EP1353069A2 - Membranpumpe - Google Patents

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EP1353069A2
EP1353069A2 EP03006884A EP03006884A EP1353069A2 EP 1353069 A2 EP1353069 A2 EP 1353069A2 EP 03006884 A EP03006884 A EP 03006884A EP 03006884 A EP03006884 A EP 03006884A EP 1353069 A2 EP1353069 A2 EP 1353069A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pump
chambers
chamber
shut
plates
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03006884A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1353069A3 (de
Inventor
Peter Jähn
Bernhard Krumbach
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
JAEHN, PETER
Original Assignee
Bayer AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayer AG filed Critical Bayer AG
Publication of EP1353069A2 publication Critical patent/EP1353069A2/de
Publication of EP1353069A3 publication Critical patent/EP1353069A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/06—Pumps having fluid drive
    • F04B43/073—Pumps having fluid drive the actuating fluid being controlled by at least one valve
    • F04B43/0733—Pumps having fluid drive the actuating fluid being controlled by at least one valve with fluid-actuated pump inlet or outlet valves; with two or more pumping chambers in series

Definitions

  • piston or diaphragm pumps are used for such tasks used.
  • These types of pumps are oscillating positive displacement pumps.
  • These pumps work on the displacement principle and are included
  • Check valves equipped on the pump suction and pressure side A change in dosage is done by varying the piston or diaphragm stroke so that a changed dead space volume depending on the stroke set in the pump head.
  • the check valves have a decisive influence on the pump function and the Dosing accuracy of the pumps.
  • the well-known piston and diaphragm pumps are driven by a gear with cam or eccentric shaft driven.
  • the direct coupling of these pumps with the Drive leads to large device dimensions, the design of which is miniaturized for many Test facilities is too large.
  • the mechanical drives must be manufactured precisely and increase the investment costs.
  • Pulsating displacement pumps are also equipped with magnetic drives. This makes the building dimensions of this Pump types slightly smaller and the pumps have a constant dead volume in the pump head.
  • Microsystem pumps are known with which very small amounts of liquid can be used can be promoted.
  • the micropumps are so-called precision pumps Function with the slightest contamination on the product side is no longer guaranteed.
  • the flow channels and displacement spaces within the micropump heads have Dimensions of a few ⁇ meters. Contaminated products clog flow channels immediately, or block the dynamically moving pump parts so that a dosing process can be interrupted quickly. Leave small product channels Pumping and dosing of viscous substances does not lead to pressure loss is too big.
  • micromembrane pumps which are based on piezoelectric or thermopneumatic drives very small structural dimensions and can dose small amounts of substance.
  • DE 4402119 C2 describes a micro diaphragm pump that is also thermal is driven.
  • These drive systems always work on the principle a thermally initiated volume expansion on a membrane side, so that the Delivery membrane of the pump generates a pumping effect by the deflection. With no greater differential pressures can be overcome in these drive systems at z.
  • B a liquid substance in a container under higher pressure to dose.
  • these pumps tend to become blocked, so that the operational Use in chemical laboratories is unsatisfactory and in preparative chemical laboratories such pumps are not used.
  • Microsystem pumps so-called gerotor pumps, work at high speeds and create pressure in the annular gap. During the pressure build-up in the discharge In the area of the pump, there is a backflow into the suction area, in particular due to the mechanical tolerances of the rotor and stator of the pump, so the pump efficiency is greatly reduced. Because of the low The driving power of the microsystem pumps is the reproducible dosing of Low-viscosity substances against high pressure are generally not guaranteed.
  • the invention has for its object to develop a pump that is strongly miniaturized, small volumes, e.g. from 5 ⁇ l to 1000 ⁇ l / stroke and per unit of time, promotes and has a high short-term dosing accuracy.
  • the pump should have a good suction behavior and promote against pressure, so that even in pumping against pressure is possible when the pump head is not flooded.
  • the dosing of substances with different densities is not intended to be essential Influence the delivery accuracy and the dosing behavior.
  • the susceptibility to failure against constipation due to product contamination should be significantly reduced so that there is no need for additional fine filters on the suction side of the pump can be.
  • required suction and pressure valves of the pump head should be independent of density, Open and close reproducibly, especially when closed Condition to be tight against gas pressure so that no back flow during pumping takes place, achieves a high degree of efficiency and therefore precise pumping against pressure is made possible.
  • the dosing capacity of the volume flows to be conveyed must be easily adjustable or variable and should be 5 to 100,000 ⁇ l / stroke, preferably 10 to 10,000 ⁇ l / stroke and particularly preferably 10 to 1,000 ⁇ l / stroke be.
  • the pump is designed in particular due to different corrosion requirements inexpensive in the chemical industry from various resistant materials be producible. Due to the occasional harsh operating conditions Repair and maintenance should be simple and inexpensive.
  • the design of the control or drive technology should not have any influence on the pump head size and the possibility of integration in a miniaturized Take the test facility.
  • the pump should be modular, so that through appropriate additions or replacement of module parts, the dosing pump can be easily modified.
  • the change in dosing performance should take place without the displacement path of the membrane or piston in the pump head the dead volume increases so that the aspirated liquid volume increases is completely pushed out of the pump head at any time.
  • a modular lamella-like structure pneumatically driven pump head that consists of at least three rigid Slats (plates) and in the area of the individual parting plane of the middle Plate and the adjacent adjacent plates at least one concave Well is present and each well is completely covered by an elastic membrane is covered and the membrane on one side part of the product space the pump and the other side is part of the control room.
  • the wells one or on both sides of the membrane form the max. Way around the elastic membrane can be deflected.
  • the invention relates to a diaphragm pump with a multi-part pump body, at least comprising three rigid plates and one between each of these plates arranged elastic membrane, the plates at least one pumping chamber and at least two shut-off chambers, in particular in a spatial form of a truncated spherical section of a spherical zone (spherical cap), cylinder or cone, with one inlet and one outlet opening for the material to be conveyed, and the Pump and shut-off chambers are connected to one another via connecting channels, and together with an inlet duct, the connecting ducts and an outlet duct form a passage channel, characterized in that the pump and Isolation chambers through the membranes into a product room and a control room are divided and the control rooms have control lines that are connected to a Control unit are connected.
