DE69919063T2

DE69919063T2 - Kolben und Membran für eine Verdrängerpumpe

Info

Publication number: DE69919063T2
Application number: DE69919063T
Authority: DE
Inventors: Kenji A. Devore Kingsford; Anthony Kai Tai San Gabriel Chan; David L. Highland Henderson; Van Trong Diamond Bar Tran; David R. Corona Martinez
Original assignee: Furon Co
Current assignee: Saint Gobain Performance Plastics Corp
Priority date: 1998-04-16
Filing date: 1999-04-13
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2019-04-14
Also published as: EP0950815B1; EP0950815A3; DE69919063D1; EP0950815A2; JPH11343979A; US6079959A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Hubkolbenpumpen und insbesondere Hubkolbenpumpen mit chemisch trägen Strömungsbereichen, die Druckbeaufschlagungselemente mit rollender Membran verwenden, sowie Pumpensysteme, die eine oder mehrere derartige Pumpen umfassen, die betrieben werden, um einen im Wesentlichen gleichmäßigen Gesamtentladedruck zu erzeugen.
Pumpen, die in der Halbleiter-Herstellungsindustrie verwendet werden können, müssen in der Lage sein, hochreine Prozessflüssigkeiten, die häufig korrodierend und/oder ätzend sind, zu transportieren. Diese hochreinen Prozessflüssigkeiten werden häufig auf Temperaturen nahe an ihrem Siedepunkt erwärmt, um ihre Wirksamkeit bei der Ausführung des speziellen Halbleiter-Herstellungsprozesses zu verbessern. Demzufolge ist es wichtig, dass Pumpen, die mit derartigen Prozessflüssigkeiten betrieben werden, derartige korrodierende und/oder ätzende Prozessflüssigkeiten bei hohen Temperaturen ohne Ausfall transportieren können. Es ist außerdem wichtig, dass Pumpen, die bei einem derartigen Betriebseinsatz verwendet werden, keine Verschmutzungen einführen, die in Verarbeitungsrichtung transportiert werden können, die schließlich das hochreine Fertigprodukt, z. B. Halbleiter und dergleichen, beschädigen oder verunreinigen könnten.
Herkömmliche Pumpen, die für ihre Anwendung in weniger anspruchsvollen Anwendungen wohlbekannt sind, sind für die Verwendung bei Anwendungen, bei denen die Aufrechterhaltung des hohen Reinheitsgrades der Prozessflüssigkeit wichtig ist, nicht gut geeignet. Zum Beispiel sind Rotations- oder Zentrifugalpumpen, die auf der Verwendung eines rotierenden Flügelrads basieren, um den Ausgangsdruck der in die Pumpe eintretenden Flüssigkeit zu vergrößern, für eine Verwendung in Systemen mit hohem Reinheitsgrad nicht gut geeignet, da die Möglichkeit besteht, dass die Prozessflüssigkeit beim Ausfall der Lagerabdichtung oder der Pumpendichtung mit den Flügelradlagern in Kontakt gelangt. Der Kontakt der Prozessflüssigkeit mit den Lagern führt Verunreinigungen, die die Pumpe in der Form von Metallpartikeln verlassen, in die Prozessflüssigkeit ein, was zu einer Verunreinigung des Endprodukts führt. Pumpen des Hubkolbentyps, die dynamische Dichtungen um den Kolbenumfang verwenden, sind gleichfalls für Anwendungen mit hohem Reinheitsgrad wegen des Abriebs und des Verschleißes ungeeignet, die an der dynamischen Kolbendichtung auftreten, was Partikelmaterial von der verschlissenen und abgeriebenen Dichtung zur Folge hat, das in die Prozessflüssigkeit eintritt und diese verunreinigt.
Pumpen, die mit mäßigem Erfolg in einem derartigen Betriebseinsatz mit hohem Reinheitsgrad verwendet worden sind, enthalten Pumpen sowohl des Membrantyps als auch des Federbalgtyps. Membranpumpen basieren auf der Hin- und Herbewegung einer flexiblen Membran in einer Kammer, die die Prozessflüssigkeit sowohl aufnimmt als auch unter Druck entlädt. Die Membran für einen derartigen Betriebseinsatz kann aus einem chemischen trägen Material hergestellt sein und ist gewöhnlich an einer Umfangskante längs der Druckkammerwand befestigt. Die Druckkammer ist so konfiguriert, dass sie Einlass- und Auslassanschlüsse aufweist, die mit Sicherheitsventilen versehen sind, so dass die Bewegung des Mittelabschnitts der Membran in eine Richtung bewirkt, dass Flüssigkeit über den Einlassanschluss in die Kammer eintritt, und eine Bewegung der Membran in die entgegengesetzte Richtung bewirkt, dass Flüssigkeit die Kammer über den Auslassanschluss verlässt. Der resultierende Ausgangsdruck, der durch die Membranpumpe erzeugt wird, schwankt zwischen null einem gewünschten Pegel und ist nicht gleichmäßig. Die Membran in einer Membranpumpe ist an dem Pumpengehäuse an einer Umfangskante befestigt und ist an einem Betätigungskolben durch ein Loch befestigt, das durch einen Mittelabschnitt des Membrankörpers angeordnet ist. Dieses Loch dient als ein zusätzlicher Leckweg, der sich von dem an der Umfangsdichtung vorgesehenen Leckweg unterscheidet, für die Wanderung von Prozessflüssigkeit an der Membran vorbei und in das Innere der Pumpe, wo sie Partikeln oder anderen Verunreinigungen ausgesetzt sein kann. Flüssigkeit, die über den Leckweg aus dem Gehäuse zurückgelangt, kann dadurch die restliche Prozessflüssigkeit verunreinigen.
Ferner ist bekannt, dass die Hin- und Herbewegung der Membran auf die nicht unterstützten Bereiche der Membran und an dem Befestigungspunkt mit der Kammer große Belastungen ausübt, wodurch bewirkt wird, dass die Membran nach einer verhältnismäßig kurzen Dienstzeit schließlich durch Reißen oder Zerfallen ausfällt. Ein Membranausfall beendet nicht nur den Prozessflüssigkeitstransport, sondern setzt außerdem die Prozessflüssigkeit metallischen Oberflächen und Metallpartikeln von Teilen, die für die Bewegung der Membran verwendet werden, aus, z. B. die Kolbenstange, das Stangenlager und dergleichen, wodurch der Prozess mit hohem Reinheitsgrad und möglicherweise das Endprodukt verunreinigt werden.
Pumpen des Faltenbalgtyps basieren auf der Hin- und Herbewegung eines kolbenförmigen Faltenbalgs in einer geschlossenen Kammer, um Prozessflüssigkeit in einer Druckkammer sowohl aufzunehmen als auch unter Druck zu entladen. Der Faltenbalg kann aus einem chemisch trägen Material gebildet sein und ist längs eines umfangsbezogenen Mantels an der Kammerwand befestigt. Der Vorteil eines Faltenbalg-Druckbeaufschlagungselements gegenüber einer Membran besteht darin, dass der Faltenbalg während einer Hin- und Herbewegung theoretisch nicht im gleichen Umfang belastet ist wie eine Membran. Statt dessen bewegt sich der Faltenbalg in der Kammer durch die Expansion und Kontraktion seiner akkordeonähnlichen zylindrischen Wand. Die Faltenbalgpumpe besitzt jedoch wie die Membranpumpe keinen verhältnismäßig gleichmäßigen oder konstanten Ausgangsdruck.
Außerdem ist bekannt, dass die akkordeonähnliche zylindrische Wand des Faltenbalgs in Folge von Ungleichförmigkeiten der Wanddicke, die dem Herstellungsprozess des Faltenbalgs inhärent sind, ermüdungsanfällig ist. Derartige Ungleichförmigkeiten der Wanddicke bewirken, dass sich der dünnste Abschnitt der akkordeonähnlichen zylindrischen Wand während einer Hin- und Herbewegung am meisten biegt und schließlich in Folge einer Ermüdungsbelastung ausfällt, wodurch die Lebensdauer der Pumpe begrenzt ist. Um eine akkordeonähnliche Expansions- und Kontraktionsbewegung sicherzustellen und um ein Zerfallen der zylindrischen Wand zu verhindern, kann der Faltenbalg an der inneren Wandoberfläche durch Metallwindungen unterstützt werden. Die Metallwindungen verhindern, dass die zylindrische Wand während einer Hin- und Herbewegung zusammenfällt. Beim Ausfall der akkordeonähnlichen zylindrischen Wand kann die Prozessflüssigkeit jedoch leicht mit den Metallwindungen in Kontakt gelangen und dadurch den Prozess verunreinigen.
In der Halbleiter-Herstellungsindustrie werden außerdem Pumpen verwendet, um eine hochreine Aufschlämmung, die Reibungspartikel in Suspension enthält, für solche Schleif- und Polieroperationen, wie die chemisch-mechanische Planarisierung zu transportieren. Herkömmliche Pumpen, die für den Transport derartiger Reibungsaufschlämmungen verwendet werden, neigen zu Ausfällen, die durch den Abrieb an den Strömungsflächen der Pumpe durch das Aufschlämmungsmaterial bewirkt werden. Das Druckbeaufschla gungselement von herkömmlichen Membranpumpen, die beim Aufschlämmungstransport verwendet werden, erleidet einen beschleunigten Abriebverschleiß infolge des Kontakts mit den Reibungspartikeln der Aufschlämmung.
Die internationale Patentschrift Nr. WO-A-98/02659 offenbart eine Hubkolbenpumpe, die ein Gehäuse mit einem ringförmigen Durchlass enthält, der sich durch das Gehäuse zwischen gegenüberliegenden offenen Enden erstreckt, wobei ein Kolben in dem ringförmigen Durchlass zwischen Stopfbuchsen, die an jedem offenen Ende positioniert sind, angeordnet ist. Eine Druckbeaufschlagungskammer-Baueinheit ist an jedem Gehäuseende angeordnet und enthält einen Kammerkopf, der an den entsprechenden Gehäuseenden angebracht ist. Ein Druckbeaufschlagungselement ist in jedem Kammerkopf angeordnet und ist an entsprechenden gegenüberliegenden Enden des Kolbens befestigt. Das Druckbeaufschlagungselement und eine innere Oberfläche eines entsprechenden Kammerkopfs bilden zwischen sich eine Druckbeaufschlagungskammer. Das Druckbeaufschlagungselement besitzt eine einteilige Konstruktion, weist einen festen Nasenabschnitt und einen hohlen Mantel auf. Der hohle Mantel besitzt ein angeflanschtes Ende, das zwischen einen entsprechenden Kammerkopf und ein Gehäuseende eingesetzt ist, um dazwischen eine luft- und flüssigkeitsundurchlässige Dichung zu bilden.
Pumpen, die in der Weise konstruiert sind, dass sie eine oder mehrere dynamische Dichtungen besitzen, sind außerdem für einen Ausfall infolge beschleunigten Abriebverschleißes an der Oberfläche der dynamischen Dichtung bekannt. Der Abriebverschleiß von solchen Pumpenkomponenten, die mit dem Aufschlämmungsmaterial in Kontakt sind, bewirkt nicht nur einen Ausfall der Pumpe innerhalb einer verkürzten Lebensdauer, sondern führt Verunreinigungsmaterial in das transportierte hochreine Aufschlämmungsmaterial ein, wodurch Verunreinigungsmaterial in die folgenden Prozesse und in den herzustellenden Gegenstand eingeführt wird. Wenn die Pumpe ausfällt oder das System durch abgeriebene Pumpenkomponenten verunreinigt wird, muss der Prozess abgeschaltet werden, die Pumpe muss repariert und das System muss gespült werden, wodurch der Herstellungsprozess unerwünscht länger und teurer wird.
