EP0983440A1 - Kolbenmembranpumpe mit dichtungsloser kolben-zylindereinheit - Google Patents

Kolbenmembranpumpe mit dichtungsloser kolben-zylindereinheit

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EP0983440A1
EP0983440A1 EP98929297A EP98929297A EP0983440A1 EP 0983440 A1 EP0983440 A1 EP 0983440A1 EP 98929297 A EP98929297 A EP 98929297A EP 98929297 A EP98929297 A EP 98929297A EP 0983440 A1 EP0983440 A1 EP 0983440A1
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EP
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piston
metering
cylinder
dosing
medium
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Klaus Rutz
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Lang Apparatebau GmbH
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    • F04B23/04—Combinations of two or more pumps
    • F04B23/06—Combinations of two or more pumps the pumps being all of reciprocating positive-displacement type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04B13/00—Pumps specially modified to deliver fixed or variable measured quantities
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    • F04B53/008—Spacing or clearance between cylinder and piston
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2203/00—Non-metallic inorganic materials
    • F05C2203/08—Ceramics; Oxides
    • F05C2203/0804—Non-oxide ceramics

Definitions

  • the invention relates to a seal of the metering piston-cylinder unit of piston diaphragm pumps and a piston diaphragm pump for suctioning and dispensing a liquid metering medium with a pump interior and by immersing a metering piston in a compression unit arranged in the pump interior, the compression chamber being a metering opening for dispensing the metering medium and the interior of the pump has a suction valve for feeding in dosing medium and a return valve for dispensing excess dosing medium.
  • the accuracy of dosing with piston diaphragm pumps depends on the accuracy of the sealing of the dosing piston in the associated cylinder unit.
  • mechanical sealing elements for example O-rings
  • this object is achieved according to the invention in that a metering piston-cylinder unit is used which is virtually free of play in the micrometer range and is sealed by means of a hydrodynamic gap seal.
  • this object is achieved according to the invention in that the metering piston in the region of the cylinder forming the compression space is guided with almost no play with a tolerance in the range of ⁇ m and the seal of a gap remaining between the metering piston and the cylinder is sealed as a seal by means of the sucked-in metering medium. hydrodynamic gap seal is formed.
  • Such a sealing of the metering piston-cylinder unit of piston diaphragm pumps or piston diaphragm pumps provided with such a sealing have the advantage that the hydrodynamic gap seal works without wear and thus allows practically unlimited service lives with regard to the sealing of the system.
  • the metering piston and the cylinder are made of oxide ceramic, as the invention provides in one embodiment.
  • the production of the element pairing of the metering piston-cylinder from oxide ceramic has the particular advantage that the narrowest tolerances can be easily represented in terms of production technology.
  • the invention also provides that the metering piston is actuated in a floating manner via a clutch or, in the case of the piston diaphragm pump, the metering piston is floating with a clutch by means of a clutch Drive piston is connected.
  • the floating control of the dosing piston via a coupling enables simple assembly and ensures problem-free use of the dosing piston-cylinder unit.
  • a drive with a drive piston 5 projects laterally into the diaphragm pump.
  • a membrane 6 is arranged in a circular sealing manner in a pump interior 14.
  • the membrane 6 is clamped tightly peripherally and allows a back and forth movement by the drive piston 5 in its directions of movement indicated by a double arrow.
  • the drive piston 5 with a membrane 6 arranged thereon performs a lifting or suction movement (suction stroke) and in the direction of the pump interior 14 to a pressure movement (pump stroke).
  • a metering piston 1 and a cylinder 2 are arranged as a cooperating pair of elements within the pump interior 14.
  • the metering piston 1 and the cylinder 2 form a metering piston-cylinder unit.
  • the metering piston 1 is connected via a clutch 4 to the drive piston 5, so that its stroke and pressure movements are transmitted to the metering piston 1.
  • the cylinder 2 is penetrated by a control bore 8.
  • a metering opening 11 of the piston diaphragm pump opposite the diaphragm 6 is controlled via a pressure valve 9.
  • the piston diaphragm pump has a suction valve 7 and a return pressure valve 10 on opposite sides of the pump interior 14.