  • control room is opened in particular via a channel, which is passed through the respective outer plate, e.g. an electro-pneumatic Control unit, e.g. has a vacuum generator connected, to alternate pressurization or vacuum application to the control room enable.
  • an electro-pneumatic Control unit e.g. has a vacuum generator connected
  • a hydraulic fluid for pressure and To use train control.
  • a tax program which has at least four successive control steps, each with an associated one Has time element, for example, the membranes in the pump and Shut-off chambers are deformed so that the control or product space alternates enlarged or reduced.
  • the membrane opens or closes at the same time the inlet and outlet opening of the chambers in the membrane area, so that at least the supply channels in contact with the product are tightly closed during the closing process are and for a given control at least one in the direction of flow lying membranes produces a reproducible volume displacement.
  • the control unit is particularly due to the degree of miniaturization required decentrally arranged and with pneumatic control e.g. with flexible Hoses connected to the pump head.
  • a combination of electronic control and Understood actuators e.g. electro-pneumatic switching valves on a compressed air / vacuum distributor are mounted, which is located in a secondary line pneumatic vacuum generator.
  • the electronic control and the Actuators can e.g. be assembled together in one housing.
  • the electropneumatic Valves are operated by means of a control program to ensure an exact sequence of work steps for the pumping process.
  • shut-off and pumping chambers are on the edge by the inserted and pressed membranes sealed.
  • each shut-off and pumping chamber is an individual one has assigned membrane and the membranes are inserted between the plates.
  • the membranes are clamped around in the Partition planes of the plates follow the pressurized control and product rooms tightly sealed on the outside.
  • a preferred embodiment of the pump has at least in the product space Pump chamber has a groove that is the apex of the pump chamber with the outlet opening connects the pump chamber.
  • the connecting groove from the apex to the pump chamber outlet increases the accuracy and reproducibility of the funding process by using a complete discharge of the dosing volume is guaranteed.
  • the groove forms one dissipating collecting channel for the dosing material and compensates for deformation differences the elastic membrane. There must be one between the inlet of the chamber and the groove Surface to be in place so that the membrane is the inlet opening of the chamber to the groove can seal.
  • the groove can be an elongated channel, the groove can also have a branched contour in the recess.
  • control pressure is on the membrane in all control rooms can be set at least 0.1 bar higher than the prevailing pressure at the outlet channel, the control pressure is preferably at least around 0.5 bar higher and particularly preferably the control pressure is 1 bar higher than that Outlet port pressure.
  • the higher differential pressure between the outlet duct and the control side pressure provides the tight sealing of the respective inlet openings in the chambers by the Membrane safe.
  • the membranes preferably consist of an elastic material, in particular an elastomer, silicone, Viton, Teflon or an EPDM rubber.
  • a preferred embodiment of the pump in which several Shut-off chambers have a common membrane.
  • a preferred embodiment of the diaphragm pump is characterized in that the pump consists of at least three plates and the pumping and isolating chambers are formed by depressions in the plates.
  • the pump consists of at least three Plates and the pumping and shut-off chambers are in one by depressions middle plate formed.
  • diaphragm pump is characterized in that that the pump consists of at least three plates and the pump and Isolation chambers are formed by recesses in the outer plates.
  • the membrane opposite Wall of the control room at least in the pumping chamber a compensation volume, in particular a flat recess, in which the membrane is under negative pressure nestles in the control room.
  • this is Compensation volume at most 100% of the respective associated product space volume, the compensation volume is preferably at most 20%, and the compensation volume is particularly preferably at most 10% of the product space volume.
  • the product spaces of the containment chambers are smaller than that Product chamber of the pump chamber executed.
  • the center-to-center distance of the adjacent inlet and outlet of each Pump or shut-off chamber is two to ten times the largest hydraulic diameter of the respective inlet or outlet opening, preferred the center distance is twice to five times and particularly preferably that two to three times.
  • the defined center distance is an important functional dimension of the chambers. He cares for tightly closing the supply and discharge channels or openings and increases the reproducible delivery of gaseous or liquid substances and influences the degree of miniaturization.
  • the connecting channels between the pumping chamber and the isolation chambers are straight in a preferred embodiment and have a ratio of Channel length to the respective hydraulic diameter of the channels of at most 20, preferably at most 10, particularly preferably at most 5.
  • the small dead space volume between the pump and shut-off chambers improves the Suction power of the pneumatic pump.
  • the diaphragm pump plates are preferred for cleaning and repair purposes releasably connected.
  • a decentralized electro-pneumatic control unit preferably also enables one synchronous control of several pump heads, so that several Pumping only one control unit is necessary.
  • the control for the delivery with the diaphragm pump is preferably carried out in such a way that that a conveyor stroke consists of at least four individual consecutive ones Control steps exist and each individual control step with an intermediate constant or variable timing element for the subsequent control step is separated and the delivery or metering capacity of the pump by changing at least one timer can be changed.
  • the timers interwoven between the control steps ensure that the Pneumatically triggered sub-steps of the pump stroke carried out precisely and completely and the individual steps are reproducible.
  • the synchronous Changing all timers to regulate the delivery rate ensures an easy user-friendly handling of the pump.
  • the timing elements belonging to the control range from T 0.1 seconds to 100 Seconds, preferably T 0.3 seconds to 30 seconds and particularly preferred the timer T is 0.5 seconds to 10 seconds.
  • timers are synonymous with the presence of the control signal and ensure that the fast electronic control signals (signal runtime) not be stopped prematurely before the slower pneumatic Operations to deflect the membranes and the slower ones hydraulic displacement processes on the product-contacting side of the membrane Are completed. Especially when viscous substances are conveyed, the fluid dynamic processes take more time than the electronically triggered processes Control signals.
  • the dosing cycle preferably consists of at least four control steps and has at least two different time elements, of which only one time element can be changed and used to regulate the pump cycle.
  • the pneumatic opening and closing of the membranes in the shut-off chambers be provided with a non-adjustable smaller timer and a variable timer for opening / closing the middle larger pump chamber be used.
  • Two different timing elements are particularly advantageous if the volume the isolation chamber is smaller than the volume of the pump chamber.
  • each timing element is larger than the one required Switching time of the assigned electro-pneumatic multi-way valves.
  • An electro-pneumatic control unit can run several diaphragm pumps in parallel control so that the pumps may have different sized pumping chambers synchronously different substances in different amounts at the same time can dose.