Es ist deswegen erwünscht, dass eine Pumpe so konstruiert ist, dass sie für eine Druckbeaufschlagung von hochreiner Prozessflüssigkeit sowohl bei hohen als auch niedrigen Temperaturen ohne die Möglichkeit der Flüssigkeitsverunreinigung geeignet ist. Es ist erwünscht, dass die Pumpe in einer Weise konstruiert ist, die sowohl die Möglichkeit von internen Lecks minimal macht als auch eine Anzeige von internen Lecks bereitstellen kann. Es ist erwünscht, dass die Pumpe so konstruiert ist, dass sie bei einem Aufschlämmungstransport-Betriebseinsatz funktioniert und eine verlängerte Lebensdauer im Vergleich mit herkömmlichen Pumpen, die bei einem derartigen Betriebseinsatz verwendet werden, besitzt. Es ist außerdem erwünscht, dass die Pumpe betrieben werden kann, um einen im Wesentlichen konstanten Ausgangsdruck bereitzustellen, oder dass ein Pumpensystem aus mehreren derartigen Pumpen aufgebaut werden kann, das einen verhältnismäßig konstanten Gesamtausgangsdruck bereitstellen kann und fehlertolerant ist, d. h. in der Lage ist, den Systembetrieb so einzurichten, dass ein verhältnismäßig konstanter Entladedruck aufrechterhalten wird, wenn ein internes Pumpenleck erfasst wird. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Pumpe zu schaffen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Pumpe zur Druckbeaufschlagung von Prozessflüssigkeit geschaffen, umfassend: zwei oder mehrere Druckbeaufschlagungskammern, wobei jede mit einem Flüssigkeitstransport-Durchflusskanal in hydraulischer Verbindung steht, ein Druckbeaufschlagungselement, das in jeder Druckbeaufschlagungskammer angeordnet ist und eine einteilige, aus einem fluoropolymerischen Material geformte Konstruktion aufweist und einschließt: einen generell zylindrischen Körper mit einem massiven undurchlöcherten Kopf, einen dünnwandigen Mantel, der ein Bestandteil des Körperkopfes ist und sich von diesem weg erstreckt; und gekennzeichnet durch einen Flansch, der sich umfangsbezogen um eine Endkante des Mantels erstreckt; zwei oder mehrere Kolben, wobei jeder mit einem jeweiligen Druckbeaufschlagungselement verbunden ist, die Kolben voneinander unabhängig sind, die Kolben in einem mit den Druckbeaufschlagungskammern verbundenen Gehäuse angeordnet sind; ein in der Pumpe angeordnetes Führungsmittel zum Führen der Kolbenbewegung während der Kolbenbewegung; und ein in der Pumpe angeordnetes Stützmittel zum Stützen eines Abschnitts des dünnwandigen Mantels des Druckbeaufschlagungselements während axialer Bewegung des Druckbeaufschlagungselements; worin axiale Bewegung der Druckbeaufschlagungselemente in einer jeweiligen Druckbeaufschlagungskammer durch rollende Bewegung des dazwischen liegenden dünnwandigen Mantels des Druckbeaufschlagungselements bereitgestellt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ferner eine Pumpe zur Druckbeaufschlagung von Prozessflüssigkeit geschaffen, die umfasst: wenigstens zwei vertikal angeordnete Druckbeaufschlagungskammern, wobei jede Druckbeaufschlagungskammer ein im Wesentlichen geschlossenes Kammerende an einem axialen Ende und ein offenes Kammerende an einem entgegengesetzten axialen Ende umfasst, und wobei das im Wesentlichen geschlossene Kammerende eine hydraulische Verbindung mit einem Flüssigkeitstransport-Kanaldurchgang ist; ein Druckbeaufschlagungselement, das in jeder Druckbeaufschlagungskammer angeordnet ist, wobei das Druckbeaufschlagungselement eine einteilige, aus einem fluoropolymerischen Material geformte Konstruktion aufweist und einschließt: einen generell zylindrischen Körper mit einem massiven undurchlöcherten Kopf an einem Körperende, das angrenzend an das im Wesentlichen geschlossene Kammerende positioniert ist; einen dünnwandigen Mantel, der sich eine Distanz radial nach außen vom Körper weg erstreckt und sich axial vom Körperkopf weg erstreckt, wobei der Mantel eine Außenfläche und eine entgegengesetzt gerichtete Innenfläche aufweist; und einen Flansch, der sich umfangsbezogen um eine Endkante des Mantels erstreckt; ein Kolbengehäuse, das am offenen Ende jeder Druckbeaufschlagungskammer angebracht ist; einen Kolben, der axial in der jeweiligen Druckbeaufschlagungskammer und im jeweiligen Kolbengehäuse angeordnet ist, und an einem Ende an ein jeweiliges, dem Körperkopf gegenüberliegendes Druckbeaufschlagungselement angeschlossen ist, wobei jeder Kolben unabhängig von anderen ist; gekennzeichnet durch eine Kolbenstopfbuchse, die am offenen Ende jeder Druckbeaufschlagungskammer angebracht ist und einen Innendurchmesser hat, der jenem der jeweiligen Druckbeaufschlagungskammer komplementär ist, wobei jede Kolbenstopfbuchse einen sich diametral erstreckenden Abschnitt mit einer Kolbenöffnung zur Aufnahme eines entsprechenden Kolbens einschließt und wobei jeder Druckbeaufschlagungselementflansch zwischen jeweiligen Druckbeaufschlagungskammern und Kolbenstopfbuchsen angeordnet ist und Dichtmittel einschließt, um eine flüssigkeitsundurchlässige Dichtung dazwischen bereitzustellen, um einen Strömungsbereich der Pumpe zu definieren; einen Druckbeaufschlagungselementstopfen, der am jeweiligen Druckbeaufschlagungselement angebracht ist und sich axial eine Distanz vom Körperkopf weg in Richtung des jeweiligen Kolbens erstreckt, wobei jeder Stopfen eine Außenwandfläche aufweist, die einen variablen Abschnitt der jeweiligen Mantelinnenfläche während der hin- und hergehenden axialen Verdrängung des Druckbeaufschlagungselements kontaktiert und trägt; wobei der dünnwandige Mantel jedes Druckbeaufschlagungselements ausreichender axialer Länge ist, um zwischen der Stopfenaußenwandfläche und einer konzentrisch positionierten Pumpenfläche zu rollen, um hin- und hergehende axiale Verdrängung des Druckbeaufschlagungselements in der Druckbeaufschlagungskammer zu ermöglichen, und Mittel zum Betätigen jedes Kolbens unabhängig voneinander, um jedes Druckbeaufschlagungselement in seiner jeweiligen Druckbeaufschlagungskammer im Arbeitszyklus zu bewegen.
Hubkolbenpumpen, die nachfolgend beschrieben werden, können eine hochreine Prozessflüssigkeit sowohl bei hohen als auch geringen Temperaturen ohne die Möglichkeit der Flüssigkeitsverunreinigung mit Druck beaufschlagen. Derartige Pumpen sind so konstruiert, dass sie lediglich einen einzigen Leckweg aus jeder Druckbeaufschlagungskammer aufweisen, wodurch die Möglichkeit interner Lecks minimal gemacht wird, und dass sie beim Auftreten eines Lecks eine Leckerfassung ermöglichen.
Der dünnwandige Mantel des Druckbeaufschlagungselements besitzt eine ausreichende axiale Länge, um zwischen der äußeren Wandoberfläche des Stopfens und dem inneren Durchmesser der Stopfbuchse zu rollen, um eine hin- und hergehende axiale Verdrängung des Druckbeaufschlagungselements in der Druckbeaufschlagungskammer zu ermöglichen. Die innere Oberfläche des dünnwandigen Mantels wird während des Einlasshubs eines Druckbeaufschlagungselements von dem Stopfen zu der Stopfbuchse gerollt und wird während eines Ausgabehubs des Druckbeaufschlagungselements von der Stopfbuchse zu dem Stopfen bewegt.
Beispielhafte Pumpen dieser Erfindung enthalten ein Paar Druckbeaufschlagungselemente, wovon jedes in einer entsprechenden Kammer angeordnet ist. In einer Ausführungsform können die Druckbeaufschlagungskammern einer derartigen Pumpe an entgegengesetzten Enden des Pumpengehäuses horizontal angeordnet sein, wobei ein gemeinsamer Kolben an entgegengesetzten Enden an den Druckbeaufschlagungselementen angebracht ist, um eine gemeinsame hin- und hergehende Verdrängung bereitzustellen. In einer weiteren Ausführungsform können die Druckbeaufschlagungskammern einer derartigen Pumpe in dem Pumpengehäuse nebeneinander vertikal angeordnet sein, wobei unabhängige Kolben an entsprechenden Druckbeaufschlagungselementen angebracht sind, um eine unabhängige hin- und hergehende Verdrängung bereitzustellen.
Pumpen, die die vorliegende Erfindung verwenden, werden nun lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische Zeichnung beschrieben, worin:
1 ein geschnittener Seitenaufriss einer Hubkolbenpumpe ist;
2 ein vergrößerter geschnittener Seitenaufriss der Hubkolbenpumpe von 1 ist;
3 eine schematische Ansicht eines Pumpensystems ist, das eine Steuereinheit und mehrere Hubkolbenpumpen, die in den 1 und 2 dargestellt sind, enthält;
4 ein geschnittener Seitenaufriss einer Vertikalpumpe ist;
5 ein Aufriss der Vertikalpumpe von 4 ist, der an der Linie 5-5 geschnitten ist;
6 eine Draufsicht der Vertikalpumpe der 4 und 5 ist, die an der Linie 6-6 geschnitten ist; und
7 ein geschnittener Seitenaufriss eines Druckbeaufschlagungselements aus der Pumpe von den 4 bis 6 ist.
Diese Erfindung betrifft Pumpen, die zum Transportieren von Prozessflüssigkeiten verwendet werden können, und insbesondere Kolbenpumpen, die zum Transportieren von Prozessflüssigkeiten mit hohem Reinheitsgrad und Aufschlämmungen, wie etwa jene, die in der Halbleiter-Herstellungsindustrie verwendet werden, verwendet werden können. Die Pumpen enthalten interne Strömungselemente, die aus chemisch trägen Materialien hergestellt sind, die gegen korrodierende, abschleifende und ätzende Prozessflüssigkeiten widerstandsfähig sind, nicht aus Metall gebildet sind und ohne die Verwendung von dynamischen Dichtungen konstruiert sind. In einer Pumpenausführungsform besitzt die Pumpe einen Hubkolbenaufbau, der symmetrisch gegenüberliegende Druckbeaufschlagungskammern umfasst. Bei dieser Ausführungsform umfasst die Pumpe ein Paar gegenüberliegender Hubkolben-Druckbeaufschlagungskammern, die in einer entgegengesetzten Folge pneumatisch betätigt werden, so dass zu jedem Zeitpunkt eine Druckbeaufschlagungskammer die Prozessflüssigkeit mit Druck beaufschlagt, wobei die andere die Prozessflüssigkeit aufnimmt. Ein Pumpensystem, das gemäß den Prinzipien dieser Erfindung konstruiert ist, umfasst mehrere derartiger Pumpen, die jeweils bei unterschiedlichen Folgeintervallen betätigt werden, so dass der kombinierte Gesamtdruckausgang von den Pumpen verhältnismäßig konstant ist. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Pumpe dieser Erfindung ein Paar vertikal angeordneter Druckbeaufschlagungskammern, die jeweils ein separates Druckbeaufschlagungselement umfassen, das jeweils unabhängig betätigt wird, um einen im Wesentlichen konstanten Ausgangsdruck zu erreichen.
In 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform einer Pumpe 10, die gemäß den Prinzipien dieser Erfindung konstruiert ist, gezeigt. Die Pumpe 10 umfasst ein Gehäuse 12, Kammerköpfe 14 und 16 an entgegengesetzten Enden des Gehäuses 12, Druckbeaufschlagungselemente 18 und 20, die jeweils in jedem Kammerkopf 14 und 16 angeordnet sind, und einen Betätigungskolben 22, der in dem Gehäuse angeordnet ist und an entgegengesetzten Enden mit den Druckbeaufschlagungselementen 18 und 20 verbunden ist. Die Pumpe 10 ist im Allgemeinen längs einer Linie 23, die durch den Mittelpunkt des Gehäuses 12 verläuft, symmetrisch konfiguriert.
Das Gehäuse 12 besitzt eine im Allgemeinen zylindrische Form mit einem ringförmigen Durchlass 24, der sich durch das Gehäuse von einem ersten offenen Ende 26 zu einem gegenüberliegenden zweiten offenen Ende 28 erstreckt. Das Gehäuse kann aus einem beliebigen Typ eines strukturell starren Konstruktionsmaterials, wie etwa Kunststoff Polymermaterial, Verbundmaterialien, Metall und Metalllegierungen und dergleichen, gebildet sein. Bei Anwendungen bei geringen Temperaturen, z. B. unter etwa 40°C kann das Gehäuse aus einem gegossenen oder bearbeiteten Polymermaterial, Polypropylen und dergleichen, hergestellt sein. Bei Anwendungen bei hohen Temperaturen über etwa 40°C ist es jedoch erwünscht, dass das Gehäuse aus einem Metall oder einer Metalllegierung, wie etwa Edelstahl und dergleichen, hergestellt ist, um eine durch die Temperatur bewirkte strukturelle Schwächung oder Deformation zu vermeiden.
Der ringförmige Durchlass 24 besitzt in 1 von rechts nach links angrenzend an das erste offene Ende 26 einen Abschnitt 30 mit erstem Durchmesser, der sich axial in einem Abstand von dem ersten Ende 26 in den Durchlass 24 erstreckt, um darin eine erste Kolbenstopfbuchse 32 aufzunehmen. Axial angrenzend an den Abschnitt 30 mit erstem Durchmesser enthält der ringförmige Durchlass einen Abschnitt 34 mit verringertem Durchmesser, der sich axial über die Mitte des Durchlasses 24 zu einem Abschnitt 36 mit zweitem Durchmesser erstreckt, der sich zum zweiten offenen Ende 28 erstreckt. Der Abschnitt 36 mit zweitem Durchmesser ist wie der Abschnitt 30 mit erstem Durchmesser so bemessen, dass er darin eine zweite Kolbenstopfbuchse 38 aufnimmt. Wie später genauer erläutert wird, sind die Abschnitte mit erstem und zweitem Durchmesser so bemessen, dass sie einen Durchmesser aufweisen, der größer ist als der des Abschnitts 34 mit verringertem Durchmesser, um die maximale nach innen gerichtete axiale Bewegung der ersten und der zweiten Kolbenstopfbuchse 32 bzw. 38 in dem ringförmigen Durchlass begrenzen, indem sie an den axialen Rändern des Abschnitts mit verringertem Durchmesser aufsitzen.
Die Abschnitte 30 und 36 mit erstem und zweitem Durchmesser enthalten jeweils wenigstens einen entsprechenden Leckanschluss 40 bzw. 42, der sich durch die Gehäusewand erstreckt. Der Abschnitt 34 mit verringertem Durchmesser enthält zwei Lufteinlässe 40 und 44, die sich jeweils durch die Gehäusewand erstrecken und jeweils angrenzend an die Abschnitte 30 bzw. 36 mit erstem und zweitem Durchmesser des Durchlasses positioniert sind. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält der ringförmige Durchlass 24 außerdem einen Kolbenanzeigeranschluss 48, der sich an einer Mittelposition des Gehäuses durch die Gehäusewand erstreckt. Der Kolbenanzeigeranschluss 48 ist so beschaffen, dass er darin einen (nicht gezeigten) Sensor aufnehmen kann, um die Position des Betätigungskolbens 22 in dem ringförmigen Durchlass zu überwachen und um die hin- und hergehende Betätigung des Kolbens zu steuern. Der Kolben 22 enthält Mittel 49 zur Positionierungsüberwachung in der Form eines Schrumpfschlauchs aus schwarzem Perfluoroalkoxi-Fluorocarbon-Harz, der um den Kolben angeordnet ist. Die schwarze Oberfläche des Kolbens wird durch einen Sensor aufgenommen, der in dem Anzeigeranschluss 48 angebracht ist, um eine Angabe der Kolbenposition in dem Gehäuse bereitzustellen.
