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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Pumpanlage, die eine Membranpumpe,
insbesondere, aber nicht ausschließlich, zum Zuführen von
flüssiger Farbe
zu einer Farbspritzanlage, enthält.
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Allgemeiner
Stand der Technik
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Membranpumpen
sind wohlbekannt und umfassen allgemein eine Pumpkammer, die durch
eine bewegliche Membran teilweise begrenzt wird, wobei die Membran
durch das Beaufschlagen mit unter Druck stehendem Fluid beweglich
ist, um das Volumen der Pumpkammer zu reduzieren und so Fluid, in der
Regel Flüssigkeit,
aus der Pumpkammer auszutreiben. Im Allgemeinen sind Membranpumpen
insofern als doppeltwirkende Pumpen ausgeführt, als zwei Pumpkammern vorgesehen
sind, die jeweils eine zugehörige
Membran aufweisen, wobei die beiden Membranen physisch miteinander
verbunden sind, so dass, wenn sich eine bewegt, um die Größe ihrer
Pumpkammer zu reduzieren und Fluid aus der Pumpkammer auszutreiben,
sich die gegenüberliegende
Membran in einer Richtung zur Vergrößerung des Volumens der Pumpkammer
und so zum Abziehen von Fluid aus einer Fluidversorgung in die Pumpkammer
bewegt. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung
in ihrer einfachsten Ausgestaltung auf eine einfach wirkende (Einzelmembran-)Pumpe
angewendet werden könnte,
obgleich es in der Praxis viel wahrscheinlicher ist, dass sie auf doppeltwirkende
Membranpumpen angewendet wird, und somit wird im ganzen Rest dieser
Anmeldung auf doppeltwirkende Pumpen anstatt auf einfachwirkende
Pumpen Bezug genommen.
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Herkömmlicherweise
handelt es sich bei dem durch eine Membranpumpe gepumpten Fluid um
eine Flüssigkeit,
und des Weiteren handelt es sich herkömmlicherweise bei dem Druckfluid,
das den Membranen zugeführt
wird, um zu bewirken, dass sie ihre Pumphübe durchführen, um Druckluft. In der
Regel weisen Membranpumpen ein Druckverhältnis von 1:1 auf, bei dem
Luft mit einem Druck von 1 bar der Pumpe zugeführt wird, um die Pumpe anzutreiben,
wodurch ein Flüssigkeitsdruck
in der Ausgangsleitung der Pumpe von ebenfalls 1 bar erzeugt wird.
Es ist bekannt, Membranpumpen mit einem vergrößerten Druckverhältnis bereitzustellen,
bei dem zum Beispiel ein Luftdruck von 1 bar, der die Pumpe antreibt,
einen Ausgangsdruck in der Flüssigkeits-Ausgangsleitung der
Pumpe von 3 bar erzeugt. Obgleich solche Membranpumpen bedeutend
größer und
teurer in der Herstellung sind als Pumpen mit einem Verhältnis von
1:1, ist ihre Verwendung in Anlagen gemäß der vorliegenden Erfindung
nicht ausgeschlossen. Zweckmäßigerweise
wird in dieser Beschreibung im Folgenden angenommen, dass die Pumpe
ein Verhältnis
von 1:1 aufweist.
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In
der Farbspritzindustrie wird herkömmlicherweise eine Farbspritzwerkstatt
mit einer nominell für
5 bar ausgelegten Luftdruckversorgung bereitgestellt. In der Praxis
beträgt
der Luftdruck höchstwahrscheinlich
nicht weniger als 5 bar, kann aber bis zu 6 bar betragen. Darüber hinaus
ist bekannt, dass es bei vielen Anwendungen wünschenswert wäre, Flüssigkeit,
zum Beispiel Farbe von der Membranpumpe zu einer Farbspritzanlage,
mit einem nominellen Mindestdruck von 10 bar zuzuführen, und
eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Pumpanlage
bereitzustellen, die eine Membranpumpe enthält, wobei diese Aufgabe auf
einfache und zweckmäßige Weise
gelöst
werden kann, wobei die Erfindung natürlich eine weitere Anwendung
hat, als in einer Farbspritzanlage, der Luft mit nominell 5 bar zugeführt wird,
einfach nominell 10 bar Farbdruck zu erreichen.