  • the thickness of the elastic membrane is preferably greater than 0.1 mm and less than 5 mm and the height of the pumping and shut-off chamber in the area of the apex the chamber (greatest extent over the membrane) is in particular larger than that 2 times the membrane thickness and less than 10 times the membrane thickness.
  • the concave recesses in the plates can have different geometrical shapes Have shapes such as that of a cylinder, a spherical section or one Truncated cone.
  • the diaphragm pump preferably has a shut-off chamber on the suction and pressure side smaller recesses than for the pump chamber, and all recesses are completely on the product side of the membrane side in the middle plates arranged.
  • a variant of the diaphragm pump preferably consists of a pneumatically controlled one Pump chamber, combined with two solenoid-operated valves as shut-off chambers.
  • the diaphragms used in the pump are preferably around in diameter designed at least 20% larger than the diameter of the chambers formed in the parting plane of the plates.
  • metallic Membranes used as a pump membrane and inserted or insoluble with one of the Partial plates, in particular an outer plate connected by welding.
  • a pulsation damper is in the flow direction behind the pressure-side shut-off chamber, especially in the area the outlet channel of the diaphragm pump.
  • the diaphragm pump is equipped with a integrated spring-loaded overflow valve equipped to an internal product circuit to generate in the diaphragm pump. If the connected control pressure An integrated relaxation option is greater than the desired pump pressure created from the pump pressure side to the pump suction side.
  • the three rigid plates at least two pump units, consisting of two pumping chambers with associated four shut-off chambers to form a double diaphragm pump head arranged.
  • the invention also relates to a pump set consisting of two or more Diaphragm pumps, the diaphragm pumps according to the invention having a common one Have control unit.
  • a pump set is preferred in which the diaphragm pumps pass through continuously Have plates.
  • the diaphragm pump according to the invention with a controllable suction and pressure valve or suction-side and pressure-side shut-off chamber can, depending on the design size very small volume flows of ⁇ 5 ⁇ l / stroke up to the ml range per Minutes are reproducibly promoted.
  • the separate structure is particularly advantageous between the actual pump unit or pump head and the decentralized electrical or electro-pneumatic control unit, this is the required Space requirement for a continuously operating conveyor in a highly miniaturized Pilot plant for screening work very small.
  • This pump principle works without mechanical gear and the necessary components of the pump head have no dynamic function, except for the deflection of the membrane in the area the shut-off and pumping chamber, so that even for a miniaturized version the pump components do not require precision manufacturing. Mechanical interference influences are missing due to the lack of mechanical parts and the manufacturing costs are for this reproducible diaphragm pump head significantly minimized.
  • the pump only needs a power supply and a compressed air supply to be able to work; these are available in every laboratory.
  • the use of the diaphragm pump for dosing is particularly advantageous very small quantities of liquid substance, the volume of which per pump stroke is essential is below the specific drop size.
  • the extremely small hold-up of the pump head and the small dead space volume ensures good suction behavior and fast, reproducible dosing, in particular for applications involving new pharmaceutical substances that are in the early Developmental stages are only available in small quantities.
  • Setting small dosing flows is particularly easy because the setting the dosing quantity with constant displacer volume with an intermediate one Timing in the control takes place. This makes it very easy to do without cross-checking Volume flows can be changed.
  • the lamellar structure of the diaphragm pump with integrated controllable valves which generates a pulsating metering flow due to the pumping principle it is possible to multiply the dosing flow by multiplying the displacement unit and the valves to be comparable, the structural dimensions of the pump in the The pilot plant is not significantly enlarged.
  • Figure 1 is a diaphragm pump 200 in cross section with the associated control 100 and housing and pneumatic distributor 115 shown.
  • the housing has a display 101, an on / off switch 102 and several function buttons 103 to 109, with which needed Parameters entered for the pumping process or for the pumping process, optical can be tracked and saved.
  • the electronic controller 100 enables different operating variants, so that with the button 103 on continuous Operation and switched with button 104 to discontinuous operation of the pump can be.
  • the discontinuous operation of the pump can be done by a Preselectable number of pump strokes set and with button 105 in the control get saved.
  • button 106 you can reduce the set value Parameters, button 107 is for increasing the variable parameters provided, which is then also with the button 105 as a newly selected operating parameter the diaphragm pump can be saved in the control.
  • the button 108 allows you to choose between internal and external control, from, for example, an external process control system.
  • the pump 200 starts work when button 109 is pressed and when the button is pressed repeatedly 109 the operation is stopped again.
  • the electronics with the programmable The control unit sends electrical connection cables at the start of dosing 110 digital signals to the electro-pneumatic multi-way valves 111, 112, 113, 114, which are then in their defined open or closed position (Table 1) switch.
  • the electro-pneumatic multi-way valves 111 to 114 (Manufacturer, for example, SMC Penumatik GmbH, Düsseldorf), are on one pneumatic distributor block 115 mounted.
  • the distribution block has two Supply channels 116, 117.
  • the supply channel 116 is directly connected to the compressed air supply connected and the distribution channel 117 is connected to a vacuum line the vacuum supply connected.
  • the vacuum is created by the bypass installed vacuum generator 118, an injector, generated by the valve 114 Switching on the electrical control is constantly supplied with compressed air.
  • a compact construction is the distributor block 115 with the electro-pneumatic Multi-way valves and the vacuum generator 118 directly in the Housing of the controller 100, so that the compressed air supply to the supply channel 116 via a hose coupling 116 'and the pump head via the hose couplings 119 ', 120', 121 'can be connected.
  • the freely programmable electronic Components, diodes for the optical function display, electrical power supply and an electrical circuit board is not shown in Figure 1.
  • the freely programmable control of the pneumatically operated diaphragm pump 200 switches the electro-pneumatic multi-way valves 111 to 114 and directs the Pneumatic pressure present in distributor block 115 in channel 116 (pressure channel) or the vacuum in the distribution channel 117 (vacuum channel) through the control lines (Capillaries or tubing) 119, 120, 121 to the pneumatic control rooms (Pneumatic rooms) 220, 221, 222 in the pump 200.