Der Betätigungskolben 22 ist in dem Abschnitt 34 mit vergrößertem Durchmesser des ringförmigen Durchlasses angeordnet und ist symmetrisch konstruiert, wobei er in 1 von rechts nach links einen Abschnitt 50 mit erstem Durchmesser, der sich axial von einem ersten Kolbenende 52 über eine Distanz erstreckt, und einen Abschnitt 54 mit zweitem Durchmesser, der sich von dem Abschnitt 50 mit erstem Durchmesser über eine Distanz axial erstreckt, umfasst. Der Betätigungskolben 22 besitzt eine generell zylindrische Form und kann aus einem beliebigen Typ von strukturell starrem Material gebildet sein, wie etwa jene Materialien, die oben für das Gehäuse beschrieben wurden, sowie zusätzlich fluoropolymerische Verbundmaterialien, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die Tetrafluoroethylen (TFE), Polytetrafluoroethylen (PTFE), fluoriertes Ethylen-Propylen (FEP), Perfluoroalkoxy-Fluorocarbon-Harz (PFA), Polychlorotrifluoroethylen (PCTFE), Ethylen-Chlorotrifluoroethylen-Copolymer (ECTEF), Ethylen-Tetrafluoroethylen-Copolymer (ETFE), Polyvinyliden-Fluorid (PVTF), Polyvinyl-Fluorid (PVF) und dergleichen enthält. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kolben aus einem nicht metallischen Material, vorzugsweise Polypropylen gebildet, um eine mögliche Verunreinigung der Prozessflüssigkeit aus der Einführung von Metallpartikeln zu vermeiden.
Der Abschnitt 50 mit erstem Durchmesser ist so konfiguriert, dass er eine Befestigung an einem Druckbeaufschlagungselementstopfen 56 aufnimmt, der an dem Druckbeaufschlagungselement 18 befestigt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Abschnitt 50 mit erstem Durchmesser mit Gewinde versehen, um eine Gewindebefestigung mit dem Stopfen 56 zu ermöglichen. Der Abschnitt 54 mit zweitem Durchmesser besitzt einen Durchmesser, der größer ist als der Abschnitt 50 mit erstem Durchmesser, und ist so bemessen, dass er eine axiale Verdrängung in einem Durchlasskanal 58, der sich durch die erste Kolbenstopfbuchse 32 erstreckt, aufnimmt.
Der Kolben 22 enthält einen Abschnitt 60 mit vergrößertem Durchmesser, der sich axial von dem Abschnitt 54 mit zweitem Durchmesser erstreckt und einen Mittelabschnitt des Kolbens definiert. Der Kolben 50 ist um eine Mittellinie, die in Durchmesserrichtung quer über die Abschnitte mit vergrößertem Durchmesser verläuft, symmetrisch konstruiert. Somit umfasst der linke Abschnitt des Kolbens Abschnitte 62 und 64 mit einem dritten und einem vierten Durchmesser, die sich von dem Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser zu einem zweiten Kolbenende 66 erstrecken. Die Abschnitte mit dem dritten und dem vierten Durchmesser besitzen eine Größe und eine Konfiguration, die mit den entsprechenden Kolbenabschnitten 54 und 50 mit zweitem und erstem Durchmesser identisch sind.
Der Abschnitt 60 mit vergrößertem Durchmesser besitzt einen größeren Durchmesser als die Abschnitte 54 und 52 mit zweitem und drittem Durchmesser und enthält wenigstens einen Dichtungsflansch 68, der sich in Umfangsrichtung um diesen erstreckt. Der Dichtungsflansch 68 enthält eine Nut 70, die darin radial positioniert ist, und besitzt einen Durchmesser, der geringfügig kleiner als der Durchmesser des Abschnitts 34 mit vergrößertem Durchmesser des ringförmigen Durchlasses 24 ist. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Anordnung mit doppelter Dichtung bei der Nut 70 verwendet, um eine luftundurchlässige Dichtung zwischen dem ringförmigen Durchlass 24 und dem Kolben 22 zu schaffen. Die Anordnung mit doppelter Dichtung umfasst eine O-Ring-Dichtung 71, die in der Nut 70 angeordnet ist, und eine Ringdichtung 72, die in der Nut 70 über der O-Ring-Dichtung angeordnet ist. Die O-Ring-Dichtung 71 wird als eine Energiequelle verwendet, um die Ringdichtung 72 in einen Kontakt gegen die angrenzende Wand des ringförmigen Durchlasses 24 zu drücken. Es ist klar, dass alternativ eine Anordnung mit einzelner Dichtung verwendet werden kann.
Die Dichtung kann aus wohlbekannten Dichtungsmaterialien, wie etwa elastomere Materialien und dergleichen, gebildet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die O-Ring-Dichtung 71 aus geeigneten Fluoroelastomeren hergestellt, wie etwa Viton für Niedertemperaturanwendungen oder Kalrez für Hochtemperaturanwendungen, die beide von DuPont, Wilmington Delaware zur Verfügung stehen. Ein bevorzugtes Material der Ringdichtung 72 ist ein verfülltes PTFE.
Wenn der Kolben lediglich einen Dichtungsflansch 68 umfasst, ist der Dichtungsflansch axial an der Mitte des Abschnitts 60 mit vergrößertem Durchmesser positioniert. Wenn zwei Dichtungsflansche verwendet werden, ist jeder angrenzend an gegenüberliegenden axialen Enden des Kolbenabschnitts 60 mit vergrößertem Durchmesser positioniert. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Kolben 22 zwei Dichtungsflansche 68. Eine Kolbenkonstruktion mit einem doppelten Dichtungsflansch ist erwünscht, da sie sowohl eine Erfassung der Kolbenmittellinie ermöglicht als auch einen nicht mit Druck beaufschlagten Bereich für den Kolbenanzeigeranschluss 68 und den Kolbensensor schafft.
Die erste und die zweite Kolbenstopfbuchse 32 und 38 sind jeweils identisch bemessen und konfiguriert, so dass klar ist, dass die folgende Beschreibung für jede in gleicher Weise gültig ist. Die Kolbenstopfbuchsen sind aus einem geeigneten strukturell starren Material gebildet, wie etwa jene, die oben für die Bildung des Gehäuses und des Kolbens beschrieben wurden. Bei Niedertemperaturanwendungen von weniger als etwa 40°C können die Kolbenstopfbuchsen aus nicht metallischen Materialien hergestellt sein und sind vorzugsweise aus PTFE hergestellt. Bei Hochtemperaturanwendungen über etwa 40°C sind die Kolbenstopfbuchsen vorzugsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung, wie etwa Edelstahl und dergleichen, hergestellt.
Jede Kolbenstopfbuchse 32 und 38 besitzt eine zylindrische Konstruktion und ist axial in dem jeweiligen Abschnitt 30 bzw. 36 mit erstem und zweitem Durchmesser des Gehäusedurchlasses 24 angeordnet. Die Kolbenstopfbuchsen 32 und 38 besitzen jeweils einen Außendurchmesser, der geringfügig kleiner ist als der des entsprechenden Abschnitts 30 und 36 mit erstem und zweitem Durchmesser, damit sie darin gleitend angeordnet werden können, und der geringfügig größer ist als der des Abschnitts 34 mit verringertem Durchmesser des Durchlasses 34, um eine axiale Verdrängung in den Abschnitt mit verringertem Durchmesser des Durchlasses zu begrenzen. Die Kolbenstopfbuchsen besitzen jeweils eine axiale Länge, die der Länge der entsprechenden Abschnitte mit erstem und zweitem Durchmesser des Gehäusedurchlasses ähnlich ist, so dass die offenen Enden 74 jeder Kolbenstopfbuchse an die entsprechenden ersten und zweiten offenen Enden 26 und 28 des Gehäuses gemeinsam abschließen.
In 2, die lediglich die rechte Seite der Pumpe 10 darstellt, enthalten die Kolbenstopfbuchsen zusätzlich zu 1 jeweils eine ringförmige Stopfenkammer 76, die sich in jeder Stopfbuchse von ihrem offenen Ende 74 zu einer Stopfbuchsenschulter 78, die jede Stopfbuchsenöffnung 58 umgibt, axial erstreckt. Die Stopfenkammer 76 besitzt eine zylindrische Form und ist so bemessen, dass sie darin einen entsprechenden Druckbeaufschlagungselementstopfen 56 bzw. 57 aufnimmt. Jede Stopfenkammer 76 enthält einen oder mehrere Leckanschlüsse 80, die sich durch eine entsprechende Stopfenwand erstrecken. Ein Leckkanal 81 ist in Umfangsrichtung um die äußere Oberfläche jeder Stopfbuchse angeordnet und steht mit jedem Leckanschluss 80 in Verbindung. Der Leckkanal jeder Stopfbuchse ist so bemessen und positioniert, dass er mit entsprechenden Leckanschlüssen 40 bzw. 42 in Verbindung steht, die sich durch die Gehäusewand erstrecken, um einen Flüssigkeitsdurchgang von jeder entsprechenden Stopfenkammer 78 durch das Gehäuse zu ermöglichen. Die äußere Wandoberfläche jeder Kolbenstopfbuchse 32 und 38 enthält mehrere Nute 82, die in Umfangsrichtung um sie verlaufen und die jeweils so konfiguriert sind, dass sie darin eine ringförmige Dichtung 84 aufnehmen, um eine flüssigkeits- und luftundurchlässige Dichtung zwischen dem Gehäusedurchgang 24 und jeder Kolbenstopfbuchse 32 und 38 zu schaffen. Die Dichtungen 84 sind jeweils vorzugsweise aus einem chemisch widerstandsfähigen Elastomermaterial, wie etwa Viton, Kalrez und dergleichen, gebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzen die Dichtungen die Form eines O-Rings, der aus Viton gebildet ist. Alternativ kann jede Kolbenstopfbuch sendichtung durch eine doppelte Dichtungsanordnung geschaffen sein, wie etwa die, die oben für den Kolbendichtungsflansch 68 beschrieben wurde.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst jede Kolbenstopfbuchse drei Nute 82 und entsprechende ringförmige Dichtungen 84. Eine erste Umfangsnut ist angrenzend an jedes offene Ende 74 der Stopfbuchse angeordnet, eine zweite Nut ist angrenzend an eine Seite des Leckkanals 81 positioniert und eine dritte Nut ist angrenzend an eine gegenüberliegende Seite des Leckkanals 81 positioniert. Die Anordnung der Nute 82 und Dichtungen 84 in dieser Weise an jedem axialen Ende des Leckkanals in jeder Stopfbuchse dient dazu, leckende Prozessflüssigkeit in den Abschnitten mit erstem und zweitem Durchmesser des Gehäuses zu halten und sie von dem Leckkanal 81 zu den Leckanschlüssen 40 und 42 zu leiten, wodurch ihre Wanderung zu anderen Teilen des Gehäuses verhindert wird.
Insbesondere in 2 umfasst die Stopfbuchsenöffnung 58 durch die Stopfbuchsenschulter 78 jeder Kolbenstopfbuchse 32 und 38 vorzugsweise eine Dichtungsnut 86, die sich angrenzend an die Stopfenkammer 76 um sie in Umfangsrichtung erstreckt, wobei eine Kolbendichtung 88 darin angeordnet ist. Ein Buchsenkanal 90 ist ferner in Umfangsrichtung um jede Öffnung 58 angrenzend an die Dichtungsnut 86 angeordnet, wobei eine Kolbenbuchse 92 darin angeordnet ist. Jede Kolbendichtung 88 ist aus dem gleichen Material, das oben für die Bildung der Stopfbuchsendichtungen 84 beschrieben wurde, gebildet. Die Kolbenbuchse 92 kann aus wohlbekannten Lagermaterialien gebildet sein, wie etwa Elastomer-Materialien, die mit Mitteln zum Reduzieren von Reibung und Verschleiß imprägniert worden sind. In einer bevorzugten Ausführungsform ist jede Kolbenbuchse 92 aus verfülltem PTFE gebildet.
Die Dichtungsnut 86 und die Kolbendichtung 88 sind vorgesehen, um eine flüssigkeits- und luftdurchlässige Dichtung zwischen jeder Kolbenstopfbuchse 32 und 38 und jedem entsprechenden Kolbenabschnitt 54 bzw. 62 mit zweitem und drittem Durchmesser in den Kolbenstopfbuchsen zu schaffen. Jede Kolbenbuchse 92 ist vorgesehen, um eine radiale Bewegung jedes Abschnitts 54 bzw. 62 mit zweitem und drittem Kolbendurchmesser in den Kolbenstopfbuchsen minimal zu machen, wodurch eine genaue Kolbenzentrierung optimiert wird und mögliche Kolbeneinfassungen in dem Gehäusedurchgang eliminiert werden.
Der Betätigungskolben 22 ist in dem Gehäusedurchgang 24 zwischen der ersten und der zweiten Kolbenstopfbuchse 32 und 38 angeordnet, so dass die Kolbenabschnitte 54 und 62 mit zweitem und drittem Durchmesser sich durch entsprechende Stopfbuchsenöffnungen 58 erstrecken, und so dass sich die Kolbenabschnitte 50 und 64 mit erstem und viertem Durchmesser in entsprechende Stopfenkammern 76 erstrecken. Jeder Kolbenabschnitt 50 und 64 mit erstem und viertem Durchmesser ist an entsprechenden Druckbeaufschlagungselementstopfen 56 und 57 befestigt. Die Stopfen können aus den gleichen Materialien gebildet sein, die oben für den Kolben beschrieben wurden, und besitzen eine zylindrische Konfiguration mit einem Durchmesser, der kleiner ist als der der entsprechenden Stopfenkammer, damit sie einfach darin angeordnet werden können.
