DE4228193C1 - Vorrichtung zur Regelung der Fördermenge einer gedrosselten Pumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung der Fördermenge einer Pumpe mit einem Pumpengehäuse, in welchem das zu fördernde Medium über einen Saugeinlaß in eine Pumpenkammer und von dort in einen Auslaß geleitet wird.

Derartige Pumpen sind in vielfältiger Ausführungsform bekannt, insbesondere sind handelsüblich sogenannte Miniaturpumpen mit einer Förderleistung zwischen 200 und 1000 mL pro Minute auf dem Markt, um für die Probennahme einer Gasanalyse möglichst kleine Probenmengen zu fördern. Zum Zwecke der Analyse noch geringerer Probenmengen ist die Förderleistung an der Pumpe selbst nicht mehr drosselbar, da die Nenndrehzahl einer Miniaturpumpe nicht weiter reduziert werden kann, ohne daß Unregelmäßigkeiten in der Fördermenge auftreten. Eine einfache Methode, die Fördermenge zu reduzieren, besteht zwar darin, im Leitungszug eine entsprechende Drossel vorzusehen. Eine solche Drossel muß jedoch auf die Pumpencharakteristik abgestimmt sein, die gerade bei Miniaturpumpen auch bei Serienfertigung hoher Stückzahl soweit untereinander abweichen können, daß die für geringste Fördermengen notwendige kleine Fehlerabweichung nicht eingehalten werden kann. So kann bei einem typischen Durchfluß von etwa 200 mL pro Minute trotz enger Fertigungstoleranzen der Istwert immer noch um etwa 20% schwanken. Für die Anwendung z. B. in der Gasmeßtechnik sind deutlich höhere Genauigkeiten gefordert. Der nachträgliche Einbau einer Drossel in die Förderleitung schließt nicht aus, daß wegen der Fertigungstoleranzen dennoch eine ungeeignete Drossel ausgewählt wurde, die in Zusammenwirkung mit der genutzten Pumpe dennoch die Förderleistung nicht auf den genau einzustellenden Wert reduziert.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Regelung der Fördermenge so zu verbessern, daß die Fördermenge auf einen möglichst genau und reproduzierbar im betriebsmäßigen Arbeitszustand der Pumpe einstellbaren Wert gebracht und geregelt werden kann.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt dadurch, daß im saugseitigen Bereich des Einlasses oder im druckseitigen Bereich des Auslasses eine poröse Membran quer zum Strömungsweg vorgesehen ist, und daß die Membranoberfläche einem solchen Bereich des Pumpengehäuses gegenüberliegt, der für einen von außerhalb des Gehäuses auf die Membranoberfläche zu richtenden Laserstrahl einer Laserquelle durchlässig ist.

Der Vorteil der Erfindung liegt im wesentlichen darin, daß die Drossel in Form einer porösen Membran Bestandteil des Pumpengehäuses ist, und daß die Membran mit Hilfe eines Laserstrahles während des Betriebs der Pumpe soweit getrimmt werden kann, daß ihr Strömungswiderstand demjenigen der gewünschten Förderleistung entspricht. Der Laserstrahl ist in der Weise auf die Membranoberfläche zu richten, daß gezielt Poren durch die Laserstrahlenergie entweder zugeschweißt oder geöffnet werden, so daß Zug um Zug die Membrandurchlässigkeit eingestellt wird.

Fertigungstoleranzen bzw. -schwankungen der einzelnen Pumpen in ihrer Förderleistung werden während des Trimmvorganges dabei automatisch berücksichtigt. Die Anpassung der Förderleistung der Pumpe kann im eingebauten Zustand erfolgen, ohne daß der gesamte Förderkreislauf verändert zu werden braucht. Zur Durchführung einer Abstimmung der Förderleistung auf den gewünschten Wert saugt die angeschlossene Pumpe durch die Membran eine bestimmte, schon reduzierte Fördermenge an Probenmedium an. Saugseitig wird dann der so entstehende Unterdruck mittels eines Drucksensors gemessen. Ein Laser, z. B. ein Neon-YAG-Laser mit einer Laserwellenlänge von 1054 Nm und einer relativ geringen Leistung (ca. 2 Watt) wird durch den durchlässigen Bereich des Pumpengehäuses auf die Membran gerichtet, und mittels einer X-Y-Verstellung wird der Laserstrahl in Linienform, Kreisform oder Spiralform oder ähnlichen Figurenbeschreibungen über die Membran geleitet. Dabei ist die Lasereinstellung entweder so zu wählen, daß die Membran nur oberflächlich angeschmolzen wird, so daß entsprechende Poren zugeschmolzen werden oder so zu wählen, daß die Membran durchlöchert wird, damit zusätzliche oder größere Poren entstehen. In einem geschlossenen Regelkreis werden Vorschub, Laserleistung und Strahlbreite so aufeinander abgestimmt, daß die zeitliche Änderung von Unterdruck bzw. Durchfluß mit Hilfe des eingesetzten Drucksensors noch aufgelöst werden kann. Ist der gewünschte Unterdruck bzw. Durchfluß erreicht, wird der Laser abgestellt und die Abstimmung ist beendet. Die auf diese Weise kalibrierte Membran bleibt Bestandteil der Pumpe und sichert somit eine gleichbleibend genaue Förderleistung.