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Die
WO 97/11273 offenbart eine Pumpanordnung, in der ein Druckfluid
von einer Versorgung einem Antriebszylinder zugeführt wird.
Ein Kolben im Antriebszylinder ist mit einem Kolben in einem angetriebenen
Zylinder verbunden, der Fluid aus einem Speicher pumpt. Die
US 4,548,551 offenbart eine Pumpe,
bei der Abwasser aus einem Tank in eine Versorgungsleitung gepumpt
wird. Fluid wird der stromaufwärtigen
Versorgungsleitung zum Antrieb der Pumpe entnommen. Eine extern
angetriebene Pumpe wird zur Verstärkung des Antriebsfluiddrucks verwendet,
um zu gewährleisten,
dass eine Druckdifferenz an der Pumpe aufrechterhalten wird.
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Offenbarung
der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Pumpanlage mit einer Membranpumpe und in Verbindung
damit einem Druckverstärker,
der druckbeaufschlagtes Antriebsfluid von einer Versorgung empfängt, bereitgestellt,
wobei der Verstärker
durch das Antriebsfluid angetrieben wird, um den Druck des Antriebsfluids über seinen
Versorgungsdruck hinaus zu verstärken,
und das Antriebsfluid auf dem erhöhten Druck der Membranpumpe
zuführt,
um Pumphübe
der Pumpe zu erzeugen, die einen Pumpenausgangsdruck über dem
Antriebsfluidversorgungsdruck erzeugen.
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Zweckmäßigerweise
ist der Druckverstärker mindestens
ein 2-facher Verstärker
(vorzugsweise ein 2,5-facher Verstärker), und zweckmäßigerweise weist
die Pumpe ein Eingangs- zu Ausgangsdruckverhältnis von 1:1 auf, wodurch
der Druck in der Ausgangsleitung der Pumpe das Doppelte (vorzugsweise
das 2,5-Fache) des Versorgungsdrucks des Antriebsfluids zum Druckverstärker beträgt.
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Wünschenswerterweise
ist der Druckverstärker
in der Membranpumpe enthalten.
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Zweckmäßigerweise
ist die Membranpumpe eine doppeltwirkende Membranpumpe und ist der Druckverstärker in
einem die Zufuhr des Antriebsfluids zu den Membranen der doppeltwirkenden
Membranpumpe steuernden Schieberventil enthalten.
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Vorzugsweise
weist die Membranpumpe ein Eingangs- zu Ausgangsdruckverhältnis von
1:1 auf.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Im
Folgenden wird ein Beispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die
beigefügten
Zeichnungen beschrieben, darin zeigen:
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1 eine
schematische Querschnittsansicht einer doppeltwirkenden Membranpumpe;
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2 und 3 schematische
Darstellungen eines Teils der Pumpe von 1, die zeigen,
wie die Pumpe funktioniert; und
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4 und 5 schematische
Querschnittsansichten alternativer Ausführungen des Druckverstärkers zur
Verwendung in Kombination mit der Membranpumpe der 1, 2 und 3.
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Bevorzugte
Durchführungsweise
der Erfindung
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Auf
die Zeichnungen Bezug nehmend, zeigen die 1, 2 und 3 eine
bekannte Form von Membranpumpe, bei der ein allgemein zylindrischer
mittlerer Metallkörper 11 eine
axiale Durchgangsbohrung 12 aufweist und an seinen einander gegenüberliegenden
Enden mit einer ersten bzw. zweiten Endplatte 13, 14 versehen
ist. Die zur Endplatte 13 weisende Fläche des Körpers 11 ist konkav, und
die zum Körper 11 weisende
Fläche
der Endplatte 13 ist auch konkav. Die Konkavitäten der
Endplatte 13 und des Körpers 11 definieren
eine innere Kammer, die durch eine flexible Metallmembran 17,
deren Umfang zwischen Umfangsbereichen der Endplatte 13 und
dem Körper 11 eingeschlossen
ist, in eine Antriebskammer 15 und eine Pumpkammer 16 unterteilt ist.