Um die Befestigung an dem Kolben zu ermöglichen, enthält jeder Stopfen 56 und 57 an einem Ende eine mit Gewinde versehene aufnehmende Verbindung 93. Jeder Stopfen besitzt eine mit Gewinde versehene einsteckende Verbindung 94 an einem entgegengesetzten Ende, um eine Befestigung an entsprechenden Druckbeaufschlagungselementen 18 und 20 zu ermöglichen. Wie später genauer beschrieben wird, sind die Stopfen vorgesehen, um Seitenwandabschnitte des Druckbeaufschlagungselements während einer Hin- und Herbewegung zu unterstützen.
Nochmals in 1 und zusätzlich zu 2 besitzen die Druckbeaufschlagungselemente 18 und 20 die Form von rollenden Membranen und besitzen jeweils eine generell zylindrische Konfiguration und sind aus chemisch trägen nicht metallischen Materialien gebildet, wie etwa jene, die oben für den Kolben 22 beschrieben wurden. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Druckbeaufschlagungselemente in einer einteiligen Konstruktion aus einem massiven Rohling aus PTFE gebildet. Jedes Druckbeaufschlagungselement enthält eine mit Gewinde versehene aufnehmende Verbindung 98, um eine Befestigung an der mit Gewinde versehenen einsteckenden Verbindung 94 eines entsprechenden Stopfens zu ermöglichen. Jedes Druckbeaufschlagungselement besitzt der aufnehmenden Verbindung 98 gegenüberliegend einen im Wesentlichen massiven Nasenabschnitt 100, der sich um eine Distanz von einer Spitze 101 der Nase bis etwa zur halben axialen Länge erstreckt.
Das Konfigurieren jedes Druckbeaufschlagungselements als eine einteilige Konstruktion, die den massiven Nasenabschnitt und eine Bohrung umfasst, die an einem Ende des Elements für eine Befestigung an einem entsprechenden Stopfen gebildet ist, eliminiert die Notwendigkeit, ein Loch durch das Element zu bilden, um die Befestigung an dem Kolben zu ermöglichen, wodurch die Erzeugung eines möglichen Leckwegs und einer Quelle des Pumpenausfalls vermieden wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt der Nasenabschnitt 100 eine konische Außenoberfläche 102 mit ansteigendem Durchmesser in axialer Richtung weg von seiner Spitze 101. Bei Bedarf kann der Nasenabschnitt anders konfiguriert sein, z. B. mit einer äußeren Oberfläche mit konstantem Durchmesser. Eine konische äußere Oberfläche ist bevorzugt, wenn sie bei einer gleichfalls konischen Druckbeaufschlagungskammer verwendet wird, um den Effekt der Fließgeschwindigkeit der Prozessflüssigkeit, die in jeder Druckbeaufschlagungskammer 118 durch das Druckbeaufschlagungselement mit Druck beaufschlagt wird, maximal zu machen.
Jedes Druckbeaufschlagungselement 18 und 20 enthält einen dünnwandigen Mantel 104, der sich von dem Nasenabschnitt weg erstreckt. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt der Mantel 104 eine äußere Oberfläche mit ansteigendem Durchmesser, die dem konischen Verlauf des Nasenabschnitts entspricht. Der Mantel besitzt eine dünnwandige Konstruktion, damit er sich während einer Hin- und Herbewegung des Nasenabschnitts 100 des Druckbeaufschlagungselements durchbiegen und auf sich selbst rollen kann. Der Mantel besitzt eine Innen- und eine Außenfläche. Wenn das Druckbeaufschlagungselement in eine entsprechende Stopfenkammer zurückgezogen wird, d. h. wenn das Druckbeaufschlagungselement bei einem Einlasshub verdrängt wird, ist die Innenfläche des Mantels an einer angrenzenden Wandoberfläche der Stopfbuchse angeordnet. Wenn das Druckbeaufschlagungselement aus der Stopfenkammer ausgetrieben wird, d. h. wenn das Druckbeaufschlagungselement bei einem Ausgabehub verdrängt wird, rollt die Innenfläche des Mantels von der Oberfläche der Kolbenstopfbuchse zu einer angrenzenden Stopfenoberfläche. Um diese Rollaktion zu erleichtern, ist es erwünscht, dass der Mantel 104 eine Wanddicke im Bereich von etwa 0,01 bis 1 mm besitzt. Es ist klar, dass die Wanddicke des Mantels in Abhängigkeit von der bestimmten Pumpenanwendung und von Parametern der Prozessflüssigkeit variieren kann. Bei Bedingungen mit hohen Temperaturen über etwa 40°C kann es z. B. erwünscht sein, ein Druckbeaufschlagungselement mit einer Mantelwand zu verwenden, die dicker ist als die, die bei Bedingungen mit geringen Temperaturen verwendet wird, um eine unerwünschte, durch die Temperatur induzierte Erweichung und/oder Verformung möglichst zu vermeiden.
Die axiale Länge des Mantels muss ausreichend sein, um einen gewünschten Betrag der axialen Verdrängung des Druckbeaufschlagungselements in der Pumpe aufzunehmen. In einer beispielhaften Ausführungsform besitzt der Mantel eine axiale Länge, die größer ist als die gewünschte axiale Bewegungsstrecke des Druckbeaufschlagungselements und die wenigstens die Hälfte der axialen Gesamtlänge des Druckbeaufschlagungselements umfasst.
Wie am besten in 2 gezeigt ist, enthält jeder Mantel 104 einen Flansch 108, der sich von einem Umfangsrand des Mantels weg radial auswärts erstreckt. Der Flansch 108 besitzt einen Außendurchmesser, der so bemessen ist, dass er etwa gleich einem Außendurchmesser einer entsprechenden Kolbenstopfbuchse 32 und 38 ist. Eine Zunge 110 erstreckt sich axial von dem Flansch 108 weg in eine Richtung, die zu dem Kammerkopf weist, und ist so beschaffen, dass sie eine luft- und flüssigkeitsundurchlässige Dichtung mit dem Kammerkopf schafft. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Zunge 110 eine zweistufige Konfiguration, die radial von innen nach außen einen ersten verhältnismäßig kurzen Stufenabschnitt 111 und einen zweiten verhältnismäßig größeren Stufenabschnitt 113 umfasst.
Der Flansch 108 jedes Druckbeaufschlagungselements 18 und 20 ist zwischen die offenen Enden 74 von entsprechenden Kolbenstopfbuchsen 32 bzw. 38 und Kammerköpfe 14 bzw. 16 eingesetzt. Wie in 1 gezeigt ist, ist jeder Kammerkopf 14 und 16 so konfiguriert, dass er einen Kegelstumpf 112 aufweist, der sich von einem Nasenabschnitt 114 an einem Ende des Körpers zu einem Flansch 116 an einem entgegengesetzten Ende des Körpers axial erstreckt. Der Flansch 116 erstreckt sich radial auswärts von dem Körper weg und definiert den Umfangsrand des Körpers. Der Körper 112 enthält eine Druckbeaufschlagungskammer 118, die sich zwischen dem Nasenabschnitt und dem Flansch 116 erstreckt. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt der Körper eine konische Form mit ansteigendem Durchmesser von dem Nasenabschnitt zu dem Flansch, die dem Konus des Druckbeaufschlagungselements entspricht. Jeder Kammerkopf 14 und 16 ist aus chemisch trägen nicht metallischen Materialien gebildet, wie etwa jene, die oben für die Verwendung beim Bilden der Druckbeaufschlagungselemente beschrieben wurden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist jeder Kammerkopf aus PTFE gebildet.
In 2 enthält der Flansch 116 eine Nut 120, die sich um diesen längs einem nach innen weisenden radialen Rand 122 des Flansches in Umfangsrichtung erstreckt. Die Nut ist so konfiguriert, dass sie die Druckbeaufschlagungselementzunge 110 darin aufnimmt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Nut 120 stufenförmig, um das Einsetzen der ersten und zweiten stufenförmigen Zungenabschnitte darin zu ermöglichen, um zwischen ihnen eine luft- und flüssigkeitsundurchlässige Dichtung zu schaffen.
Jeder Kammerkopf 14 und 16 wird an dem Gehäuse 12 befestigt, nachdem: (1) jeder Druckbeaufschlagungselementstopfen 56 und 57 an einem Ende an einem entsprechenden Druckbeaufschlagungselement 18 und 20 befestigt worden ist; (2) jeder Druckbeaufschlagungsstopfen 56 und 57 an einem entgegengesetzten Ende an einem entsprechenden Kolbenabschnitt 50 und 64 mit erstem bzw. viertem Durchmesser befestigt worden ist; und nachdem (3) jede Druckbeaufschlagungselementzunge 110 in jede Kammerkopfnut 120 eingesetzt worden ist, indem der Kammerkopfflansch 116 benachbart zu einem entsprechenden ersten bzw. zweiten offenen Ende 26 und 28 des Gehäuses angeordnet wird. Die Verwendung einer statischen Zunge-Nut-Dichtung zwischen jedem Druckbeaufschlagungselement und einem entsprechenden Kammerkopf, um zwischen ihnen eine Dichtung zu bilden, ist vorteilhaft, da sie die Verwendung eines dynamischen Dichtungsmechanismus vermeidet und dadurch sowohl die Möglichkeit vermeidet, dass eine Prozessflüssigkeitsverunreinigung durch die Erzeugung von Partikeln aus verschlissenen Dichtungen erfolgt, als auch einen möglichen Leckweg der Prozessflüssigkeit eliminiert.
Jeder Kammerkopf kann durch herkömmliche Mittel an dem Gehäuse befestigt sein, wie etwa durch eine Gewindebefestigung zwischen ihnen oder durch die Verwendung von externen Flanschen und einer Schraubenverbindung. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Kopplungsnut 124 verwendet, um jeden Kammerkopf an dem Gehäuse zu befestigen. Die Kopplungsnut 124 enthält einen ringförmigen Durchlass 126, der sich durch sie von einem Schulterende 128 zu einem entgegengesetzten offenen Ende 130 erstreckt. Die Kopplungsnut kann aus den gleichen Materialien hergestellt sein, die oben für das Gehäuse beschrieben wurden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kopplungsnut für einen Niedertemperaturbetrieb unter etwa 40°C aus Polypropylen hergestellt und für einen Hochtemperaturbetrieb über etwa 40°C ist die Kopplungsnut aus Edelstahl hergestellt.
Der Durchlass 126 ist angrenzend an das offene Ende 130 mit einem Gewinde versehen, das einem Gewinde entspricht, das um eine Außenfläche des Gehäuses 12 angrenzend an erste bzw. zweite offene Enden 26 bzw. 28 angeordnet ist. Ein Aufschrauben der Kopplungsnut 124 an jedem entsprechenden offenen Ende des Gehäuses schließt jeden entsprechenden Kammerkopfflansch 116 zwischen dem Gehäuse und einer Innenfläche des Schulterendes 128 der Kopplungsnut ein.
In 1 enthält jeder Kammerkopf 14 und 16 Mittel 132, um darin Flüssigkeit aufzunehmen, und Mittel 134, um daraus Flüssigkeit abzugeben. Die Mittel zum Aufnehmen und Abgeben von Flüssigkeit können in der Form von separaten Einlass- und Auslassanschlüssen sein, die angrenzend an den Nasenabschnitt 114 jedes Kammerkopfkörpers angeordnet sind. Bei einer derartigen Ausführungsform ist es erwünscht, ein Sicherheitsventil 135 außerhalb des Kammerkopfes in jedem Einlass- und Auslassströmungsweg anzuordnen, um eine ungewünschte umgekehrte Strömung von Flüssigkeit durch jeden Anschluss zu verhindern. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt jeder Kammerkopf einen einzelnen Flüssigkeitsanschluss 136, der durch den Nasenabschnitt 114 verläuft. Der einzelne Flüssigkeitsanschluss 136 ist so beschaffen, dass er während der Hin- und Herbewegung des Druckbeaufschlagungselements Flüssigkeit in den Kammerkopf einlässt und Flüssigkeit aus dem Kammerkopf abgibt. Alternativ kann jeder Kammerkopf anstelle eines einzelnen Flüssigkeitsanschlusses separate Einlass- und Auslassanschlüsse aufweisen, die durch den Nasenabschnitt verlaufen.
Ein Flüssigkeitsverteiler 138 steht mit dem Flüssigkeitsanschluss 136 in einer Flüssigkeitsströmungsverbindung und ist außerhalb jedes entsprechenden Kammerkopfes angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Flüssigkeitsverteiler 138 ein Bestandteil des Kammerkopfes und enthält den Flüssigkeitseinlassanschluss 132 und einen separaten Flüssigkeitsauslassanschluss 134. Sicherheitsventile sind in den Flüssigkeitsströmungswegen des Flüssigkeitseinlassanschlusses und des Auslassanschlusses 132 und 134 positioniert, um sicherzustellen, dass Flüssigkeit in den Verteiler 138 lediglich über den Flüssigkeitseinlassanschluss 132 eintritt, sowie dass Flüssigkeit lediglich über den Flüssigkeitsauslassanschluss 134 aus dem Verteiler austritt. Sicherheitsventile, die für eine Verwendung in einer derartigen Anwendung geeignet sind, enthalten jene, die mit der Verwendung in einem derartigen Prozessflüssigkeitssystem kompatibel sind, wie etwa Sicherheitsventile des Klappentyps, die keine Metallteile enthalten und aus chemisch trägen Materialien gebildet sind.
Jeder Verteiler 138 kann zusätzlich ein Trennventil 134 enthalten, das angrenzend an den Flüssigkeitsanschluss 136 des Kammergehäuses positioniert ist, um zu verhindern, dass Flüssigkeit in den Kammerkopf eintritt oder aus diesem austritt, wenn es betätigt ist. Das Trennventil 144 kann herkömmlich betätigt werden, wie etwa durch elektrische, hydraulische oder pneumatische Mittel, und kann so konfiguriert sein, dass es beim Ausfall geöffnet oder beim Ausfall geschlossen ist. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Verteiler 138 ein Trennventil 144, das sowohl zwischen dem Flüssigkeitseinlassanschluss und dem Flüssigkeitsauslassanschluss 132 und 134 sowie gegenüberliegend von dem Flüssigkeitsanschluss 136 des Kammergehäuses angeordnet ist. Das Trennventil 144 kann einen herkömmlichen Aufbau besitzen, ist aus nicht metallischen chemisch trägen Materialien gebildet, wird pneumatisch betätigt und ist so beschaffen, dass es beim Ausfall geschlossen ist. Wie später genauer offenbart wird, soll das Trennventil verwendet werden, um den Kammerkopf von der Prozessflüssigkeit zu trennen, wenn ein Flüssigkeitsleck in dem Kammerkopf erfasst wird.