  • the valve 111 (V1) is through the control line 119 with the intake valve (lower Shut-off chamber 210) of the diaphragm pump 200 connected. According to the same scheme are the other valve 112 (V2) (upper shut-off chamber 212) and valve 113 (V3) connected to the pump chamber 211 of the pump 200.
  • the valve 114 (V4) supplies the vacuum generator constantly with compressed air and is switched on as soon as the Electronics is supplied with electrical voltage.
  • the diaphragm pump head 200 consists of the three sub-plates 201, 203, 205 and has inserted elastic membranes 202, 204 in the area of the pump chamber 211 and shut-off chambers 210, 212 are pneumatically deformable.
  • the membranes 202, 204 have the same area as the panels 201, 203, 205 to provide a good seal to ensure the atmosphere.
  • the Shut-off chambers 210, 212 are here, for example, in the plate 201 and the Pump chamber 211 is in the plate with a small volume equalization volume 205 and incorporated into the middle plate 203 with the larger volume fraction.
  • shut-off chamber 210 e.g. the controllable suction valve of the pump head named.
  • the pump chamber 211 accordingly represents the delivery chamber and the shut-off chamber 212 represents the controllable pressure valve of the pump head.
  • the membranes 202, 204 divide the pump chamber 211 and shut-off chambers 210 and 212 in control rooms 220, 221, 222 and in product rooms 230, 231, 232.
  • the pump chamber 211 and shut-off chambers 210 and 212 have the shape of truncated cones.
  • the middle plate 203 has an intake duct 207 and an outlet duct 206. Both channels 206, 207 are each one welded capillary extended.
  • the channels 209, 208 connect the Product spaces 230, 231, 232 of the chambers 210, 211, 212 with each other.
  • the pump chamber 211 has a groove 213 as a connecting element from the deepest geometric point of the recess in the plate to the outlet opening or Connection channel 209. It is also clarified that between inlet channel 208 and Start of the outlet channel 209 with the connecting groove 213 is still sufficient there is a large gap to close the openings in the product space to enable the pumping chamber through the membrane 204.
  • the diaphragm pump 200 is shown here in control step 4 (see Table 1).
  • the area of the shut-off chamber 210 (controllable suction valve) is the membrane 202 the control chamber side 220 is pressurized so that the membrane 202 the Intake channel 207 at the inlet 240 (FIG. 2) and the connecting channel 208 at the outlet 241 (Fig. 2) blocked.
  • the associated control chamber 221 is subjected to a vacuum, see above that the membrane area stands out and the supply and discharge connection channel 208, 209 opens.
  • the shut-off chamber 212 is also on the control side Vacuum applied so that the connecting channel 209 and the outlet channel 206 are opened in the following control step 5 (see table 1) the pump stroke volume to displace from the pumping chamber.
  • control step 5 see table 1 the pump stroke volume to displace from the pumping chamber.
  • Figure 1 are required Screws for pulling the panels together and pressing them together inserted membranes not shown.
  • step V1 (111) suction valve V3 (113) displacer V2 (112) pressure valve V4 (114) vacuum initial position 1 1 1 1 1 Step 1 0 1 1 1 2nd step 0 0 1 1 3rd step 1 0 1 1 4th step 1 0 0 1 5th step 1 1 0 1 Back to step 1
  • control sequence there is a changeable timer after each control step 1 - 5 programmed (not shown in Table 1), so that the individual one after the other The control steps taking place do not influence each other and are complete be carried out.
  • the switching times of the electro-pneumatic valves are larger and therefore much slower than the time required to send the digital Signals.
  • the pump function is activated by the intermediate timing elements reproducible and complete according to the control cycle 1-5 (see table 1) carried out.
  • FIG. 2 shows a diaphragm pump similar to the pump described in FIG. 1, however, the chambers or the depressions 210 ', 211', 212 'are in the middle plate 203 '.
  • the chambers 210 'to 212' here have the shape of a spherical section. It can be seen that the height at the apex of the depression Pump chamber is larger than the thickness of the membrane.
  • the Center distance of the supply and discharge channels 207, 208 on the intake side of the Pump (chamber 210 ') larger than the center distance of the supply and discharge Channels 209, 206 of the pressure valve (chamber 212 ').
  • the bigger one Center distance on the suction valve increases the tightness of the suction valve and one Backflow of the product prevented during the pumping process.
  • FIG. 3 shows a variant of the pump 200 from FIG. 2 with three separately inserted ones Membranes 300, 301, 302.
  • the membranes 300, 301, 302 are in operation via the control room side via a hole according to the control program pressurized with compressed air or vacuum to close the pump function guarantee.
  • FIG. 4 shows, for example, the parallel operation of three diaphragm pumps 200a, 200b, 200c of the type shown in FIG. 3 again in the uncontrolled state. These are parallel to the lines of the pressure distributor 115, as in FIG. 1 connected.
  • the pneumatic multi-way valves of the pressure distributor 115 are actuated and effect by means of the electrical control, not shown here via the control lines 119 to 121, which branches here to the three pump heads are connected, the actuation of the membranes.
  • FIGS. 5 and 5a show an embodiment of the diaphragm pump 200d in which two Pump units or two pump heads have common sub-plates.
  • the partial plates are clamped with the screws 500.
  • the main contours like Pump chambers and connecting channels inside the pump head are shown in the figure 5 a shown with broken lines.
  • the double pump head can be used with one Control unit operated so that with a control stroke (accordingly Step 1-5; Table1, Fig.1) double the delivery rate per stroke can be metered.
  • Another use is when the size is the same or different Pump chambers are introduced into the partial plates, so that with a control unit two different substances can be pumped in sync, or they can be Pump head two control units for the generation of different material flows connected.
  • FIG. 5a clearly shows that the outer contours (501, 502, 503) of the chambers in the different levels of the plates overlap one another low dead space volume and therefore good output behavior of the pump guarantee. Furthermore, a particularly compact pump head design possible.
  • FIG. 6 shows in cross section two sections of the plates 203, 205 in the region of the Pump chamber 211 of a diaphragm pump similar to Figure 1.
  • the volume of the pump chamber is distributed in the same proportion on both plates, so that the inserted Membrane 301 is clamped over a concentric sealing surface 214 and the Seals product space 231 and the control space 221 to the outside
  • FIG. 7a shows the top view of the recess in a diaphragm pump in the form of a Spherical section geometry of the pump chamber 211.