Die Anordnung am gegenüberliegenden
axialen Ende des Körpers 11 ist
insofern ähnlich,
als eine innere Kammer mittels einer Membran 17a in eine
Antriebskammer 15a und eine Pumpkammer 16a unterteilt
ist. Eine Verbindungsstange 18 wird verschiebbar in der
Bohrung 12 des Körpers
aufgenommen und ist an ihren einander gegenüberliegenden axialen Enden
mit den Membranen 17, bzw. 17a verbunden. An jedem
Ende durchquert die Stange 18 die jeweilige Membran, und
Membransteuerunterlegscheiben 19, 21 mit verschiedenen
Durchmessern sind durch eine an einem Schraubengewindeendbereich der
Stange 18 angreifende Mutter 22 an gegenüberliegende
Flächen
der Membran geklemmt. Die in 1 dargestellte
Membranpumpe ist zum Antrieb durch Druckluft und zum Pumpen einer
flüssigen
Farbe ausgeführt.
Die Bezüge
auf die Antriebsluft und die gepumpte Flüssigkeit werden im ganzen Rest dieser
Anmeldung beibehalten, es versteht sich jedoch, dass es Anwendungen
geben kann, in denen andere Fluide als flüssige Farbe gepumpt werden und
andere Fluide als Druckluft zum Antrieb der Pumpe verwendet werden.
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Jede
Endplatte 13, 14 enthält einen Flüssigkeitseinlassdurchgang 23,
der durch ein Rückschlagventil 24,
das zweckmäßigerweise
in Form eines Kugelrückschlagventils
vorliegt, mit seiner jeweiligen Pumpkammer 16, 16a in
Verbindung steht. Ebenso enthält
jede Endplatte 13, 14 einen Flüssigkeitsauslassdurchgang 25,
der durch ein Rückschlagventil 26,
das auch zweckmäßigerweise
in Form eines Kugelrückschlagventils
vorliegt, mit der jeweiligen Kammer 16, 16a in
Verbindung steht. Der Flüssigkeitseinlassdurchgang
der Endplatte 14 weist einen offenen Anschluss 27 auf,
durch den der Einlassdurchgang mit einer Versorgung von im Gebrauch
zu pumpender Flüssigkeit
verbunden werden kann. Der Einlassdurchgang der Endplatte 14 ist
durch einen sich axial im Körper 11 erstreckenden
Querdurchgang 28 stromaufwärts des jeweiligen Rückschlagventils
mit dem Einlassdurchgang 23 der Endplatte 13 stromaufwärts des
Rückschlagventils 24 verbunden.
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Der
Flüssigkeitsauslassdurchgang 25 der Endplatte 23 weist
einen offenen Anschluss 29 zur Verbindung mit der Anordnung
auf, die mit gepumpten Fluid zu versorgen ist, zum Beispiel einer
Farbspritzanlage. Der Anschluss 29 befindet sich stromabwärts des
Rückschlagventils 26 der
Endplatte 13, und ein parallel zum Durchgang 28 verlaufender Querdurchgang 31 erstreckt
sich in Axialrichtung im Körper 11,
um den Flüssigkeitsauslassdurchgang
der Endplatte 14 stromabwärts seines Rückschlagventils mit
dem Durchgang 25 der Endplatte 13 stromabwärts des
Rückschlagventils 26 zu
verbinden. Somit tritt Flüssigkeit
durch den Anschluss 27 in die doppeltwirkende Membranpumpe
ein, um entweder aus der Kammer 16 oder der Kammer 16a gepumpt
zu werden, und unabhängig
davon, welche Kammer einen Pumphub durchführt, strömt die gepumpte Flüssigkeit über den
Anschluss 29 aus der Pumpe aus.