Die Pumpe 10 wird pneumatisch betrieben, indem mit Druck beaufschlagte Luft in einen Lufteinlass 44 oder 46 des Gehäuses eingeleitet wird, während gleichzeitig Luft aus dem anderen Lufteinlass des Gehäuses abgelassen wird. Weiter in 1 übt mit Druck beaufschlagte Luft, die in den Lufteinlass 46 und in den Gehäusedurchlassabschnitt 34 mit verringertem Durchmesser eingeleitet wird, eine Druckkraft zwischen der zweiten Kolbenstopfbuchse 38 und dem Betätigungskolben 22 aus, die bewirkt, dass der Kolben in dem Gehäuse gleitend nach rechts verdrängt wird. Die Bewegung des Kolbens 22 nach rechts bewirkt sowohl, dass das Druckbeaufschlagungselement 20 weg von dem entsprechenden Kammerkopf 16 zurückgezogen wird, als auch, dass das Druckbeaufschlagungselement 18 in den entsprechenden Kammerkopf 14 eingeschoben wird. Das Zurückziehen des Druckbeaufschlagungselements 20 bewirkt, dass Flüssigkeit über den entsprechenden Flüssigkeitsanschluss 136 des Kammergehäuses und den Flüssigkeitseinlassanschluss 132 in den Kammerkopf 16 gezogen wird. Das Einschieben des Druckbeaufschlagungselements 18 bewirkt, dass Flüssigkeit mit Druck beaufschlagt wird und durch den entsprechenden Flüssigkeitsanschluss 136 der Kammer und den Auslassanschluss 134 von dem Kammerkopf 14 abgegeben wird.
Nachdem Luft in den Lufteinlass 46 eingeleitet und aus dem anderen Lufteinlass ausgelassen worden ist, wird die Eingabe der eingeleiteten Luft beendet und die Bewegung des Kolbens 22 nach rechts endet. Die Einleitung von mit Druck beaufschlagter Luft in den Lufteinlass wird beendet, wenn die gewünschte Kolbenbewegung in dem Gehäuse durch den Betrieb eines Sensors in dem Kolbenanzeigeranschluss 48 erfasst wird. Nachdem die Lufteinleitung in einen Lufteinlass beendet wurde, wird Luft in den anderen Lufteinlass eingeleitet, bis wieder die gewünschte Kolbenbewegung erfasst wird. Mit Druck beaufschlagte Luft wird nacheinander in jeden Lufteinlass eingeleitet, wodurch bewirkt wird, dass der Kolben sich in dem Gehäuse hin- und herbewegt und bewirkt, dass die Druckbeaufschlagungselemente 18 und 20 nacheinander eine Ausgabe von mit Druck beaufschlagter Flüssigkeit erzeugen. Die Pumpe ist so beschaffen, dass sie bei Verwendung eines Luftzufuhrdrucks in dem Bereich von etwa 20 bis 50 psig betätigt wird.
Es ist erwünscht, dass die Pumpe so beschaffen ist, dass der Druckwert der mit Druck beaufschlagten Luft, die zum Bewegen des Kolbens in jeder Richtung benötigt wird, kleiner ist als der gewünschte Wert des Entladedrucks, der durch jedes Druckbeaufschlagungselement erzeugt werden soll, d. h. es ist erwünscht, dass das Verhältnis des Entladedrucks zum Betätigungsdruck positiv ist. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das gewünschte positive Verhältnis erreicht, indem der Abschnitt des Kolbens, der mit der mit Druck beaufschlagten Luft in Kontakt gelangt, so bemessen ist, dass er einen größeren Oberflächenbereich besitzt als der des Druckbeaufschlagungselements.
Die Pumpe kann in Verbindung mit einem System oder einer Vorrichtung zur Leckerfassung verwendet werden, um zu überwachen, ob Prozessflüssigkeit infolge des Ausfalls des Druckbeaufschlagungselements an dem Druckbeaufschlagungselement vorbei gewandert ist. In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Leckerfassungssystem Sensoren umfassen, die durch das Gehäuse an den Leckanschlüssen 40 und 42 befestigt werden können und ein geeignetes Sensorsignal zu einer Steuereinheit leiten können. Alternativ kann die Rohrleitung von den Leckanschlüssen zu einer zentralen Leckerfassungsvorrichtung geführt werden, um einen Transport der Leckflüssigkeit zu der Vorrichtung, an der sie erfasst werden kann, zu ermöglichen. Wie später genauer erläutert wird, wird in einer bevorzugten Ausführungsform das Leckerfassungssystem in Verbindung mit einem Pumpensystem verwendet, um den Betrieb des Systems zu überwachen.
Ein Arbeitszyklussensor oder dergleichen kann an den Kolbenanzeigeranschluss 48 angeschlossen sein, um ein Mittel zum Überwachen der Arbeitszyklen des Betätigungskolbens 22 bereitzustellen. Wie später genauer erläutert wird, wird ein derartiger Arbeitszyklussensor in Verbindung mit einer Steuereinheit verwendet, um die Leistungsfähigkeit jeder Pumpe, die in einem Pumpensystem verwendet wird, zu überwachen.
Pumpen, die gemäß den Prinzipien dieser Erfindung konstruiert sind, können mit Flüssigkeiten bei einer geringen Temperatur, z. B. unter etwa 40°C oder bei Flüssigkeiten mit hohen Temperaturen, z. B. über etwa 40°C und bis zu einer maximalen Temperatur von etwa 200°C betrieben werden. Wie oben beschrieben wurde, besteht der Hauptunterschied zwischen Nieder- und Hochtemperatur-Ausführungsformen der Pumpe in den Konstruktionsmaterialien, die für das Gehäuse und die Kopplungsnute verwendet werden. Die Pumpenkapazität hängt von der Größe jedes Kammerkopfes und der Arbeitszyklusgeschwindigkeit des Kolbens ab und kann in Abhängigkeit von der speziellen Pumpenanwendung variieren. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Pumpe eine Kapazität von etwa 10 bis 80 Liter pro Minute. Der Pumpenentladedruck kann in Abhängigkeit von der Temperatur der Prozessflüssigkeit eingestellt werden und kann 130 psig betragen. Es sollte klar sein, dass es für eine Berücksichtigung eines Erweichens der Druckbeaufschlagungselemente erwünscht sein kann, dass der Entladedruck der Pumpe verringert wird, wenn die Temperatur der Prozessflüssigkeit ansteigt, um eine Beschädigung an den Druckbeaufschlagungselementen zu vermeiden. Der Ausgabedruck der Pumpe wird eingestellt, indem der Druck der Luft, die in die Lufteinlässe eingeleitet wird, verringert oder vergrößert wird. Es ist außerdem erwünscht, dass die Wanddicke des Druckbeaufschlagungselementmantels vergrößert wird, wenn bei Hochtemperaturanwendungen erhöhte Entladedrücke gewünscht sind.
Ein Pumpensystem, das gemäß den Prinzipien dieser Erfindung konstruiert ist, umfasst mehrere der oben beschriebenen Pumpen. Für die Zwecke der Beschreibung des Pumpensystems wird jede Pumpe nachfolgend als ein Modul bezeichnet, wobei jedes Modul zwei horizontal gegenüberliegende Druckbeaufschlagungselemente umfasst. In 3 enthält eine bevorzugte Ausführungsform eines Pumpensystems 145 vier Module 146, die eine Gesamtzahl von acht Druckbeaufschlagungselementen umfassen. Der Flüssigkeitseinlass 147 jedes Moduls ist mit einem Flüssigkeitseinlassverteiler 148 verbunden, der mit einer Prozessflüssigkeitsquelle verbunden ist. Die Flüssigkeitsauslässe 150 aller Module sind mit einem Flüssigkeitsauslassverteiler 152 verbunden, der mit einer gewünschten Prozessflüssigkeit-Betriebsvorrichtung verbunden ist.
Mit Druck beaufschlagte Luft wird über Luftrohrleitungen 156 und dergleichen zu den Lufteinlässen 154 jedes Moduls geleitet. Mit Druck beaufschlagte Luft wird außerdem über Luftrohrleitung 158 und dergleichen zu den Trennventilen 157 jedes Moduls geleitet. Es ist erwünscht, dass die Module des Pumpensystems in einer Weise betätigt werden, die einen verhältnismäßig konstanten impulsfreien Flüssigkeitsentladedruck erzeugt, um Probleme mit nachfolgend angeordneten Flüssigkeitsbehandlungsvorrichtungen zu vermeiden, z. B. um ein Pulsieren der Filter und die Erzeugung von sich daraus ergebenden Filterpartikeln zu vermeiden. Eine Steuereinheit 159 ist so konfiguriert, dass sie die Betätigung jedes Moduls regelt, um einen verhältnismäßig konstanten Entladedruck bereitzustellen, indem die Abfolge der Zufuhr von mit Druck beaufschlagter Luft zu jedem Modul gesteuert wird. Es ist z. B. in einem System mit vier Modulen, wobei jedes Modul so konfiguriert ist, dass pro Sekunde ein Arbeitszyklus abläuft, erwünscht, dass die Steuereinheit 159 so programmiert ist, dass mit Druck beaufschlagte Luft in einer Folgesteuerung von 1/8 Sekunde an den Lufteinlass 154 jedes Moduls geliefert wird.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit außerdem so konfiguriert, dass sie elektrische Signale erzeugt, die Elektromagnete 160 betätigen, wobei die Elektromagnete wirken, um die Zufuhr von mit Druck beaufschlagter Luft zu den Lufteinlässen 154 der Module zu regeln und um mit Druck beaufschlagte Luft an die Trennventile 157 bereitzustellen. Es sollte klar sein, dass dies lediglich eine Ausführungsform davon ist, wie das Pumpensystem konfiguriert sein kann und betrieben wird, um einen verhältnismäßig konstanten Flüssigkeitsentladedruck bereitzustellen, und dass andere Ausführungsformen in den Umfang dieser Erfindung fallen sollen. An Stelle von vier Modulen kann das Pumpensystem z. B. eine beliebige Anzahl von Modulen umfassen, die betätigt werden können, um einen relativ gleichmäßigen Entladedruck bereitzustellen. An Stelle der Verwendung von separaten Elektromagneten kann die Steuereinheit außerdem so konfiguriert sein, dass sie interne Mittel zum Abgeben von mit Druck beaufschlagter Luft an die Lufteinlässe 154 und die Trennventile 157 aufweist.
Weiter in 3 umfasst das Pumpensystem mehrere Leckerfassungssensoren 162, die mit den Leckanschlüssen 164 jedes Moduls verbunden sind. Die Leckerfassungssensoren 162 werden durch die Steuereinheit 159 gesteuert und sind so beschaffen, dass sie eine Angabe darüber bereitstellen, ob in den Modulen Prozessflüssigkeit an einem Druckbeaufschlagungs element vorbei gewandert ist. Die Steuereinheit ist so konfiguriert, dass sie beim Erfassen eines derartigen Lecks in einem bestimmten Modul sowohl die Zufuhr von mit Druck beaufschlagter Luft zu den Lufteinlässen 154 des Moduls unterbricht als auch die Zufuhr von mit Druck beaufschlagter Luft an die Trennventile 157 des Moduls unterbricht. Bei einer derartigen Konfiguration beendet die Steuereinheit den Betrieb des leckenden Moduls und trennt das leckende Modul von der Flüssigkeitseinlass- oder Flüssigkeitsauslassströmung, wodurch die mögliche Einführung von Verunreinigungen von dem leckenden Modul in die Prozessflüssigkeit verhindert wird und eine Wartung des Moduls ermöglicht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit 159 außerdem so konfiguriert, dass sie ein nicht betriebsfähiges oder getrennte Modul ausgleicht, indem sie eine neue Ablaufsteuerung des Betriebs der restlichen Module festlegt, um den möglichst konstanten Entladedruck bereitzustellen, wodurch das Pumpensystem fehlertolerant gemacht wird. Ein fehlertolerantes Pumpensystem ist erwünscht, da das Pumpensystem ununterbrochen betrieben werden kann, während das abgetrennte Modul gewartet wird, wodurch die kostenintensive Ausfallzeit vermieden wird, die mit dem Abschalten des gesamten Pumpensystems verbunden ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit außerdem so konfiguriert, dass sie die Anzahl der Arbeitszyklen überwacht, die jedes Modul ausgeführt hat, indem ein Arbeitszyklussensor 166 verwendet wird, der mit dem Kolbenanzeigeranschluss 168 jedes Moduls verbunden ist, so dass für jedes Modul in dem Pumpensystem eine Leistungscharakteristik geführt und für eine Bewertung der Leistungscharakteristik heruntergeladen werden kann. Die Steuereinheit 159 kann außerdem so konfiguriert sein, dass sie die Temperatur der Prozessflüssigkeit und den Entladedruck von dem Pumpensystem oder von jedem Modul überwacht und den Betrieb der Module so regelt, dass er einer gewünschten Temperatur- und Druckkurve entspricht, wodurch verhindert wird, dass bei den Modulen bei einem vorgegebenen Druck ein gewünschter maximaler Entladedruck überschritten wird. Eine derartige Konfiguration der Steuereinheit ist erwünscht, um die Lebensdauer des Pumpensystems zu verlängern.