Eine geeignete Membran besteht aus einer Aluminiumfolie mit einer Dicke von etwa 80 Mikrometern und einer Porengröße von etwa 1,2 Mikrometern. Die poröse Aluminiumfolie wird zum Beispiel über den saugseitigen Einlaßkanal gespannt, und zwar dem für den Laserstrahl durchsichtigen Bereich gegenüberliegend, welcher aus einem Stoff wie Quarzglas oder Saphir oder PMMA (Polymethylmethacrylat) besteht.

Auf einfache Weise wird die Pumpe als eine Membranpumpe mit je einem Einlaß- und einem Auslaßventil betrieben, und die Membran strömungsmäßig vor dem Einlaßventil angeordnet und der durchlässige Bereich im die Ventile abschließenden Gehäusedeckel vorgesehen. Dadurch ist eine einfache Montage sowohl für die abzustimmende Membran als auch für die Ventilanordnung gegeben, und bei etwa verstopften oder durchlässig gewordenen Membranen kann diese auf einfache Weise ausgetauscht werden, indem der Deckel entfernt wird und die Membran aus dem Einlaß entnommen wird.

Ein vorteilhaftes Verfahren zur Kalibrierung der Förderleistung einer Pumpe besteht darin, daß die im saugseitigen Bereich des Einlasses oder im druckseitigen Bereich des Auslasses quer zum Strömungsweg befindliche poröse Membran als Drossel vorgesehen ist, daß die Pumpe während des Pumpbetriebs durch einen saugseitigen Drucksensor in ihrer Förderleistung überwacht wird, daß ein in Leistung und Position veränderbarer Laserstrahl eines Lasers auf die Membran gerichtet wird, der durch einen für den Laserstrahl durchlässigen und der Membran gegenüberliegenden Bereich des Pumpengehäuses durchtritt und daß durch Variation der Laserleistung entweder zusätzliche Membranporen erzeugt, oder vorhandene vergrößert oder verschlossen werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden näher erläutert und ist in den Figuren dargestellt.

Es zeigen

Fig. 1 eine Membranpumpe im Schnitt,

Fig. 2 eine Detaildarstellung der eingespannten porösen Membran,

Fig. 3 ein Blockdiagramm für eine Vorrichtung zur Regelung der Abstimmung der Membrandurchlässigkeit.

Eine in Fig. 1 dargestellte Membranpumpe besitzt in ihrem Antriebsgehäuse (1) einen Exzenterantrieb (2), der über einen Exzenter (3) und eine Pleuelstange (4) eine Pumpenmembran (5) in eine Schwingbewegung versetzt, so daß das zu fördernde Medium in einer Pumpenkammer (6) aus einem Saugeinlaß (7) über eine poröse Membran (8) und ein Einlaßventil (9) angesaugt und über ein Auslaßventil (10) dem Auslaß (11) zugeführt wird. Die Strömungsrichtung des zu fördernden Mediums, ob gasförmig oder flüssig, ist mittels der Richtungspfeile (12) angedeutet. Der Pumpenkopf (13) enthält die Ventile (9, 10) sowie die Membran (8), und er ist mit dem Pumpendeckel (14) abgeschlossen, in welchem der Saugeinlaß (7) und der Auslaß (11) aufgenommen sind.