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Zwischen
ihren Enden bildet die Stange 18 einen Teil eines Schieberventils 32,
das den Einlass von Druckluft zu den Antriebskammern 15, 15a der Pumpe
steuert.
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Das
Schieberventil 32 bildet einen Teil einer Umschaltventilanordnung
der Pumpe und wird in Kombination mit einem Umschaltventil 33 betrieben, dessen
Gehäuse
einen Teil des Körpers 11 bildet oder
daran befestigt ist. Das Umschaltventil 33 weist eine erste
Betriebsposition (wie in 2 gezeigt), in die es durch
Zuführung
von Druckluft zu einem Ende des Ventils gedrängt wird, und eine zweite Betriebsposition
(wie in 3 gezeigt), in die es durch
eine Rückstellfeder 34 des
Ventils gedrängt
wird, auf. Eine Drucklufteinlassöffnung 35 des
Schieberventils 32 wird von einer der Flüssigkeitspumpanlage
zugeordneten standardisierten Netzversorgung (in den 2 und 3 mit „B" bezeichnet) versorgt.
Für die
Zwecke dieses Beispiels kann angenommen werden, dass der Druck an
der standardisierten Versorgungsleitung B 5 bar beträgt. Eine
Luftdruckeinlassöffnung 36 des
Ventils 33 wird mit Druckluft von der standardisierten
Netzversorgung mittels eines Druckverstärkers 37 (4)
versorgt. Der Druckverstärker 37 ist ein
2,5-facher Verstärker,
und somit beträgt
der Druck in einer Versorgungsleitung „A" von dem Verstärker 37 zur Einlassöffnung 36 12,5
bar.
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2 zeigt
die doppeltwirkende Membranpumpe am rechten Ende ihres Hubs, wobei
sich die Membran 17a zur Endplatte 14 bewegt hat,
so dass die Kammer 16a einen Pumphub erfahren hat. Wenn diese
Stelle im Hub der Stange 18 bezüglich des Körpers 11 erreicht
ist, platziert das Schieberventil 32 die Öffnung 35 in
Verbindung mit einer mit der Druckerfassungsöffnung des Ventils 33 verbundenen
Auslassöffnung 38.
Der von der Öffnung 38 des
Körpers 11 an
das Ventil 33 angelegte Netzversorgungsluftdruck treibt
das Ventil 33 gegen die Feder 34 in eine Position,
in der die verstärkte
Versorgung „A" über eine Leitung 39 mit
der Kammer 15 der Pumpe verbunden ist, und gleichzeitig
wird die Kammer 15a über
eine Leitung 41 und das Ventil 33 mit der Atmosphäre verbunden,
so dass Druck in der Kammer 15a abgeführt werden kann. Somit wird
der Kammer 15 über
das Ventil 33 Druckluft auf 12,5 bar zugeführt, wodurch der
Kolben 17 nach links getrieben wird und die Stange 18 und
den Kolben 17a mitführt.
Flüssigkeit
in der Kammer 16 wird durch diese Bewegung der Membran 17 ausgetrieben
und strömt
aus der Kammer 16 durch das Rückschlagventil 26 und
die Druckversorgungsöffnung 29 der
Pumpe. Das Rückschlagventil 24 auf
der Einlassseite der Kammer 16 bleibt fest geschlossen,
und somit führt das
linke Ende der Pumpe (gemäß der Zeichnung
in 1) einen Pumphub aus. Gleichzeitig erfährt die
Kammer 16a am rechten Ende der Pumpe reduzierten Druck,
da das Volumen der Kammer 16a vergrößert wird, und somit bleibt das
Rückschlagventil
auf der Auslassseite der Kammer 16a fest geschlossen, aber
das Rückschlagventil auf
der Einlassseite der Kammer 16a öffnet sich, um zu gestatten,
dass frische Flüssigkeit
aus der Flüssigkeitsversorgungsöffnung 27 in
die Kammer 16a gezogen wird.