  • the intended one can be seen Groove 213, which runs from the apex of the pump chamber to the connecting channel 209 runs and as a collecting channel for a complete emptying of the product space serves.
  • FIG. 7a shows a further special embodiment of a branched groove 213 ' or the collecting channel 213 shown.
  • FIG. 8 shows the diaphragm pump head 200 according to the invention with a Pump chamber 211 "and two shut-off chambers 210", 212 “and the one between the Plates 201 “, 203", 205 “, inserted elastic membrane 202" and 204 ".
  • the diaphragm pump has recesses in the outer Plates 201 “, 205" and the collecting channel 213 "are in plate 203".
  • Figure 9 shows a combined arrangement of the connecting channels of the pump head.
  • the middle plate is shown in a sectional view and the outer Plates 201 ', 205' can be reduced in size due to the arrangement of the passage channel become.
  • the inlet channel 207 'and connecting channel 208' between the pump chamber and the shut-off chamber on the suction side are at right angles to the outer plate contour introduced so that the connecting channel 208 'is straight and short.
  • the dead space volume of the connecting channel 208 ' is thereby minimized.
  • the connecting channel to the pressure side shut-off chamber has a greater length and a larger Dead space. This design requires a third reduced plate 205 'for the structure of the pump.
  • FIG. 9a shows an optimized pump with a small dead space volume. wherein the central plate 203 'is shown in a sectional view.
  • the geometric areas of the recesses of the shut-off chambers are partially or completely in the shadow of the geometrical surface of the pump chamber recess, see above that the connection channels from the pump chamber to the shut-off chambers are extremely short are and an optimized suction behavior of the pump is made possible.
  • the shut-off chamber 212 'from the pump chamber 211' to the pressure side is the Connection channel 209 'positioned at the apex of the pump chamber recess, see above that the collecting channel (see FIG. 7) is omitted.
  • the dead space volume of the pump forms from the volume of the two connecting channels 208 ', 209'.
  • the channel length ratio 208 'to diameter is 3.5.

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  • Reciprocating Pumps (AREA)

Abstract

Es wird eine Membranpumpe mit einem mehrteiligen Pumpenkörper beschrieben. Die Pumpe besteht wenigstens aus drei starren Platten (201, 203, 205) und wenigstens zwei zwischen diesen Platten (201, 203, 205) angeordneten, elastischen Membranen (204, 202), wobei die Platten (201, 203, 205) insbesondere eine Pumpkammer (211) und mindestens zwei Absperrkammern (210, 212) mit je einer Einlass- (240) und einer Auslassöffnung (241) für das Fördergut bilden, und die Pumpkammern (211) und Absperrkammern (210, 212) zusammen mit einem Einlasskanal (207) den Verbindungskanälen (208) und (209) sowie einem Auslasskanal (206) einen Durchlasskanal bilden, wobei die Pumpkammer (211) und die Absperrkammern (210, 212) durch die Membranen (204, 202) in je einen Produktraum (230, 231, 232) und einen Steuerraum (220, 221, 222) getrennt sind und die Steuerräume (220, 221, 222) Steuerleitungen (119, 120, 121) aufweisen, die mit einer Steuereinheit (100, 115) verbunden sind. <IMAGE>

Description

In chemischen Forschungslaboratorien werden chemische Reaktionen in 100 ml-Glasgefäßen durchgeführt. Für derartige Reaktionen muss der zusätzliche apparative Aufwand und somit die apparativen Kosten für einen Versuchsaufbau möglichst gering gehalten werden. Für eine kontinuierlich - oder auch diskontinuierlich - arbeitende Versuchsanlage werden Dosier- und Förderpumpen benötigt, die sehr kompakt, verstopfungsunempfindlich und reproduzierbar kleine Substanzmengen im Bereich von kleiner 1 ml pro Minute dosieren können. In den Laboratorien werden in kurzen Zeitabständen unterschiedliche Reaktionen durchgeführt, dadurch ändern sich die Versuchsbedingungen und auch die eingesetzten Chemikalien, so dass viele Stoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften möglichst mit einem Pumpentyp genau dosiert werden muss. Die Dosiergenauigkeit der Pumpen definiert sich im wesentlichen aus der Kurzzeitgenauigkeit. Dabei müssen die zu dosierenden Substanzen in kurzen Zeitabständen (Sekunden oder Minuten) mit geringem Fehler reproduzierbar dosiert werden.
Insbesondere werden für derartige Aufgaben bekannte Kolben- oder Membranpumpen eingesetzt. Bei diesen Pumpentypen handelt es sich um oszillierende Verdrängerpumpen. Diese Pumpen arbeiten nach dem Verdrängungsprinzip und sind mit Rückschlagventilen auf der Pumpensaug- und -druckseite ausgerüstet. Eine Dosiermengenänderung erfolgt durch Variation des Kolben- oder Membranhubes, so dass ein verändertes Totraumvolumen je nach eingestelltem Hub im Pumpenkopf entsteht. Die Rückschlagventile nehmen entscheidend Einfluss auf die Pumpfunktion und die Dosiergenauigkeit der Pumpen.
Das führt dazu, dass ein reproduzierbares Dosieren kleinster Flüssigkeitsmengen direkt von der Funktionstüchtigkeit der produktberührten Pumpenventile abhängt. Die Öffnungs- und Schließfunktion der Ventile sind abhängig von der Dichte und Viskosität der zu fördernden Substanz, deshalb ist ein reproduzierbares und substanzunabhängiges Schließen bzw. Öffnen nicht gewährleistet und es kommt zu Dosierabweichungen, insbesondere innerhalb kleiner Zeitabschnitte (Kurzzeitgenauigkeit). Des weiteren ist der Weg des Schließkörpers in den Rückschlagventilen nicht linear, der z.B. kugelige Schließkörper beschreibt eine Taumelbewegung bis er im Dichtsitz liegt und den Substanzdurchgang versperrt. Es ist bekannt, dass vorzugsweise Kugelrückschlagventile in Kolben- und Membranpumpenköpfen eingesetzt werden. Die Veränderung der Pumpleistung erfolgt durch Veränderung des Hubes, so dass die Kolben oder Membranen nicht mehr den maximalen Hubweg durchlaufen und dadurch auch das Ansaugverhalten verschlechtert wird.