  • the gap 3 between the metering piston 1 and the cylinder 2 is sealed hydrodynamically by means of the liquid metering medium located in the pump interior 14 and in a compression chamber 15.
  • the metering piston 1 is in this area of the cylinder which forms the compression space 15 2 with a tolerance in the range of ⁇ m (micrometer range) with almost no play.
  • the piston diaphragm metering pump works in such a way that when the diaphragm moved by the drive piston 5 moves in the direction away from the pump interior 14 (suction stroke), dosing medium or product is drawn in via the suction valve 7 and in the compression space 15 of the dosing piston-cylinder unit 1, 2 a vacuum or negative pressure arises. If the control bore 8 in the cylinder 2 is released with a corresponding stroke movement of the metering piston 1, the product conveyed by the stroke movement of the diaphragm 6 into the pump interior 14 flows into this compression chamber 15. During the pressure movement (pump stroke) of the drive piston 5 with the metering piston 1 in the direction of the metering opening 11 out, the control bore 8 is closed again.
  • the coupling 4 connecting the metering piston 1 and the drive piston 5 has a shape adapted to the corresponding end face of the membrane piston 5 in the direction of the drive or membrane piston 5 and connects the metering piston 1 and the drive piston 5 “floating”, so that here due to installation and manufacturing tolerances , for example, a center offset can be compensated in a simple manner, which enables cost-effective production, since the specification of narrow tolerances due to the “floating” connection is avoided.

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Description

„Kolbenmembranpumpe mit dichtungsloser Kolben-Zylindereinheit"
Die Erfindung betrifft eine Abdichtung der Dosierkolben-Zylindereinheit von Kolbenmembranpumpen sowie eine Kolbenmembranpumpe zur Ansaugung und Abgabe eines flüssigen Dosiermediums mit einem Pumpeninnenraum und davon durch Eintauchen eines Dosierkolbens in eine im Pumpeninnenraum angeordnete Zylindereinheit abtrennbarem Kompressionsraum, wobei der Kompressionsraum eine Dosieröffnung für die Abgabe des Dosiermediums und der Pumpeninnenraum ein Saugventil für das Hereinfördern von Dosiermedium und ein Rücklaufventil für die Abgabe überschüssigen Dosiermediums aufweißt.
Die Genauigkeit der Dosierung mit Kolbenmembranpumpen hängt von der Exaktheit der Abdichtung des Dosierkolbens in der zugehörigen Zylindereinheit ab. Bei Verwendung mechanischer Dichtungselemente, beispielsweise von O-Ringen, ist es von Nachteil, daß die Dichtelemente verschleißen und damit die Dosiergenauigkeit abnimmt. Außerdem ist es häufig sehr schwierig und aufwendig, bei der Montage die für eine ausreichende Genauigkeit unabdingbaren engen Toleranzen einzuhalten.
In der europäischen Patentschrift EP-B-0 129 187 ist eine Kolbenmembranpumpe mit Vorförderung beschrieben. Bei dieser wird der Dosierkolben über einen gleitgelagerten Antriebskolben betätigt. Das Förderoder Dosiermedium wird dem Dosierkolben mit Hilfe einer Membran vorgelegt. Dabei erfolgt die Abdichtung der Dosierkolben-Zylindereinheit mit O-Ringen als Dichtelement. Das System aus Dosierkolben, Dichtelementen und Hubeinstellschraube unterliegt dem Verschleiß und begrenzt die Standzeiten. Je höher die Anforderung an die Dosiergenauigkeit ist, um so kürzer kann ein solches System ohne Nachjustierung oder Ersatz der Dichtelemente eingesetzt werden. Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, bei einfachen Montageverhältnissen eine dauerhaft exakte Abdichtung der Dosierkolben-Zylindereinheit zu gewährleisten.
Bei einer Abdichtung der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Dosierkolben-Zylindereinheit verwendet wird, die im Mikrometerbereich nahezu spielfrei ist und deren Abdichtung über eine hydrodynamische Spaltdichtung erfolgt.