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Wenn
die Membran 17 ihre maximale Verschiebung nach links erreicht,
das heißt
am Ende des Pumphubs der Kammer 16, erreicht das sich mit
der Stange 18 bewegende Schieberventil 32 eine
Position, in der die Druckerfassungsöffnung des Ventils 33 mit
einer Abführöffnung 44 des
Körpers 11 verbunden
ist, und die Position des Umschaltventils 33 schaltet unter
dem Einfluss der Feder 34 um, um die Leitung 39 über das
Ventil 33 mit der Atmosphäre und die Leitung 41 mit
dem verstärkten
Luftdruck bei „A" in Verbindung zu
setzen. Somit wird die Kammer 15a nun mit Druck versorgt,
und somit führt
die Membran 17a einen Pumphub durch, während die Membran 17 zurückgezogen
wird, wodurch das Volumen der Kammer 16 vergrößert wird
und Flüssigkeit
aus dem Einlassanschluss 27 durch den Durchgang 28 und
das Ventil 24 in die Kammer 16 gezogen werden kann.
Die durch Bewegung der Membran 17a aus der Kammer 16a gepumpte
Flüssigkeit
strömt
durch das Rückschlagventil
am Auslass der Kammer 16a und durch den Durchgang 31 zum
Auslassanschluss 29 der Pumpe.
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Die
Pumpe bewegt sich unter der Steuerung des Schieberventils 32 und
des Umschaltventils 33 auf die obige Weise weiter hin und
her, solange an „A" und „B" Druckluft vorliegt.
Da es sich bei der Pumpe um eine 1:1-Pumpe handelt und der an die
Membranen 17, 17a angelegte Luftdruck 2,5 bar
beträgt, wird
Flüssigkeit
nominell bei 12,5 bar aus dem Anschluss 29 gepumpt (wobei
die gewöhnlichen
Betriebsverluste außer
Acht gelassen werden).
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Der
in 4 dargestellte 2,5-fache Druckverstärker 37 liegt
in bekannter, im Handel erhältlicher
Form vor und wird zwischen der Standardnetzluftdruckversorgung der
Anlage und der Öffnung 36 des
Umschaltventils 33 verbunden. Es wird jedoch erwartet,
dass ein die gleiche Funktion wie der Verstärker 37 erfüllender
Druckverstärker
in das aus dem Schieberventil 32 und dem Umschaltventil 33 bestehende
Umschaltsystem mechanisch eingebaut werden kann, wodurch die Teilekosten
der Anlage minimiert werden und gewährleistet wird, dass die Pumpe
den Druckverstärker
enthält
und somit einfach mit einer bestehenden Druckluft- und Flüssigkeitsversorgungsanordnung
verbunden werden kann.
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Der
in 4 gezeigte Verstärker verwendet Kolben mit unterschiedlichem
Durchmesser, die geeignet dimensioniert sind, um eine Druckverstärkung von
2,5:1 zu bewirken. Es versteht sich, dass zwar eine Druckverstärkung von
ca. 2:1 für
die oben beschriebene Farbspritzanlage erwünscht ist, aber andere Anwendungen
andere Druckverstärkungsverhältnisse
erfordern können.
Für den
Fachmann liegt auf der Hand, dass unter Verwendung von auf der Ausführung von 4 basierenden
Verstärkern,
deren relative Abmessungen gemäß dem erforderlichen
Verhältnis
angepasst sind, auch andere Verhältnisse
erreicht werden können.
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5 zeigt
eine alternative Verstärkerausführung, die
zur Verwendung von Kolben mit gleichem Durchmesser angeordnet ist,
um ein Druckverstärkungsverhältnis von
2:1 zu erreichen, und die Ausführung
von 4 in einer geeigneten Anwendung ersetzen könnte. Für den Fachmann
sind die Ausführung
und der Betrieb der Verstärker
der 4 und 5 gut verständlich.
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Obgleich
die oben beschriebene Pumpe ein Druckverhältnis von 1:1 zwischen der
Eingangsluft und der Ausgangsflüssigkeit
aufweist, versteht sich, dass die Erfindung, falls gewünscht, Pumpen
mit anderen Eingangs- und Ausgangsverhältnissen verwenden kann.