Insbesondere wird beim Dosieren flüssiger Substanzen mit unterschiedlicher Viskosität und oder Dichte immer eine abhängige Schließzeit der Rückschlagventile initiiert, was zur Erhöhung des Dosierfehlers führt.
Die bekannten Kolben- und Membranpumpen werden über ein Getriebe mit Nocken- bzw. Exzenterwelle angetrieben. Die direkte Kopplung dieser Pumpen mit dem Antrieb führt zu großen Geräteabmessungen, deren Bauform für viele miniaturisierte Versuchsanlagen zu groß ist. Die mechanischen Antriebe müssen präzise gefertigt werden und erhöhen die Investitionskosten. Pulsierende Verdrängerpumpen werden auch mit Magnetantrieben ausgerüstet. Dadurch sind die Bauabmessungen dieser Pumpentypen geringfügig kleiner und die Pumpen besitzen ein konstantes Totvolumen im Pumpenkopf.
Es sind Mikrosystempumpen bekannt, mit denen sehr kleine Flüssigkeitsmengen gefördert werden können. Die Mikropumpen sind sog. Präzisionspumpen deren Funktion bei geringsten produktseitigen Verunreinigung nicht mehr gewährleistet ist. Die Strömungskanäle und Verdrängerräume innerhalb der Mikropumpenköpfe besitzen Abmessungen von wenigen µ-Metern. Verunreinigte Produkte verstopfen Strömungskanäle sofort, oder blockieren die dynamisch bewegten Pumpenteile, so dass ein Dosiervorgang schnell unterbrochen werden kann. Kleine Produktkanäle lassen ein Fördern und Dosieren von viskosen Substanzen nicht zu, weil der Druckverlust zu groß ist.
Es sind verschiedene Mikromembranpumpen bekannt, die aufgrund von piezoelektrischen bzw. thermopneumatischen Antrieben sehr kleine bauliche Abmessungen haben und dadurch kleine Substanzmengen dosieren können. In der Patentschrift DE 4402119 C2 wird eine Mikromembranpumpe beschrieben, die ebenfalls thermisch angetrieben wird. Diese Antriebssysteme funktionieren immer nach dem Prinzip einer thermisch initiierten Volumenausdehnung auf einer Membranseite, so dass die Fördermembran der Pumpe durch die Auslenkung eine Pumpwirkung erzeugt. Mit diesen Antriebssystemen können keine größeren Differenzdrücke überwunden werden um z. B. eine flüssige Substanz in einen unter höheren Druck stehenden Behälter zu dosieren. Desweiteren neigen diese Pumpen zur Verstopfung, so dass der betriebliche Einsatz in chemischen Laboratorien nicht zufriedenstellend ist und in präparativen chemischen Laboratorien derartige Pumpen nicht zu Einsatz kommen.
Mikrosystempumpen, sogenannte Zahnringpumpen arbeiten mit hohen Drehzahlen und erzeugen im Ringspalt einen Druck. Während des Druckaufbaues im ableitenden Bereich der Pumpe erfolgt eine Rückströmung in den ansaugenden Bereich, insbesondere aufgrund der mechanischen Toleranzen von Rotor und Stator der Pumpe, so dass der Pumpenwirkungsgrad stark reduziert wird. Aufgrund der geringen Antriebsleistung der Mikrosystempumpen ist das reproduzierbare Dosieren von niederviskosen Substanzen gegen hohen Druck in der Regel nicht gewährleistet.
Deshalb liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Pumpe zu entwickeln, die stark miniaturisiert ist, kleine Volumenmengen, z.B. von 5 µl bis 1000 µl/Hub und pro Zeiteinheit, fördert und eine hohe Kurzzeit-Dosiergenauigkeit besitzt. Die Pumpe soll ein gutes Ansaugverhalten haben und gegen Druck fördern, so dass selbst im nicht gefluteten Zustand des Pumpenkopfes ein Fördern gegen Druck möglich ist. Das Dosieren von Substanzen mit unterschiedlicher Dichte soll keinen wesentlichen Einfluss auf die Fördergenauigkeit und das Dosierverhalten haben. Die Störanfälligkeit gegen Verstopfung durch Produktverunreinigungen soll wesentlich herabgesetzt werden, so dass auf zusätzliche Feinfilter, auf der Ansaugseite der Pumpe, verzichtet werden kann. Erforderliche Saug- und Druckventile des Pumpenkopfes sollen dichteunabhängig, reproduzierbar öffnen und schließen und insbesondere im geschlossenen Zustand gegen Gasdruck dicht sein, so dass während des Pumpens keine Rückströmung erfolgt, ein hoher Wirkungsgrad erzielt und dadurch ein genaues Pumpen gegen Druck ermöglicht wird. Die Dosierleistung der zu fördernden Volumenströme muss einfach einstellbar bzw. variierbar sein und soll 5 bis 100.000 µl/Hub, bevorzugt 10 bis 10.000 µl/Hub und besonders bevorzugt 10 bis 1.000 µl/Hub betragen. Die Pumpe soll insbesondere aufgrund unterschiedlicher Korrosionsanforderungen in der chemischen Industrie aus diversen resistenten Werkstoffen preiswert herstellbar sein. Aufgrund der gelegentlich rauhen Betriebsbedingungen sollten Reparatur und Wartung einfach und preiswert sein.
Des weiteren sollen Investitionsvorteile gegenüber dem Stand der Technik deutlich sichtbar werden. Die Auslegung der Steuerung oder Antriebstechnik soll keinen Einfluss auf die Pumpenkopfgröße und die Integrationsmöglichkeit in einen miniaturisierten Versuchsanlagenaufbau nehmen. Die Pumpe soll modular aufgebaut sein, so dass durch entsprechende Ergänzungen oder Austausch von Modulteilen, die Dosierpumpe einfach modifiziert werden kann. Die Änderung der Dosierleistung sollte erfolgen, ohne dass der Verdrängerweg der Membran bzw. des Kolbens im Pumpenkopf das Totvolumen vergrößert, so dass das angesaugte Flüssigkeitsvolumen zu jeder Zeit vollständig aus dem Pumpenkopf verdrängt wird.