Bei einer Kolbenmembranpumpe der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Dosierkolben im den Kompressionsraum ausbildenden Bereich des Zylinders mit Toleranz im Bereich von μm nahezu spielfrei geführt und die Dichtung eines zwischen Dosierkolben und Zylindert verbleibenden Spaltes als mittels des angesaugten Dosiermediums abdichtende, hydrodynamische Spaltdichtung ausgebildet ist.
Eine solche Abdichtung der Dosierkolben-Zylindereinheit von Kolbenmembranpumpen bzw. mit einer derartigen Abdichtung versehene Kolbenmembranpumpen haben den Vorteil, daß die hydrodynamische Spaltdichtung verschleißfrei arbeitet und damit im Hinblick auf die Abdichtung des Systems praktisch unbegrenzte Standzeiten erlaubt.
Von Vorteil ist es hierbei, wenn der Dosierkolben und der Zylinder aus Oxid-Keramik hergestellt sind, wie dies die Erfindung in Ausgestaltung vorsieht. Die Herstellung der Elementenpaarung Dosierkolben-Zylinder aus Oxid-Keramik hat den besonderen Vorteil, daß engste Toleranzen herstellungstechnich einfach darstellbar sind.
In Weiterbildung der Abdichtung und der Kolbenmembranpumpe sieht die Erfindung auch noch vor, daß der Dosierkolben über eine Kupplung schwimmend angesteuert bzw. bei der Kolbenmembranpumpe der Dosierkolben mittels einer Kupplung schwimmend mit einem Antriebskolben verbunden ist. Die schwimmende Ansteuerung des Dosierkolbens über eine Kupplung ermöglicht eine einfache Montage und gewährleistet einen problemlosen Einsatz der Dosierkolben- Zylindereinheit.
Die Erfindung ist nachstehend anhand einer einzigen Figur beispielhaft näher erläutert. Bei der in der Figur dargestellten Kolbenmembranpumpe ragt ein Antrieb mit einem Antriebskolben 5 seitlich in die Membranpumpe hinein. Zwischen zwei Pumpengehäuseteilen 12, 13 ist eine Membran 6 in einen Pumpeninnenraum 14 kreisförmig abdichtend angeordnet. Die Membran 6 ist peripher dicht eingespannt und erlaubt eine Hin- und Herbewegung durch den Antriebskolben 5 in dessen durch einen Doppelpfeil angedeuteten Bewegungsrichtungen. In Richtung vom Pumpeninnenraum 14 fort führt der Antriebskolben 5 mit daran angeordneter Membran 6 eine Hub-oder Saugbewegung (Saughub) und in Richtung auf den Pumpeninnenraum 14 zu eine Druckbewegung (Pumphub) aus.
In der Mitte der Kolbenmembranpumpe sind innerhalb des Pumpeninen- raumes 14 ein Dosierkolben 1 und ein Zylinder 2 als zusammenwirkendes Elementenpaar angeordnet. Insofern bilden der Dosierkolben 1 und der Zylinder 2 eine Dosierkolben-Zylindereinheit. Der Dosierkolben 1 ist über eine Kupplung 4 mit dem Antriebskolben 5 verbunden, so daß dessen Hub- und Druckbewegungen auf den Dosierkolben 1 übertragen werden. Der Zylinder 2 ist von einer Steuerbohrung 8 durchsetzt. Über ein Druckventil 9 wird eine der Membran 6 gegenüberliegende Dosieröffnung 11 der Kolbenmembranpumpe angesteuert. Weiterhin weist die Kolbenmembranpumpe auf gegenüberliegenden Seiten des Pumpeninnenraumes 14 ein Saugventil 7 und ein Rücklaufdruckventil 10 auf. Die Abdichtung des Spaltes 3 zwischen dem Dosierkolben 1 und dem Zylinder 2 erfolgt hydrodynamisch mittels des im Pumpeninnenraum 14 und in einem Kompressionsraum 15 befindlichen flüssigen Dosiermediums. Der Dosierkolben 1 ist in diesem, den Kompressionsraum 15 ausbildenden Bereich des Zylinders 2 mit im Bereich von μm (Mikrometerbereich) liegender Toleranz nahezu spielfrei geführt.