Ein Merkmal der Pumpe, die gemäß den Prinzipien dieser Erfindungen konstruiert ist, besteht darin, dass der Strömungsbereich der Pumpe vollständig aus einem chemisch trägen nicht metallischen Material gebildet ist, wie etwa PTFE, wodurch die Möglichkeit der Verunreinigung der Prozessflüssigkeit eliminiert ist, die wegen sich verschlechternden oder korrodierenden Materialien erfolgen kann.
Ein weiteres Merkmal der Pumpe ist der Aufbau des Druckbeaufschlagungselements in der Form einer rollenden Membran, wodurch sich das Druckbeaufschlagungselement in einem entsprechenden Kammerkopf durch die Rollwirkung oder die Rollbewegung des dünnwandigen Mantels zwischen dem Kolbenstopfbuchsen und dem entsprechenden Druckbeaufschlagungselementstopfen hin- und herbewegen kann. Die Verwendung einer derartigen Rollmembran macht die Möglichkeit des Ausfalls des Druckbeaufschlagungselements infolge von überbelasteten und/oder nicht unterstützten flexiblen Abschnitten minimal.
Weitere Merkmale der Pumpe bestehen darin, dass der Strömungsbereich lediglich einen Leckweg besitzt, der über die Zunge und die Nutdichtung zwischen dem Druckbeaufschlagungselement und den Kammerkopf verläuft. Der Entwurf der Pumpe mit einem einzigen Leckweg ist möglich infolge der Verwendung einer statischen Druckbeaufschlagungselementdichtung und da das Druckbeaufschlagungselement aus einem massiven undurchlöcherten Rohling aus PFTE gebildet ist, wodurch die Notwendigkeit vermieden wird, durch dieses ein Loch vorzusehen, um die Befestigung an dem Kolben zu ermöglichen.
4 veranschaulicht eine weitere Pumpenausführungsform 170, die eine oder mehrere vertikal angeordnete Druckbeaufschlagungskammern 172 und entsprechende nicht verbundene Druckbeaufschlagungselemente 174 umfasst. Eine derartige Pumpenausführungsform ist für die Verwendung in solchen Anwendungen, z. B. der Aufschlämmungstransport vorgesehen, bei denen die Aufschlämmung Schleifpartikelmaterial zur Verwendung in Halbleiter-Herstellungsprozessen enthält, z. B. während der chemischmechanischen Planarisierung. Die Pumpe 170 umfasst ein Pumpengehäuse 176 mit einer oder mehreren darin angeordneten Druckbeaufschlagungskammern 172. Das Pumpengehäuse ist aus den gleichen Typen von Fluoropolymer-Materialien gebildet, die oben zum Bilden von Strömungselementen der zuvor beschriebenen Pumpe, z. B. des Kammerkopfes 14 und 16 von 1 beschrieben wurden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Pumpengehäuse aus PTFE oder PFA gebildet. In einer beispielhaften Ausführungsform besitzt das Pumpengehäuse 176 eine generell rechtwinklige Konfiguration, die ein Paar Druckbeaufschlagungskammern 172 umfasst, die aneinander angrenzend angeordnet sind. Die Druckbeaufschlagungskammer 172 des Pumpengehäuses 176 kann in Abhängigkeit von der Wirtschaftlichkeit durch Gießen oder durch einen Bearbeitungsprozess gebildet sein. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Druckbeaufschlagungskammer 172 in dem Gehäuse durch maschinelles Bearbeiten gebildet.
Jede Druckbeaufschlagungskammer 172 besitzt einen kreisförmigen Querschnitt und erstreckt sich von einem offenen Ende 178 des Gehäuses in das Pumpengehäuse um eine Tiefe nach unten. Der untere Abschnitt jeder Druckbeaufschlagungskammer ist radial einwärts konisch und konvergiert zu einem axial nach unten gerichteten Flüssigkeitsdurchlass 180 an einem Basisabschnitt oder zu einem im Wesentlichen geschlossenen Ende der Druckbeaufschlagungskammer. Der untere Abschnitt verläuft konisch nach innen, um als ein Trichter zu wirken, damit das Partikelmaterial in der Aufschlämmung zu dem Flüssigkeitsdurchlass und in diesen geleitet wird, so dass es nicht in der Druckbeaufschlagungskammer angesammelt wird, wo es einen Abrieb an dem Druckbeaufschlagungselement oder eine andere Störung mit der effektiven Bewegung des darin befindlichen Druckbeaufschlagungselements bewirken könnte. Der Flüssigkeitsdurchlass 180 ist ebenfalls durch ein Bearbeitungs- oder Gießverfahren gebildet und wird verwendet, um einen Flüssigkeitsdurchgang zu jeder entsprechenden Druckbeaufschlagungskammer 172 und von dieser zu ermöglichen. Wie nachfolgend in den 5 und 6 besser beschrieben und veranschaulicht ist, steht jeder Flüssigkeitsdurchlass 180 in einer hydraulischen Verbindung mit den Sicherheitsventilmodulen 270 und 272 des Einlasses und des Auslasses, um den Flüssigkeitseinlass und -auslass aus jeder entsprechenden Druckbeaufschlagungskammer zu steuern.
Das offene Ende 178 des Pumpengehäuses enthält eine mit Gewinde versehene Außenwandfläche 182, die sich in Umfangsrichtung um die Oberseite jeder Druckbeaufschlagungskammer 172 erstreckt. Eine Nut 184 erstreckt sich in Umfangsrichtung um jede Druckbeaufschlagungskammer 172 längs entsprechender Innenwandfläche des Gehäuses. Die Druckbeaufschlagungselemente 174 sind jeweils in einer entsprechenden Druckbeaufschlagungskammer 172 angeordnet und sind jeweils aus einem massiven Rohling aus Fluoropolymer-Material gebildet, das aus den gleichen Materialien, die oben für die Druckbeaufschlagungselemente 18 und 20, die in 1 dargestellt sind, ausgewählt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Druckbeaufschlagungselemente 174 aus einem massiven Rohling aus PTFE maschinell hergestellt. In den 4 und 7 besitzt jedes Druckbeaufschlagungselement 174 ein kreisförmiges Querschnittsprofil und enthält einen mittigen Körper 186, der sich axial von einem ersten Körperende 188, das mit einem Kolbenschaft verbunden werden kann, zu einem entgegengesetzt orientierten zweiten Körperende 190, das in den konischen Abschnitt der entsprechenden Druckbeaufschlagungskammer eingesetzt werden kann, erstreckt. Ein dünnwandiger Mantel 192 ist mit dem zweiten Körperende 190 einteilig und erstreckt sich von diesem um eine gewünschte Distanz radial nach außen. Der Mantel 172 erstreckt sich axial über einen Abschnitt mit konstantem Durchmesser des Körpers 186, der zu dem ersten Körperende 188 einen konstanten Durchmesser aufweist. Der Mantel 192 besitzt eine dünnwandige Konstruktion mit ausreichender Dicke und axialer Länge, damit er sich durchbiegen und in Reaktion auf eine axiale Bewegung des Druckbeaufschlagungselements auf sich selbst rollen kann, wie später besser beschrieben wird. Die bevorzugte Wanddicke des Mantels ist die gleiche, die oben beschrieben wurde.
Angrenzend an das erste Körperende 188 enthält der dünnwandige Mantel 192 einen Flansch 194, der von diesem radial nach außen vorsteht und eine umfangsbezogene Endkante definiert. Der Flansch enthält eine nach außen gerichtete Oberfläche 196, die sich darum in Umfangsrichtung erstreckt und die so bemessen und geformt ist, dass sie satt anliegend in die Innenwandfläche eines entsprechenden offenen Endes 178 des Gehäuses passt. Der Flansch enthält außerdem eine nach unten gerichtete Zunge 298, die sich um ihn in Umfangsrichtung erstreckt und die in der oben beschriebenen Weise bemessen und geformt ist, so dass sie satt anliegend in die entsprechende Pumpengehäusenut 184 passt, wenn das Druckbeaufschlagungselement 174 in einer entsprechenden Druckbeaufschlagungskammer 172 angeordnet ist, um dazwischen eine leckdichte Abdichtung bereitzustellen.
Ein ringförmiger Kanal 200 ist zwischen dem Druckbeaufschlagungselementkörper 186 und dem Mantel 192 gebildet und erstreckt sich axial über den Abschnitt mit konstantem Durchmesser des Körpers. Ein ringförmiger Druckbeaufschlagungselementstopfen 202 ist in dem ringförmigen Kanal 200 angeordnet, erstreckt sich axial über die gesamte Länge des Kanals und besitzt einen Innen- und einen Außendurchmesser, die so bemessen sind, dass sie satt anliegend in den Kanal 200 passen. Der Stopfen 202 ist aus den gleichen Materialien gebildet und ist so konstruiert, dass er in der gleichen, oben erläuterten Weise funktioniert. Der Stopfen enthält Mittel zum Befestigen an den Körper 186, so dass er satt anliegend in dem ringförmigen Kanal 200 für eine axiale Bewegung mit dem Druckbeaufschlagungselement 174 gehalten wird. In einer beispielhaften Ausführungsform enthält der Stopfen 202 einen Steg 204, der von einer Innenwandfläche weg um eine Distanz radial vorsteht und so bemessen und geformt ist, dass er in eine Nut 206 passt, die in einer Körperwandoberfläche angeordnet ist. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Stopfen aus Polypropylen gegossen und ist so bemessen, dass er einen Innendurchmesser aufweist, der kleiner ist als der des Körpers 186. Jeder Stopfen 202 wird in einem entsprechenden ringförmigen Kanal installiert, indem das Druckbeaufschlagungselement vor der Montage gekühlt wird, damit seine Größenkontraktion bewirkt wird, und indem der Stopfen erwärmt wird, damit seine Größenexpansion bewirkt wird.
Ein Betätigungskolben 208 ist über einem entsprechenden Druckbeaufschlagungselement 174 angeordnet und ist in einem entsprechenden Kolbengehäuse 210 axial bewegbar, das nachfolgend besser beschrieben wird. Derartige Kolben sind aus den gleichen Materialien gebildet, die oben für den Kolben der ersten Pumpenausführungsform beschrieben wurden. In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Kolben aus Polypropylen gebildet. Ein Merkmal, das die in den 4 bis 7 veranschaulichte Pumpenausführungsform von der zuvor beschriebenen Ausführungsform unterscheidet, besteht darin, dass die Betätigungskolben 208 für jedes Druckbeaufschlagungselement unabhängig sind, d. h. dass sie nicht durch einen gemeinsamen Schaft, der sie miteinander verbindet, in einen hin- und hergehenden Betrieb versetzt werden. Statt dessen wird jeder Betätigungskolben separat betätigt und die Geschwindigkeit des Ausgabe- und Einlasshubs jedes Kolbens wird separat gesteuert, um einen im Wesentlichen konstanten Ausgabedruck bereitzustellen. Eine derartige Konfiguration der Pumpe ermöglicht eine größere Betriebsflexibilität und ermöglicht gesteuerte Ausgabedrücke unter Verwendung einer einzelnen Zweikolbenpumpe, ohne dass ein Pumpensystem, das mehr als eine derartige Pumpe aufweist, verwendet oder konfiguriert werden muss.
Jeder Kolben 208 besitzt ein T-förmiges Querschnittsprofil mit einem ersten Kolbenende 212, das so beschaffen ist, dass es an einem ersten Körperende 188 eines entsprechenden Druckbeaufschlagungselements befestigt werden kann, und mit einem entgegengesetzt ausgerichteten zweiten Kolbenende 214, das einen radial auswärts vorstehenden Flansch 216 besitzt, der für eine axiale Verdrängung in dem entsprechenden Pumpengehäuse 210 geeignet ist. Das erste Ende 212 des Kolbens ist so bemessen und geformt, dass es in eine Kolbenöffnung passt und daran befestigt wird, die längs des ersten Körperendes 188 des Druckbeaufschlagungselements angeordnet ist und sich von diesem um eine gewünschte Tiefe axial erstreckt. In einer beispielhaften Ausführungsform enthält das erste Ende 312 des Kolbens einen gewindelosen Abschnitt 220, der sich axial um eine Distanz zu einem Gewindeabschnitt 222 erstreckt, der sich von dem gewindelosen Abschnitt 220 axial über eine Distanz längs des Kolbens erstreckt. Die Kolbenabschnitte ohne und mit Gewinde sind so konfiguriert, dass sie in komplementäre Abschnitte 224 und 226 ohne und mit Gewinde des Druckbeaufschlagungselements 174 passen.
In axialer Richtung von dem Gewindeabschnitt 222 des ersten Kolbenendes enthält jeder Kolben einen Abschnitt 228 mit vergrößertem Durchmesser, d. h. einen Abschnitt, der einen größeren Durchmesser als die Kolbenabschnitte mit und ohne Gewinde besitzt. Der Kolben stößt gegen das erste Ende 188 eines entsprechenden Druckbeaufschlagungselements 174 an dem Übergangspunkt zwischen dem Kolbenabschnitt mit Gewinde und dem Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser, der dazu dient, die Einsetztiefe des Kolbens darin zu steuern. Der Kolbenabschnitt 228 mit vergrößertem Durchmesser erstreckt sich axial weg von einem entsprechenden Druckbeaufschlagungselement 174 und in das Kolbengehäuse 210.