Die Aufgabe wurde erfindungsgemäß gelöst durch einen modular lamellenartig aufgebauten pneumatisch angetriebenen Pumpenkopf, der aus mindestens drei starren Lamellen (Platten) besteht und im Bereich der einzelnen Trennebene der mittleren Platte und der jeweils angrenzenden benachbarten Platten mindestens eine konkave Vertiefung vorhanden ist und jede Vertiefung von einer elastischen Membran vollständig überdeckt wird und die Membran auf der einen Seite Teil des Produktraumes der Pumpe ist und die andere Seite Teil des Steuerraumes ist. Die Vertiefungen einoder beidseitig der Membran bilden den max. Weg um den die elastische Membran ausgelenkt werden kann.
Gegenstand der Erfindung ist eine Membranpumpe mit einem mehrteiligen Pumpenkörper, wenigstens umfassend drei starre Platten und je eine zwischen diesen Platten angeordnete elastische Membran, wobei die Platten mindestens eine Pumpkammer und mindestens zwei Absperrkammern, insbesondere in einer räumlichen Form eines abgestumpften Kugelabschnitts einer Kugelzone (Kalotten), Zylinders oder Kegels, mit je einer Einlass- und einer Auslassöffnung für das Fördergut bilden, und die Pump- und Absperrkammern über Verbindungskanäle miteinander verbunden sind, und zusammen mit einem Einlasskanal, den Verbindungskanälen sowie einem Auslasskanal einen Durchlasskanal bilden, dadurch gekennzeichnet dass die Pump- und Absperrkammern durch die Membranen in je einen Produktraum und einen Steuerraum geteilt sind und die Steuerräume Steuerleitungen aufweisen, die mit einer Steuereinheit verbunden sind.
Der Steuerraum wird bei pneumatischer Ansteuerung insbesondere über einen Kanal, der durch die jeweilige äußere Platte geführt ist, mit z.B. einer elektro-pneumatischen Steuereinheit, die in einer Nebenleitung z.B. einen Vakuumerzeuger hat, verbunden, um eine alternierende Druck- oder Vakuumbeaufschlagung des Steuerraumes zu ermöglichen. Ebenso ist es möglich, eine hydraulische Flüssigkeit zur Druck- und Zugbeaufschlagung des Steuerraumes zu verwenden. Gemäß eines Steuerprogramms, welches mindestens vier hintereinander ablaufende Steuerschritte mit jeweils zugehörendem Zeitglied hat, werden beispielsweise die Membranen in den Pump- und Absperrkammern verformt, so dass sich alternierend der Steuer- oder der Produktraum vergrößert bzw. verkleinert. Die Membran öffnet oder verschließt gleichzeitig die im Membranbereich liegende Ein- und Auslassöffnung der Kammern, so dass beim Schließvorgang mindestens die produktberührten Zuführkanäle- dicht verschlossen sind und bei vorgegebener Steuerung mindestens eine, der in Strömungsrichtung liegenden Membranen eine reproduzierbare Volumenverdrängung erzeugt. Die Steuereinheit ist insbesondere aufgrund des erforderlichen Miniaturisierungsgrades dezentral angeordnet und bei pneumatischer Steuerung z.B. mit flexiblen Schläuchen mit dem Pumpenkopf verbunden.
Unter Steuereinheit wird hier eine Kombination aus elektronischer Steuerung und Aktoren verstanden, z.B. elektro-pneumatische Schaltventile, die auf einem Druckluft-/Vakuumverteiler montiert sind, welcher einen in einer Nebenleitung befindlichen pneumatischen Unterdruckerzeuger hat. Die elektronische Steuerung und die Aktoren können z.B. zusammen in ein Gehäuse montiert sein. Die elektropneumatischen Ventile werden mittels eines Steuerprogramms bedient, um eine exakte Folge von Arbeitschritten für den Pumpvorgang durchzuführen.
Insbesondere sind die Absperr- und Pumpkammern randseitig durch die eingelegten und verpressten Membranen abgedichtet.
Bevorzugt ist eine Ausführung, bei der jede Absperr- und Pumpkammer eine einzeln zugeordnete Membran hat und die Membranen zwischen die Platten eingelegt sind. Durch z.B. Verschrauben der Platten werden die Membranen eingeklemmt um in den Trennebenen der Platten die druckbeaufschlagten Steuer- und Produkträume nach außen dicht zu verschließen.
Das Einklemmen der Membranen zwischen den Platten hat für den Anwender im Reparaturfall Vorteile, so dass bei einem eventuellen Defekt des Pumpenkopfes nur die kleine Teilmembran ausgetauscht werden muss und erhebliche Materialkosten eingespart werden. Eine Zuordnung der Teilmembran zur jeweiligen Kammer, ermöglicht eine standardisierte Membranfertigung und verringert die Fertigungskosten.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Pumpe, hat mindestens im Produktraum der Pumpkammer eine Nut, die den Scheitelpunkt der Pumpkammer mit der Auslassöffnung der Pumpkammer verbindet.
Die verbindende Nut, vom Scheitelpunkt zur Auslassöffnung der Pumpkammer erhöht die Genauigkeit und die Reproduzierbarkeit des Fördervorgangs, indem ein vollständiger Abfluss des Dosiervolumens gewährleistet wird. Die Nut bildet einen ableitenden Sammelkanal für das Dosiergut und kompensiert Verformungsdifferenzen der elastischen Membran. Zwischen Einlass der Kammer und Nut muss eine Fläche vorhanden sein, so dass die Membran die Einlassöffnung der Kammer zur Nut abdichten kann. Die Nut kann in einfachster Ausführung ein gestreckter Kanal sein, die Nut kann aber auch in der Vertiefung eine verzweigte Kontur besitzen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Pumpe, ist der Steuerdruck auf der Membran in allen Steuerräumen mindestens um 0,1 bar höher einstellbar, als der herrschende Druck am Auslasskanal, bevorzugt ist der Steuerdruck mindestens um 0,5 bar höher und besonders bevorzugt ist der Steuerdruck um 1 bar höher als der Druck am Auslasskanal.
Der höhere Differenzdruck zwischen Auslasskanal und steuerseitigem Druck stellt das dichte Verschließen der jeweiligen Einlassöffnungen in den Kammern durch die Membran sicher.
Die Membranen bestehen bevorzugt aus einem elastischen Material, insbesondere einem Elastomer, Silikon, Viton, Teflon oder einem EPDM-Kautschuk.
