den Gegenstand der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen
werden in den abhängigen
Ansprüchen
aufgeführt.
-
Erfindungsgemäß können sämtliche
Flüssigkeit
führenden
Flächen
der Pumpe geneigt angeordnet sein. Dadurch kann verhindert werden,
daß es beim
Leerlaufen der Pumpe zu Produktablagerungen auf nicht geneigten
Flächen
kommen kann.
-
Unter "sämtliche" Flächen
wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Ausführung verstanden, die
mindestens diejenigen Flächen
betrifft, die es erlauben, die erfindungsgemäße Aufgabe im wesentlichen,
d.h. vorteilhaft gegenüber
dem Stand der Technik, zu lösen.
-
Unter "geneigt" wird im Sinne der
vorliegenden Erfindung eine Lage einer Fläche (in der Betriebsposition
der Pumpe) verstanden, die nicht senkrecht zur Richtung der Schwerkraft
oder einer resultierenden aus der Schwerkraft und einer weiteren Kraft
ist.
-
Unter "Flüssigkeit
führender
Fläche" wird erfindungsgemäß eine Fläche verstanden,
die mit der Flüssigkeit
aufgrund der Wirkung der Schwerkraft oder einer resultierenden aus
der Schwerkraft und einer weiteren Kraft in Berührung kommt, und folglich insbesondere
die untere Begrenzungsfläche
oder das untere Flächensegment
(beispielsweise bei einem kreisförmigen
Querschnitt) einer die Flüssigkeit leitenden
Kammer oder Leitung darstellt.
-
Vorzugsweise
sind nicht nur die Flüssigkeit führenden
Flächen
der Pumpe geneigt angeordnet, sondern sämtliche Flächen, die mit der Flüssigkeit
in Berührung
kommen.
-
Weiterhin
kann vorgesehen sein, die Verbindung von zwei aneinandergrenzenden
Flüssigkeit führenden
Flächen
zumindest teilweise stufenlos auszubilden.
-
Unter "stufenlos" werden erfindungsgemäß insbesondere
ebene Übergänge ohne
erkennbare Stoßkante
verstanden; jedoch kann hierunter auch ein Absatz fallen, der eine
Bewegung entgegen der Schwerkraft der durch die Pumpe strömenden Flüssigkeit
nicht erfordert.
-
Hierdurch
kann verhindert werden, daß sich beim
Leerlaufen der Pumpe Reste der Flüssigkeit an vorhandenen Stufen
anlagern und in der Pumpe verbleiben.
-
In
konventionellen Pumpen zeigen sich insbesondere die Ventilsitze
der Rückschlagventile
als derartige Stufen.
-
Eine
erfindungsgemäße Ausführung eines Rückschlagventils
kann daher ein Ventilgehäuse
aufweisen, das zwei Abschnitte mit unterschiedlichen Innenmaßen aufweist,
wobei der Übergang
zwischen den Abschnitten den Ventilsitz darstellt, und die zwei Abschnitte
derart versetzt zueinander angeordnet sind, daß der Übergang zwischen den Abschnitten des
Ventilgehäuses
in einem Bereich des Ventilsitzes stufenlos ist.
-
Insbesondere
eignen sich hierzu Gehäuseabschnitte
eines Kugel-Rückschlagventils
mit einem (inneren) kreisförmigen
Querschnitt.
-
Um
ein Abfließen
der gesamten Flüssigkeit beim
Leerlaufen der Pumpe zu gewährleisten,
ist der stufenlose Abschnitt des Ventilsitzes vorzugsweise auf derjenigen
Seite des Rückschlagventils
angeordnet, auf der die Flüssigkeit
aufgrund der Schwerkraft abfließt
(Schwerkraftseite).
-
Ferner
kann eine Einrichtung vorgesehen sein, die es erlaubt, die Sperrkörper der
Rückschlagventile
der Pumpe, z.B. durch Erzeugen eines magnetischen Felds, unabhängig von
den durch die Pumpe erzeugten Druckverhältnissen aus ihrem Ventilsitz abzuheben.