Eine Kolbenstopfbuchse 230 ist in einem entsprechenden Kolbengehäuse 210 angeordnet und erstreckt sich axial über eine entsprechende Baueinheit aus Druckbeaufschlagungskammer 172 und Druckbeaufschlagungselement 174. Jede Kolbenstopfbuchse 230 besitzt ein generell kreisförmiges Querschnittsprofil und umfasst eine ringförmige zylindrische Wand 232, die konzentrisch in dem Kolbengehäuse 210 positioniert ist. Die zylindrische Wand 232 der Stopfbuchse erstreckt sich weg von einer scheibenförmigen Plattform 234 axial nach unten, die sich radial über den Pumpengehäusedurchmesser erstreckt. Die Stopfbuchsenwand 232 besitzt einen Außendurchmesser, der so bemessen ist, dass er satt anliegend in eine innere Oberfläche des offenen Endes 178 des Pumpengehäuses passt, und besitzt einen nach unten weisenden Endrand, der so geformt ist, dass er gegen einen Mantelflansch 194 des entsprechenden Druckbeaufschlagungselements stößt, um die Flanschzunge 198 in die entsprechende Pumpengehäusenut 184 zu drücken. Die Stopfbuchsenwand 232 besitzt einen Innendurchmesser, der so bemessen ist, dass eine axiale Verdrängung eines entsprechenden Kolbenstopfens 220 und eines Kolbenmantels 192 darin möglich ist, wenn das Druckbeaufschlagungselement aus seiner entsprechenden Druckbeaufschlagungskammer axial zurückgezogen wird (wie in 4 bei der rechten Druckbeaufschlagungskammer gezeigt ist). Eine derartige Rückzugbewegung ist durch den rollenden Übergang des Mantels von der Stopfenoberfläche zu der angrenzenden Stopfbuchsenoberfläche möglich.
Jede Plattform 234 der Kolbenstopfbuchse enthält eine mittig angeordnete Kolbenschaftöffnung 236, die sich durch sie axial erstreckt, um darin den Kolbenabschnitt 228 mit vergrößertem Durchmesser aufzunehmen. Eine Kolbenschaftdichtung 238, wie etwa jene, die oben offenbart wurde, ist in der Kolbenschaftöffnung 236 angeordnet, um dazwischen eine luftundurchlässige Dichtung zu schaffen. Jede zylindrische Wand 232 der Kolbenstopfbuchse enthält eine Nut 235, die sich in Umfangsrichtung um eine äußere Oberfläche, die zum Kolbengehäuse weist, erstreckt. Die Nut ist in einer Distanz unter der Stopfbuchsenplattform 234 angeordnet und so beschaffen, dass sie eine Dichtung 237, z. B. eine O-Ring-Dichtung darin aufnimmt, um eine luftundurchlässige Dichtung zwischen den angrenzenden Oberflächen der Kolbenstopfdichtung und des Kolbengehäuses zu schaffen. Wie später erläutert wird, ist die Verwendung von Dichtungen zwischen jeder Kolbenöffnung 236 der Stopfbuchse und der Wand 232 erforderlich, um zu verhindern, dass Luft von der Plattform der Kolbenstopfbuchse aus dem Kolbengehäuse entweicht, wie etwa Luft, die zum Betätigen des Kolbens verwendet wird.
Jedes Kolbengehäuse 210 umfasst eine zylindrische Wand 240, die sich von einem geschlossenen Ende 242 des Gehäuses axial nach unten erstreckt und darin eine Kolbenkammer 244 für die Aufnahme eines entsprechenden Kolbens 214 und einer Kolbenstopfbuchse 230 definiert. Die Gehäusewand 240 besitzt ein offenes Abschlussende 244, das an einer inneren Oberfläche 246 mit Gewinde versehen ist, um an einer mit Gewinde versehenen äußeren Oberfläche 182 des Pumpengehäuses in Eingriff zu gelangen und daran befestigt zu werden. In axialer Richtung nach oben weg von der mit Gewinde versehenen inneren Oberfläche 246 enthält die Kolbenkammer 244 einen Abschnitt 248 mit verringertem Durchmesser, der sich axial zu einer Schulter 250 erstreckt, die in einer Distanz radial nach innen in die Kammer vorsteht. Der Innendurchmesser des Abschnitts 248 mit verringertem Durchmesser der Kolbenkammer ist gleich dem der inneren Oberfläche des ersten Endes 178 des Pumpengehäuses, um darin eine entsprechende Kolbenstopfbuchse 230 aufzunehmen. Die Gehäusekammerschulter 250 ist so angeordnet und bemessen, dass sie in eine komplementäre Schulternut 252 passt, die sich in Umfangsrichtung um einen Außenrand einer entsprechenden Plattform 234 der Kolbenstopfbuchse erstreckt. Wenn das Kolbengehäuse 210 an dem Pumpengehäuse 176 fest angezogen ist, dient die Gehäusekammerschulter 250 dazu, die Kolbenstopfbuchse dazwischen einzuschließen und die Kolbenstopfbuchsenwand 232 auf den Mantelflansch 194 des Druckbeaufschlagungselements nach unten zu drücken, um die Dichtung zwischen Zunge und Nut zu vervollständigen.
Axial nach oben weg von der Schulter 250 enthält die Kolbenkammer 244 einen Luftbetätigungsabschnitt 254, der einen konstanten Durchmesser besitzt, der so bemessen ist, dass darin ein entsprechender Kolbenflansch 216 aufgenommen und axial verdrängt werden kann. Ein Abschnitt der Kolbengehäusewand, der sich axial längs des Luftbetätigungsabschnittes 254 erstreckt, enthält einen darin angebrachten ersten Luftanschluss 256, der sich von einem Lufteinlass 258, der an dem geschlossenen Ende 242 des Kolbengehäuses positioniert ist, zu einem Luftauslass 260 axial nach unten, der in der Form einer Nut ist, die längs der Basis des Luftbetätigungsabschnitts 254 der Kolbenkammer benachbart zur Schulter 250 in Umfangsrichtung angeordnet ist. Der erste Luftanschluss 256 wird verwendet, um Luft bei einem gewünschten Betätigungsdruck zu der Basis des Luftbetätigungsabschnitts und auf eine vordere Oberfläche 262 eines entsprechenden Kolbenflansches 216 zu transportieren. Jeder Kolbenflansch 216 enthält eine Nut 264, die um einen radial gerichteten Flanschrand in Umfangsrichtung verläuft, und eine darin angeordnete Dichtung 266, um eine luftundurchlässige Dichtung zwischen dem Kolbenflansch und der benachbarten Wandoberfläche des Luftbetätigungsabschnitts der Kolbenkammer zu schaffen. Dadurch wird Luft, die über den ersten Luftanschluss 256 zu dem Luftbetätigungsabschnitt 254 transportiert wird, verwendet, um den Kolben axial weg von der Kolbenstopfbuchse und das Druckbeaufschlagungselement weg von der Druckbeaufschlagungskammer zu betätigen, d. h. sie wird verwendet, um einen Pumpeneinlasshub auszuführen (wie in 4 in der rechten Druckbeaufschlagungskammer gezeigt ist).
Die Dichtung 266 kann in der Form einer O-Ring-Dichtung sein, die aus den gleichen Typen der chemisch resistenten Elastomer-Dichtmaterialien, die oben erläutert wurden, allein oder in Kombination mit einem oder mehreren verhältnismäßig starren Dichtungselementen oder Schuhen hergestellt ist. In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst die Dichtung 266 ein Elastomer-Dichtungselement, das aus Viton hergestellt ist, das sich radial erstreckt, um einen Dichtungskontakt gegen den angrenzenden Kolben- und Kammerwandoberflächen herzustellen sowie obere und untere starre Dichtungselemente, die aus TFE hergestellt sind, die Abschnitte der oberen und unteren Oberfläche des Dichtungselements abdecken, um das Elastomer-Dichtungselement davor zu schützen, dass es zwischen dem Kolben und der Kammerwand extruduiert wird.
Jedes Kolbengehäuse 210 enthält außerdem einen zweiten Luftanschluss 268, der sich durch das geschlossene Ende 242 des Gehäuses erstreckt, um Luft in den Luftbetätigungsabschnitt 254 des Gehäuses zu lassen, um den Kolben und das entsprechende Druckbeaufschlagungselement nach unten zu der Kolbenstopfbuchse und dem Druckbeaufschlagungselement zu verdrängen, d. h. sie wird verwendet, um einen Pumpenauslasshub auszuführen (wie in 4 in der linken Druckbeaufschlagungskammer gezeigt ist). Der Prozess des Arbeitszyklus der Pumpe zu ihrem Einlasshub erfordert, dass der zweite Luftanschluss 268 belüftet wird oder auf andere Weise einer Luft mit geringerem Druck ausgesetzt wird, so dass die Luft durch den ersten Luftanschluss 256 gedrückt wird, damit der Kolben in der Gehäusekammer mit geringem oder ohne Widerstand nach oben verdrängt wird. Umgekehrt erfordert der Prozess des Arbeitszyklus der Pumpe bis zu ihrem Auslasshub, dass der erste Luftanschluss 256 belüftet wird oder in anderer Weise einer Luft mit geringem Druck ausgesetzt wird, so dass die Luft durch den zweiten Luftanschluss 258 gedrückt wird, damit der Kolben in der Gehäusekammer mit geringem oder ohne Widerstand nach unten verdrängt werden kann.
In den 5 und 6 steht der Flüssigkeitsdurchlass 180 jeder Druckbeaufschlagungskammer 172 in hydraulischer Verbindung mit einem Einlass-Sicherheitsventilmodul 270 und einem Auslass-Sicherheitsventilmodul 272, die an einer Basis des Pumpengehäuses 176 unter jeder entsprechenden Druckbeaufschlagungskammer abnehmbar befestigt sind. Wie am besten in 6 gezeigt ist, umfasst eine beispielhafte Pumpe mit zwei Druckbeaufschlagungskammern zwei Einlass-Sicherheitsventilmodule 270, jeweils eines für jede Druckbeaufschlagungskammer, die untereinander über einen Flüssigkeitseinlassdurchlass 274 in hydraulischer Verbindung stehen, der sich zwischen diesen erstreckt und aus dem Pumpengehäuse 176 für eine Verbindung mit einem geeigneten Flüssigkeitsquellenanschluss austritt. Die Einlass-Sicherheitsventilmodule 270 funktionieren, um den Durchgang von Flüssigkeit von dem Flüssigkeitseinlassdurchlass 274 zu jedem Flüssigkeitsdurchlass 180 während eines Kolbeneinlasshubs in der Druckbeaufschlagungskammer zu ermöglichen. Unter diesen Einlassbedingungen wird ein ausreichender Differenzdruck über jeden Einlass-Sicherheitsventilmodul erzeugt, um zu bewirken, dass ein darin angeordnetes Ventilelement seinen Sitz verlässt und eine Flüssigkeitsströmung durch das Modul zulässt. Eine derartige beispielhafte Pumpe umfasst außerdem zwei Auslass-Sicherheitsventilmodule 272, jeweils eines für jede Druckbeaufschlagungskammer, die über einen Flüssigkeitsauslasskanal 276 in hydraulischer Kommunikation stehen, der sich zwischen den beiden erstreckt und aus dem Pumpengehäuse 176 für eine Verbindung mit einem geeigneten Flüssigkeitsauslassverbinder austritt. Die Auslass-Sicherheitsventilmodule 272 funktionieren, um den Durchlass von Flüssigkeit von dem Flüssigkeitsdurchlass 180 jeder Druckbeaufschlagungskammer zu jedem Flüssigkeitsauslasskanal 276 während eines Kolbenauslasshubs in jeder Druckbeaufschlagungskammer zuzulassen. Unter diesen Ausgabebedingungen wird ein ausreichender Differenzdruck über jedem Auslass-Sicherheitsventilmodul erzeugt, um zu bewirken, dass ein darin befindliches Ventilelement seinen Sitz verlässt und eine Flüssigkeitsströmung durch das Modul zulässt.
Jedes Einlass- und Auslass-Sicherheitsventilmodul umfasst eine Mehrkomponentenkonstruktion, die aus einer Modulkappe 278, die im Allgemeinen scheibenförmig ist und eine mit Gewinde versehene Randoberfläche für einen Gewindeeingriff an einer komplementären mit Gewinde versehenen Sicherheitsventilöffnung 280 in dem Pumpengehäuse besitzt. Ein zylindrischer Modulkörper 282 ist an der Modulkappe 278 durch eine Drehverbindung befestigt, um zu ermöglichen, dass die Modulkappe 278 gegenüber dem Modulkörper 282 gedreht werden kann, ohne zu bewirken, dass sich der Modulkörper 282 in der Sicherheitsventilöffnung 280 dreht. In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst die Modulkappe 278 ein einsteckbares Verbindungselement 284, das davon axial nach außen vorsteht und ein konisch erweitertes Ende enthält. Das einsteckbare Verbindungselement 284 ist so bemessen, dass es in eine komplementäre Öffnung in einem Ende des Modulkörpers schnappt, um damit eine drehbare Befestigung zu schaffen. Jeder Modulkörper 282 enthält eine Zunge 286, die in Umfangsrichtung um einen Rand des Körpers angrenzend an die Modulkappe angeordnet ist, die so beschaffen ist, dass eine flüssigkeitsundurchlässige Dichtung mit einer komplementären Nut, die um eine entsprechende Sicherheitsventilöffnung 280 des Pumpengehäuses angeordnet ist, bereitgestellt wird.
Jeder Modulkörper 282 enthält einen Flüssigkeitsströmungsanschluss 288, der sich radial durch ihn erstreckt. Jeder Modulkörper 282 enthält Ausrichtungs- oder Positionierungsmittel, um die richtige Positionierung jedes Modulkörper 282 in dem Pumpengehäuse 176 sicherzustellen, so dass der Flüssigkeitsströmungsanschluss 288 des Moduls auf seinen entsprechenden Flüssigkeitseinlass- oder Auslasskanal 274 und 276 ausgerichtet ist. In einer beispielhaften Ausführungsform können diese Ausrichtungs- oder Positionierungsmittel in der Form einer Kerbe oder dergleichen sein, die an einem Rand des Modulkörpers angrenzend an die Modulkappe angeordnet ist, die so positioniert und bemessen ist, dass sie darin einen Positionierungsstift 290, der von der Sicherheitsventilöffnung 280 des Pumpengehäuses vorsteht, aufnehmen kann. Die Zusammenwirkung zwischen dem Positionierungsstift und der Kerbe stellt sicher, dass das Sicherheitsventilmodul in einer entsprechenden Sicherheitsventilöffnung lediglich in einer Ausrichtung angeordnet werden kann, die eine Ausrichtung jedes Flüssigkeitsströmungsanschlusses des Modulkörpers auf seinen entsprechenden Flüssigkeitseinlass- oder Auslasskanal sicherstellt. Der Flüssigkeitsströmungsanschluss 288 des Moduls verläuft nicht nur diametral durch den Körper, sondern verläuft axial weg von der Modulkappe 278.