Die Aufnahme der porösen Membran (8) ist in Fig. 2 in einer vergrößerten Einzeldarstellung detailliert aufgezeigt, wobei die Membran (8) zwischen dem Pumpendeckel (14) und dem Pumpenkopf (13) quer über den Saugeinlaß (7) gespannt und mit Hilfe zweier O-Ringe (15) abgedichtet ist. Ein von einem nicht dargestellten Neonlaser abgegebener Laserstrahl (16) durchtritt einen aus Saphir gebildeten Bereich (17) im Pumpendeckel (14) und trifft auf die Membran (8). Die Porosität der Membran (8) ist mit Hilfe liegender Kreuze dargestellt. An der Auftreffstelle des Laserstrahls (16) auf der Membran (8) schmelzen wegen der Hitzewirkung des Laserstrahls (16) die dort befindlichen Poren der Membran (8) zu, so daß bei laufender Pumpe der saugseitig entstehende Unterdruck erhöht wird.

Das Blockschaltbild nach Fig. 3 zeigt die Membranpumpe symbolhaft als Fördereinheit (30), welche über den Einlaß (7) durch die Membran (8) hindurch entsprechend dem Richtungspfeil (12) das zu fördernde Medium saugt. Strömungsmäßig hinter der Membran (8) befindet sich ein Anschluß für einen Drucksensor (31), der ein elektrisches Drucksignal an einen Regler (32) abgibt, der das gemessene Drucksignal mit einem Vorgabewert aus einer Sollwerteingabe (33) für den gewünschten Unterdruck vergleicht. Solange der Sollwert von dem Istwert abweicht, wird ein Stellsignal an eine Zweikoordinatenstellvorrichtung (34) abgegeben, der den Laser (35) in zwei Koordinaten derart verstellt, daß der Laserstrahl (16) nach einem vorgegebenen, über den Regler (32) und den Koordinatenversteller (34) (X-Y-Verstellung) vorgegebenen Bewegungsmuster über der Membran (8) hin und her bewegt. Während der Bewegung des Laserstrahls (16) über der Oberfläche der Membran (8) werden in gewünschter Menge die in der Membran (8) befindlichen Poren verschlossen und erhöhen somit den Strömungswiderstand im Einlaß (7), so daß der Drucksensor (31) einen erhöhten Unterdruck fühlt und diesen an den Regler (32) als Istwert abgibt. Sobald der Istwert mit dem Sollwert übereinstimmt, wird von dem Regler (32) über den Koordinatenversteller (34) an den Laser (35) ein Signal zum Abschalten des Laserstrahls (16) gegeben, und die Abstimmung der Membran (8) in bezug auf ihre gewünschte Durchlässigkeit und somit der gewünschten Förderleistung ist beendet.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Regelung der Fördermenge einer Pumpe mit einem Pumpengehäuse, in welchem das zu fördernde Medium über einen Saugeinlaß in eine Pumpenkammer und von dort in einen Auslaß geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß im saugseitigen Bereich des Einlasses (7) oder im druckseitigen Bereich des Auslasses (11) eine poröse Membran (8) quer zum Strömungsweg vorgesehen ist, und daß die Membranoberfläche einem solchen Bereich (17) des Pumpengehäuses (1, 13, 14) gegenüberliegt, der für einen von außerhalb des Gehäuses (1, 13, 14) auf die Membranoberfläche zu richtenden Laserstrahl (16) einer Laserquelle (35) durchlässig ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (8) aus Aluminium besteht und eine Dicke von etwa 80 Mikrometer besitzt, und deren Porengröße etwa 1,2 Mikrometer beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der durchlässige Bereich (17) aus einem der Stoffe Quarzglas, Saphir oder PMMA (Polymethylmethacrylat) besteht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe als eine Membranpumpe (5) mit je einem Einlaßventil (9) und einem Auslaßventil (10) ausgestaltet ist, und daß die Membran (8) strömungsmäßig vor dem Einlaßventil (9) angeordnet und der durchlässige Bereich (17) im die Ventile (9, 10) abschließenden Gehäusedeckel (14) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im saugseitigen Bereich des Einlasses (7) ein Drucksensor (31) angeschlossen ist, der zur Abgabe eines Druckwertes als Istwert mit einem Regler (32) verbunden ist, der an eine Sollwerteingabe (33) angeschlossen ist, und daß der Regler einerseits mit der Laserquelle (35) zur Veränderung ihrer Leistung, und andererseits mit einem Koordinatenversteller (34), auf den die Laserquelle (35) montiert ist, zur Positionsveränderung der Laserquelle (35) verbunden ist.