-
Rückschlagventile,
die sich für
den Einsatz in der erfindungsgemäßen Pumpe
eignen, weisen ein Ventilgehäuse
und ein darin beweglich gelager tes Sperrelement auf. Mindestens
ein Abschnitt des Sperrelements weist (ferro)magnetische oder entsprechend
magnetisierbare Eigenschaften auf und kann durch Aufbringen einer äußeren Magnetkraft aus
seinem Ventilsitz gehoben werden.
-
Das
bedarfsweise Öffnen
der Ventile über eine
magnetische Kraft ist insbesondere aus dem Grund vorteilhaft, daß auf mechanische
Ventilheber verzichtet werden kann, die häufig von außen durch das Ventilgehäuse zu dem
Sperrkörper
geführt
werden und somit mit den Nachteilen behaftet sind, daß sie weitere
(bewegliche) Bauteile innerhalb der Pumpe darstellen und ferner
eine zusätzliche
Dichtung in dem Ventilgehäuse
bedingen.
-
In
einer vorteilhaften Ausführungsform
werden zur Erzeugung des magnetischen Felds Permanentmagnete verwendet,
die temporär,
d.h. lediglich zum Öffnen
der Ventile unabhängig
von den Druckverhältnissen,
an den Ventilen angeordnet werden. Bei metallischen Ventilgehäusen mit
magnetischen Eigenschaften haften die Permanentmagnete an den vorgesehenen
Stellen dann in der Regel selbständig, so
daß auf
weitere Haltevorrichtungen häufig
verzichtet werden kann.
-
Der
Einsatz von Permanentmagneten hat insbesondere den Vorteil, daß der Einsatz
von Elektrizität
nicht erforderlich ist, was die Verwendung derartiger Ventile für den Transport
von beispielsweise feuergefährlichen
Flüssigkeiten
ermöglicht
bzw. erleichtert.
-
Vorzugsweise
weist das Ventilgehäuse
im Bereich des Ventilsitzes einen kreisförmigen Querschnitt auf wobei
das Sperrelement in Form einer Kugel ausgeführt ist. Derartige Kugel-Rückschlagventile zeichnen
sich durch ein sicheres Verschließen aus, so daß auf eine
besondere Führung
des Sperrelements verzichtet werden kann.
-
Der
(ferro)magnetische Abschnitt des Kugel-Rückschlagventils kann insbesondere
als Kugelkern ausgebildet sein. Dadurch kann das Material des Kugelmantels
bedarfsgerecht, beispielsweise entsprechend der zu fördernden
Flüssigkeit
ausgewählt
werden. Ferner kann durch die Verwendung von elastischen Werkstoffen
als Mantel die Dichtwirkung der Kugel in ihrem Ventilsitz verbessert
werden. Vorzugsweise wird PTFE als Werkstoff für den Kugelmantel verwendet.
-
Insbesondere
ferromagnetische Werkstoffe (hiervon insbesondere Eisen) eignen
sich für
die Ausbildung des Kugelkerns.
-
Ein
weiterer Vorteil eines Eisenkerns kann die Erhöhung des spezifischen Gewichts
der Kugel sein, die unter anderem zu einer Verbesserung der Saugwirkung
führen
kann. Über
eine Dimensionierung des Eisenkerns kann dies beeinflußt werden.
-
Ein
erfindungsgemäßes Rückschlagventil kann
ferner eine Form des Ventilsitzes aufweisen, die zu der Kontur des
Sperrelements in dem Kontaktbereich korrespondiert.
-
Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
als Kugelventil würde
dieses somit einen Ventilsitz aufweisen, dessen Ringfläche flächig konkav
mit einem dem Kugelradius entsprechenden Radius ausgeformt ist.