Jeder Modulkörper 282 enthält ein der Modulkappe gegenüberliegendes Ende, das so beschaffen ist, dass es an einer Modulkörperkappe 292 angebracht werden kann, die so beschaffen ist, dass sie darüber passt. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Ende des Modulkörpers so konstruiert, dass es einen Endwandabschnitt aufweist, der das Befestigungsende definiert, axial in vier Abschnitte geteilt ist und so konfiguriert ist, dass er eine konisch erweiterte äußere Oberfläche aufweist. Das unterteilte und konisch erweiterte Ende des Modulkörpers ist so bemessen, dass es eine Schnapppassung in einem komplementären Ende der Körperkappe 292 schafft. Die Körperkappe 292 enthält eine Öffnung 294 an einem dem Modulkörper 282 gegenüberliegenden Ende, das angrenzend an den Flüssigkeitsdurchlass 180 positioniert ist, wobei das Ende außerdem eine Zunge 296 enthält, die sich darum in Umfangsrichtung erstreckt und so bemessen ist, dass sie in eine Nut passt, die in der Sicherheitsventilöffnung des Pumpengehäuses angeordnet ist, um eine flüssigkeitsundurchlässige Dichtung zwischen Zunge und Nut zu schaffen.
Ein Sicherheitsventil 298 ist jeweils zwischen Modulkörper 288 und Modulkappe 292 eingesetzt und ist aus einer einteiligen Konstruktion, die aus einem geeigneten nicht metallischen Fluoropolymer-Material gebildet ist. Das Sicherheitsventil ist so beschaffen, dass es zwischen entgegengesetzt ausgerichtete Ventilsitze, die an einem Ende in der Körperkappenöffnung 294 und an einem entgegengesetzten Ende in dem axialen Flüssigkeitsströmungsanschluss des Modulkörpers gebildet sind, passt. Wie am besten in 5 gezeigt ist, sind die Sicherheitsventile 298, die für jedes Einlass- und Auslass-Sicherheitsventilmodul verwendet werden, gleich, sie sind jedoch in jedem Einlass- und Auslass- Sicherheitsventilmodul unterschiedlich angeordnet, um eine gedrosselte Strömung in der gewünschten Richtung zu schaffen.
Die auf diese Weise konstruierten Sicherheitsventilmodule sind leicht aus dem Pumpengehäuse entnehmbar und können dann, wenn es Probleme gibt oder wenn sie ausfallen, ersetzt werden. Wenn sie z. B. bei einem Betriebseinsatz zum Aufschlämmungstransport verwendet werden, ist es vernünftig anzunehmen, dass die Sicherheitsventilelemente auf Grund der schleifenden Natur der transportierten Flüssigkeit in starken Maße einem Abriebverschleiß ausgesetzt sind, der schließlich bewirkt, dass sie vor den restlichen Pumpenkomponenten ausfallen. Bei einer derartigen Anwendung ermöglicht die Verwendung dieser Sicherheitsventilmodule, dass ihre Entnahme und Ersetzung sowohl einfach, da keine spezielle Übung oder Werkzeuge zum Ausführen der Aufgabe erforderlich sind, sowie effizient, da die Pumpen nicht für lange Zeitperioden abgeschaltet werden müssen, gestaltet werden können.
Die in den 4 bis 7 dargestellte Pumpe wird betrieben, nachdem die Flüssigkeitseinlass- und Auslasskanäle 274 und 276 an eine geeignete Flüssigkeitszufuhrquelle und einen Auslass angeschlossen wurden, indem Luft bei einem bestimmten Druck zu jeder der Luftbetätigungskammern 254 geleitet wird. Die Druckbeaufschlagungselemente 174 werden im Einzelnen jeweils in ihren entsprechenden Druckbeaufschlagungskammern 171 bei unterschiedlichen Arbeitszyklen axial verdrängt, um einen im Wesentlichen konstanten Ausgangsdruck zu erreichen, während z. B. ein Druckbeaufschlagungselement luftbetätigt sich nach unten bewegt, um einen Auslasshub auszuführen, wird das andere Druckbeaufschlagungselement luftbetätigt nach oben bewegt, um einen Einlasshub auszuführen (wie in 4 gezeigt ist). Um einen im Wesentlichen konstanten Ausgabedruck sicherzustellen, können die Luftbetätigungsdrücke, die zum Ausführen des Einlass- und Auslasshubs eines Druckbeaufschlagungselements verwendet werden, unterschiedlich sein. Zum Beispiel kann die Luft, die durch jeden ersten Luftanschluss 256 geleitet wird, einen höheren Druck aufweisen, als die, die zu jedem zweiten Luftanschluss 268 geleitet wird, um zu bewirken, dass jedes Druckbeaufschlagungselement 174 seinen Einlasshub bei einer größeren Geschwindigkeit ausführt als jeden Auslasshub, um sicherzustellen, dass die Auslasshübe für jedes Druckbeaufschlagungselement im Wesentlichen ununterbrochen sind. Die Fähigkeit, die Pumpe in dieser Weise zyklisch zu betreiben, wobei unterschiedliche Einlass- und Auslasszyklusgeschwindigkeiten auftreten, ist ein Merkmal, das durch die Pumpe bereitgestellt wird, die keinen gemeinsamen Schaft, der die Druckbeaufschlagungselemente antreibt, aufweist.
Die Position jedes Druckbeaufschlagungselements in einer entsprechenden Druckbeaufschlagungskammer wird durch Erfassungsmittel 300 bestimmt, die entweder invasiv oder nicht invasiv sind. In den 4 und 5 sind die Erfassungsmittel 300 in einer beispielhaften Ausführungsform in der Form eines Paars Lichtleitfasersensoren, die jeweils durch eine Sensoröffnung 302 durch das geschlossene Ende 242 jedes Kolbengehäuses angeordnet sind. Die Lichtleitfasersensoren 300 sind in Abwärtsrichtung durch die Gehäusekammer 244 und in einem Sensorkanal 304 angeordnet, der axial durch jeden Kolben in einer Tiefe von dem Körperende 214 des Kolbens verläuft. Eine gefärbte Hülse 306, z. B. eine schwarz gefärbte Hülse ist in einem Basisabschnitt des Sensorkanals angeordnet. Die Lichtleitfasersensoren 300 sind übereinander positioniert und radial nach außen gerichtet, um die Farbänderung in dem Sensorkanal 304 zu erfassen, um die Verdrängung des Kolbens und des Druckbeaufschlagungselements in dem Kolbengehäuse bzw. in der Druckbeaufschlagungskammer zu erfassen. Die beiden vertikal übereinander angeordneten optischen Sensoren werden gemeinsam verwendet, um die Beendigung der Aufwärtsverdrängung des Kolbens d. h. die Beendigung eines Einlasshubs des Druckbeaufschlagungselements und die Beendigung der Abwärtsverdrängung des Kolbens, d. h. die Beendigung des Auslasshubs eines Druckbeaufschlagungselements zu ermitteln.
Die Erfassungsmittel sind so konfiguriert, dass sie ein Kolbenstellungssignal an eine Steuereinheit oder dergleichen bereitstellt, die die Einbringung und den Druck der Betätigungsluft, die zu der Pumpe geleitet wird, regelt. Die Verwendung derartiger Sensormittel in der Pumpe ist wesentlich, damit der Aufwärts- und Abwärtshub jedes Kolbens gesteuert werden kann, um einen impulsfreien kontinuierlichen Pumpenausgangsdruck sicherzustellen. Bei Bedarf können mehr als eine Pumpe zusammengeschaltet werden, um ein Pumpensystem zu bilden, wobei die Betätigung von jedem der Druckbeaufschlagungselemente gesteuert wird, um einen gewünschten Ausgang des Pumpensystems bereitzustellen, der spezifische Anwendungskriterien erfüllt.

Claims

Pumpe zur Druckbeaufschlagung von Prozessflüssigkeit, umfassend: – zwei oder mehrere Druckbeaufschlagungskammern (172) wobei jede mit einem Flüssigkeitstransport-Durchflusskanal in hydraulischer Verbindung steht, – ein Druckbeaufschlagungselement (174), das in jeder Druckbeaufschlagungskammer angeordnet ist und eine einteilige aus einem fluoropolymerischen Material geformte Konstruktion aufweist und einschließt: – einen generell zylindrischen Körper mit einem massiven undurchlöcherten Kopf (190), einen dünnwandigen Mantel (192), der ein Bestandteil des Körperkopfes ist und sich von diesem weg erstreckt; und gekennzeichnet durch einen Flansch (194), der sich umfangsbezogen um eine Endkante des Mantels erstreckt; – zwei oder mehrere Kolben (208) wobei jeder mit einem jeweiligen Druckbeaufschlagungselement verbunden ist, die Kolben von einander unabhängig sind, die Kolben in einem, mit den Druckbeaufschlagungskammern verbundenen, Gehäuse (210) angeordnet sind; – ein in der Pumpe angeordnetes Führungsmittel zum Führen der Kolbenbewegung während Kolbenbetätigung; und – ein in der Pumpe angeordnetes Stützmittel zum Stützen eines Abschnitts des dünnwandigen Mantels des Druckbeaufschlagungselements während axialer Bewegung des Druckbeaufschlagungselements; – worin axiale Bewegung der Druckbeaufschlagungselemente in einer jeweiligen Druckbeaufschlagungskammer durch rollende Bewegung des dazwischen liegenden dünnwandigen Mantels des Druckbeaufschlagungselements bereitgestellt wird.
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dünnwandige Mantelflansch eine sich umfangsbezogen darum erstreckende Zunge (298) aufweist, die eine Distanz daraus hervorragt, und die bemessen ist in eine komplementäre Nut zu passen, die in einer strukturellen Fläche des Druckbeaufschlagungselements angeordnet ist, um eine flüssigkeitsundurchlässige Dichtung damit bereitzustellen.
Pumpe nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe einen Leckanschluss einschließt, der sich ab einer Stelle außerhalb der Druckbeaufschlagungskammer erstreckt, um das Feststellen von Leckflüssigkeit ab der Druckbeaufschlagungskammer zu erleichtern.
Pumpe zur Druckbeaufschlagung von Prozessflüssigkeit, umfassend: wenigstens zwei vertikal angeordnete Druckbeaufschlagungskammern, wobei jede Druckbeaufschlagungskammer ein im Wesentlichen geschlossenes Kammerende an einem axialen Ende und ein offenes Kammerende an einem entgegengesetzten axialen Ende umfasst, und wobei das im Wesentlichen geschlossene Kammerende eine hydraulische Verbindung mit einem Flüssigkeitstransport-Kanaldurchgang ist; – ein Druckbeaufschlagungselement (174), das in jeder Druckbeaufschlagungskammer angeordnet ist, wobei das Druckbeaufschlagungselement eine einteilige, aus einem fluoropolymerischen Material geformte, Konstruktion aufweist und einschließt: – einen generell zylindrischen Körper mit einem massiven undurchlöchrten Kopf an einem Körperende, das angrenzend an das im Wesentlichen geschlossene Kammerende positioniert ist; – einen dünnwandigen Mantel (192), der sich eine Distanz radial nach außen vom Körper weg erstreckt und sich axial vom Körperkopf weg erstreckt, wobei der Mantel eine Außenfläche und eine entgegengesetzt gerichtete Innenfläche aufweist; und – einen Flansch (194), der sich umfangsbezogen um eine Endkante des Mantels erstreckt; – ein Kolbengehäuse, das am offenen Ende jeder Druckbeaufschlagungskammer angebracht ist; – einen Kolben (208), der axial in der jeweiligen Druckbeaufschlagungskammer und im jeweiligen Kolbengehäuse angeordnet ist, und an einem Ende an ein jeweiliges, dem Körperkopf gegenüberliegendes Druckbeaufschlagungselement angeschlossen ist, wobei jeder Kolben unabhängig von anderen ist; gekennzeichnet durch eine Kolbenstopfbuchse, die am offenen Ende jeder Druckbeaufschlagungskammer (230) angebracht ist und einen Innendurchmesser hat, der jenem der jeweiligen Druckbeaufschlagungskammer komplementär ist, wobei jede Kolbenstopfbuchse einen sich diametral erstreckenden Abschnitt mit einer Kolbenöffnung zur Aufnahme eines entsprechenden Kolbens einschließt und wobei jeder Druckbeaufschlagungselementflansch zwischen jeweiligen Druckbeaufschlagungskammern und Kolbenstopfbuchsen angeordnet ist und Dichtmittel einschließt, um eine flüssigkeitsundurchlässige Dichtung dazwischen bereitzustellen, um einen Strömungsbereich der Pumpe zu definieren; – einen Druckbeaufschlagungselementstopfen (56, 57), der am jeweiligen Druckbeaufschlagungselement angebracht ist und sich axial eine Distanz vom Körperkopf weg in Richtung des jeweiligen Kolbens erstreckt, wobei jeder Stopfen eine Außenwandfläche aufweist, die einen variablen Abschnitt der jeweiligen Mantelinnenfläche, während der hin- und hergehenden axialen Verdrängung des Druckbeaufschlagungselements, kontaktiert und trägt; – wobei der dünnwandige Mantel jedes Druckbeaufschlagungselements ausreichender axialer Länge ist, um zwischen der Stopfenaußenwandfläche und einer konzentrisch positionierten Pumpenfläche zu rollen, um hin- und hergehende axiale Verdrängung des Druckbeaufschlagungselements in der Druckbeaufschlagungskammer zu ermöglichen, und Mittel zum Betätigungen jedes Kolben unabhängig von einander, um jedes Druckbeaufschlagungselement in seiner jeweiligen Druckbeaufschlagungskammer im Arbeitszyklus zu bewegen.