Die Kolbenmembrandosierpumpe funktioniert in der Weise, daß bei Bewegung der vom Antriebskolben 5 bewegten Membran in Richtung vom Pumpeninnenraum 14 fort (Saughub) Dosiermedium oder Produkt über das Saugventil 7 angesaugt wird und im Kompressionsraum 15 der Dosierkolben-Zylindereinheit 1 , 2 ein Vakuum bzw. Unterdruck entsteht. Wird bei entsprechender Hubbewegung des Dosierkolbens 1 die Steuerbohrung 8 im Zylinder 2 freigegeben, strömt das durch die Hubbewegung der Membran 6 in den Pumpeninnenraum 14 vorgeförderte Produkt in diesen Kompressionsraum 15. Bei der Druckbewegung (Pumphub) des Antriebskolbens 5 mit Dosierkolben 1 in Richtung zur Dosieröffnung 11 hin, wird die Steuerbohrung 8 wieder verschlossen. Auf die dann im Kompressionsraum 15 eingeschlossene Flüssigkeit wird vom Dosierkolben 1 Druck ausgeübt, mit der Folge, daß das Druckventil 9 öffnet und flüssiges Dosiermedium durch die Dosieröffnung 11 dosiert wird. Gleichzeitig wird über das Rücklaufdruckventil 10 überschüssiges Produkt in einen mit der Kol- benmenbranpumpe in Wirkverbindung stehenden Ansaugbehälter zurückgefördert, wobei das Rücklaufdruckventil 10 aufgrund des von der Membran 6 auf das im Pumpeninnenraum 14 befindliche Dosiermedium ausgeübten Druckes öffnet.
Die den Dosierkolben 1 und den Antriebskolben 5 verbindende Kupplung 4 hat in Richtung des Antriebs- oder Membrankolbens 5 eine der entsprechenden Stirnfläche des Membrankolbens 5 angepaßte Form und verbindet den Dosierkolben 1 und den Antriebskolben 5 „schwimmend", so daß hier durch Einbau- und Fertigungstoleranzen, beispielsweise auch ein Mittenversatz in einfacher Weise ausgeglichen werden, was eine kostengünstige Fertigung ermöglicht, da die Vorgabe enger Toleranzen aufgrund der „schwimmenden" Verbindung vermieden wird.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Abdichtung einer Dosierkolben-Zylindereinheit 1 , 2 von Kolbenmembranpumpen, dadurch gekennzeichnent, daß eine Dosierkolben-Zylindereinheit 1 , 2 verwendet wird, die im Mikrometerbereich (μm) nahezu spielfrei ist und deren Abdichtung über eine hydrodynamische Spaltdichtung erfolgt.
2. Abdichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Elementenpaarung Dosierkolben-Zylinder 1 , 2 aus Oxid- Keramik hergestellt ist.
3. Abdichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dosierkolben 1 über eine Kupplung 4 schwimmend angesteuert ist.
4. Kolbenmembranpumpe zur Ansaugung und Abgabe eines flüssigen Dosiermediums mit einem Pumpeninnenraum 14 und davon durch Eintauchen eines Dosierkolbens 1 in einen im Pumpeninnenraum 14 angeordneten Zylinder 2 abtrennbarem Kompressionsraum 15, wobei der Kompressionsraum 15 eine Dosieröffnung 11 für die Abgabe des Dosiermediums und der Pumpeninnenraum 14 ein Saugventil 7 für das Hereinfördern von Dosiermedium und ein Rücklaufdruckventil 10 für die Abgabe überschüssigen Dosiermediums aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Dosierkolben 1 im den Kompressionsraum 5 ausbildenden Bereich des Zylinders 2 mit Toleranz im Bereich von μm nahezu spielfrei geführt und die Dichtung eines zwischen Dosierkolben 1 und Zylinder 2 verbleibenden Spaltes 3 als mittels des angesaugten Dosiermediums abdichtende, hydrodynamische Spaltdichtung ausgebildet ist.
5. Kolbenmembranpumpe nach Anspruch 4, dadurch gkennzeichnet, daß der Dosierkolben 1 und der Zylinder 2 aus Oxid-Keramik hergestellt sind.
6. Kolbenmembranpumpe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dosierkolben 1 mittels einer Kupplung 4 schwimmend mit einem Antriebskolben 5 verbunden ist.
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