-
Die
Anpassung der Ringfläche
des Ventilsitzes an die Kontur des Sperrelements bewirkt, daß die effektive
Dichtfläche
und somit die Dichtwirkung vergrößert wird,
wohingegen konventionelle Kugelventile in der Regel lediglich einen
Ventilsitz in Form einer (Dicht-)Kante aufweisen.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
-
In
den Zeichnungen zeigt:
-
1 einen Querschnitt durch
eine erfindungsgemäße Doppelmembranpumpe;
-
2 eine Seitenansicht der
Doppelmembranpumpe der 1;
-
3 eine alternative Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Doppelmembranpumpe
und
-
4 eine perspektivische Detailansicht
eines Gehäuses
eines Rückschlagventils.
-
Die
in den 1 und 2 dargestellte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Doppelmembranpumpe
weist ein Pumpengehäuse 1 mit
zwei in den Außenbereichen
des Pumpengehäuses 1 liegenden
Produktkammern 2, 3 auf, durch die über außerhalb
des Gehäuses
liegende Zuleitungen 4 die Produktflüssigkeit gefördert wird.
-
Die
zwei Produktkammern 2, 3 sind jeweils über eine
Membran 5, 6 von entsprechenden Druckkammern 7, 8 getrennt.
Es kommen vollständig
glatte, durchgehende PTFE-Membranen ohne Membranteller und weiteren
Dichtungen zum Einsatz.
-
Im
Betrieb wird der Pumpe über
eine (nicht dargestellte) Zuleitung Druckluft zugeführt. Diese wird über die
Steuerschiebervorrichtung 9 abwechselnd entweder der linken
(8) oder rechten (7) Druckkammer zugeleitet. Während der
Beaufschlagung einer Druckkammer wird die jeweils andere Druckkammer
entlüftet.
-
Das
Füllen
einer Druckkammer 7, 8 mit Druckluft führt zu einem
Arbeitshub, den die entsprechende Membran 5, 6 in
die Produktkammer 2, 3 hinein ausführt (in 1 die rechte Kammer 2).
Der Arbeitshub der rechten Membran 5 verringert somit das effektive
Volumen der Produktkammer 2 und fördert die Produktflüssigkeit
durch das rechte Auslaßventil 10 zu
dem Pumpenauslaß 11.
-
Gleichzeitig
wird die linke Membran 6 durch eine Koppelung der zwei
Membranen 5, 6 mittels einer Koppelstange 12 in
die entsprechende Druckkammer 8 zurückgezogen, wobei diese entlüftet wird. Durch
diesen Saughub wird das effektive Volumen der linken Produktkammer 3 erhöht und Flüssigkeit durch
das linke Einlaßventil 13 angesaugt,
wobei dessen Sperrkörper
in Form einer Kugel 14 von dem Ventilsitz 15 abgehoben
wird und somit einen Durchfluß freigibt.
Die Bewegung der Kugeln 14 der Rückschlagventile wird durch
einen Hubbegrenzer 16 eingeschränkt. Gleichzeitig wird die
Kugel 14 des linken Auslaßventils 17 in den
Ventilsitz 15 gezogen, wodurch es den Auslaß verschließt.
-
Sobald
die rechte Membran 5 ihren Arbeitshub beendet hat, wird
die Druckluft in die linke Druckkammer 8 umgeleitet. Die
linke Membran 6 beginnt dementsprechend ihren Arbeitshub,
während
die rechte Membran 5 einen Saughub ausführt.
-
Vielfach
ist es nun nötig,
die Pumpe vor dem Abschalten oder einem Wechsel der zu fördernden Flüssigkeit
leerlaufen zu lassen.
-
Hierzu
werden auf alle Ventile – dargestellt
in 1 lediglich für die rechte
Pumpenhälfte – Permanentmagnete 18 aufgesetzt.
Die Permanentmagnete 18 erzeugen ein magnetisches Feld,
das die Kugeln der Rückschlagventile,
die einen (nicht dargestellten) ferromagnetischen Eisenkern aufweisen,
von den Ventilsitzen 15 abhebt. Somit sind sämtliche
Zu- und Abläufe,
unabhängig
von der Hubstellung der Membrane 5, 6 geöffnet. Die
Flüssigkeit
kann - der Schwerkraft folgend, entgegengesetzt der Förderrichtung – aus der
Pumpe laufen.
-
Ein
fortdauernder Betrieb der Pumpe mit gegebenenfalls reduzierter Schlagzahl
kann dabei das Leerlaufen der Pumpe noch unterstützen.
-
Um
einen Zurückbleiben
von Produktresten zu verhindern, sind sämtliche Flächen der Pumpe, die mit der
Flüssigkeit
in Berührung
kommen, erkennbar geneigt, d.h. nicht waagerecht ausgeführt.
-
Das
Abfließen
der Flüssigkeit
kann ferner durch eine Behandlung der Oberflächen mit dem Ziel, die mittlere
Rautiefe zu verringern, unterstützt
werden.
-
Weiterhin
sind keine Absätze
zwischen Flächen
vorgesehen, die eine Bewegung der während des Leerlaufens abfließenden Produktflüssigkeit
entgegen der Schwerkraft nötig
machen würden.
-
Insbesondere
sind die Ventilgehäuse
derart ausgeführt,
daß die
abfließende
Flüssigkeit
keinen Absatz überwinden
muß. Die
Ventilgehäuse
bestehen dazu aus zwei kreisförmigen
Abschnitten, die einen unterschiedlichen Durchmesser aufweisen und derart
versetzt zueinander angeordnet sind, daß sie im unteren Bereich absatzlos
und geradlinig ineinander übergehen.
-
Um
dabei einen sicheren und dichten Sitz der Kugeln 14 zu
gewährleisten,
ist der ringförmige Ventilsitz 15 bzw.
die hierdurch gebildete Ebene nicht senkrecht zu den Mittelachsen
der zwei Abschnitte angeordnet, sondern befindet sich in einer hierzu
geneigten Stellung.
-
Weiterhin
sind die Ventilsitze 15 flächig konkav ausgebildet mit
einem Radius, der demjenigen der Kugel im wesentlichen entspricht.
Dadurch werden Dichtflächen
zwischen den Ventilsitzen 15 und den Kugeln 14 erreicht,
die im Vergleich zu Dichtkanten die Abdichtung verbessern können (vgl.
auch 4).
-
Derartige
Ventilsitze können
vorteilhaft durch die Verwendung eines Kugelfräsers erzeugt werden. Dieser
würde im
vorliegenden Ausführungsbeispiel parallel,
jedoch leicht versetzt zu der Mittellängsachse des kleineren Ventilgehäuseabschnitts
auf diesen zugeführt
werden und dem Ventilsitz, der sich bereits durch die Durchdringung
der zwei Ventilgehäuseabschnitte
gebildet hat, die konkave Form einprägen.
-
3 zeigt eine alternative
Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Pumpe,
die sich von derjenigen der 1 lediglich
durch ihre Ausführung als
Doppelmembranpumpe mit Tandemmembranen 5a, b, 6a, b unterscheidet.
Diese können
aufgrund der Sperrkammern 19, 20 innerhalb einer
Tandemmembran 5a,b, 6a,b auch extremen Sicherheitsanforderungen
genügen.
-
Durch
den modularen Aufbau kann eine erfindungsgemäße Doppelmembranpumpe auf einfache
Weise zu einer Tandempumpe aufgerüstet werden.
-
Durch
die erfindungsgemäße Verbesserung einer
Membranpumpe ist diese nunmehr geeignet, auch für das Fördern von Flüssigkeiten
im Sterilbereich, beispielsweise auf dem Pharmasektor oder im Bereich
der Biochemie eingesetzt zu werden. Hierzu wurden bisher ausschließlich rotierende
Pumpen verwendet.