Besonders vorteilhaft ist eine bevorzugte Ausführung der Pumpe, bei der mehrere Absperrkammern eine gemeinsame Membran aufweisen.
Eine bevorzugte Ausführung der Membranpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe aus mindestens drei Platten besteht und die Pump- und Absperrkammern durch Vertiefungen in den Platten gebildet sind.
In einer besonders bevorzugten Bauform besteht die Pumpe aus mindestens drei Platten und die Pump- und Absperrkammern sind durch Vertiefungen in einer mittleren Platte gebildet.
Eine andere besonders bevorzugte Form der Membranpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe aus mindestens drei Platten besteht und die Pump- und Absperrkammern durch Vertiefungen in den äußeren Platten gebildet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die der Membrane gegenüberliegende Wand des Steuerraums mindestens in der Pumpkammer ein Ausgleichsvolumen, insbesondere eine flächige Vertiefung auf, in die sich die Membrane bei Unterdruck im Steuerraum anschmiegt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Membranpumpe beträgt das Ausgleichsvolumen höchstens 100 % des jeweiligen zugehörenden Produktraumvolumens, bevorzugt beträgt das Ausgleichsvolumen höchstens 20 %, und besonders bevorzugt beträgt das Ausgleichsvolumen höchstens 10 % des Produktraumvolumen.
Typischerweise sind die Produkträume der Absperrkammern kleiner als der Produktraum der Pumpkammer ausgeführt.
Der Mittenabstand des jeweils benachbarten Einlasses und des Auslasses jeder Pump- oder Absperrkammer beträgt das zwei- bis zehnfache des größten hydraulischen Durchmessers der jeweiligen Einlass- oder Auslassöffnung, bevorzugt beträgt der Mittenabstand das zweifache bis fünffache und besonders bevorzugt das zwei- bis dreifache.
Der definierte Mittenabstand ist ein wichtiges Funktionsmaß der Kammern. Er sorgt für ein dichtes Verschließen der zu- und abführenden Kanäle bzw. Öffnungen und erhöht das reproduzierbare Fördern von gasförmigen oder flüssigen Substanzen und nimmt Einfluss auf den Miniaturisierungsgrad.
Die Verbindungskanäle zwischen der Pumpkammer und den Absperrkammern sind in einer bevorzugten Ausführung gerade ausgebildet und weisen ein Verhältnis von Kanallänge zum jeweiligen hydraulischen Durchmesser der Kanäle von höchstens 20, bevorzugt höchstens 10, besonders bevorzugt höchstens 5, auf.
Das geringe Totraumvolumen zwischen Pump- und Absperrkammern verbessert die Ansaugleistung der pneumatischen Pumpe.
Die Platten der Membranpumpe sind zu Reinigungs- und Reparaturzwecken vorzugsweise lösbar miteinander verbunden.
Eine dezentrale elektro-pneumatische Steuereinheit ermöglicht bevorzugt auch eine synchrone Ansteuerung mehrerer Pumpenköpfe, so dass im parallelen Betrieb mehrerer Pumpen nur eine Steuereinheit notwendig ist.
Durch die erfindungsgemäße Membranpumpe mit dezentraler elektro-pneumatischer Steuereinheit ist ein wirtschaftlicher Einsatz bei gleichzeitig niedrigen Investitionskosten im Forschungsbereich möglich. Das wird insbesondere sichtbar, wenn wechselnde Aufgabenstellungen unterschiedlich große Förderströme verlangen, die mit einem Pumpenkopftyp nicht abgedeckt werden können. Bei unterschiedlich großen Förderströmen muss nur der Pumpenkopf ausgetauscht werden, während der Steuerungsteil unverändert bleibt. Der Austausch des Pumpenkopfes erfolgt durch einfaches Abklemmen der pneumatischen Steuerleitungen.
Die Steuerung für das Fördern mit der Membranpumpe ist bevorzugt so durchzuführen, dass ein Förderhub aus mindestens vier einzelnen hintereinander folgenden Steuerschritten besteht und jeder einzelne Steuerschritt mit einem zwischengeschalteten konstanten oder variierbaren Zeitglied zum darauf folgenden Steuerschritt getrennt ist und die Förder- bzw. Dosierleistung der Pumpe durch das Verändern von mindestens einem Zeitglied verändert werden kann.
Die zwischen den Steuerschritten eingeflochtenen Zeitglieder stellen sicher, dass die pneumatisch ausgelösten Teilschritte des Pumphubes exakt und vollständig durchgeführt werden und die einzelnen Schritte reproduzierbar ablaufen. Das synchrone Verändern aller Zeitglieder zur Regulierung der Förderleistung sorgt für eine einfache bedienerfreundliche Handhabung der Pumpe.
Die zur Steuerung gehörenden Zeitglieder betragen T 0,1 Sekunden bis 100 Sekunden, bevorzugt T 0,3 Sekunden bis 30 Sekunden und besonders bevorzugt beträgt das Zeitglied T 0,5 Sekunden bis 10 Sekunden.
Diese Zeitglieder sind gleichbedeutend mit dem Anstehen des Steuersignals und stellen sicher, dass die schnellen elektronischen Steuerungs-Signale (Signallaufzeit) nicht vorzeitig abgebrochen werden, bevor die langsameren pneumatischen Arbeitsvorgänge zur Auslenkung der Membranen und die noch langsameren hydraulischen Verdrängungsvorgänge auf der produktberührten Seite der Membran abgeschlossen sind. Insbesondere wenn viskose Substanzen gefördert werden, benötigen die fluiddynamischen Vorgänge mehr Zeit als die elektronisch ausgelösten Signale der Steuerung.
Der Dosierzyklus besteht bevorzugt aus mindestens vier Steuerschritten und hat mindestens zwei unterschiedliche Zeitglieder, von denen nur ein Zeitglied veränderbar ist und zur Regulierung des Pumpenzyklus benutzt wird.
Zur Optimierung des Pumpzyklusses einer erfindungsgemäßen Pumpe können die pneumatischen Öffnungs- und Schließvorgänge der Membranen in den Absperrkammern mit einem nicht verstellbaren kleineren Zeitglied versehen werden und ein variierbares Zeitglied für die AUF / ZU - Schaltung der mittleren größeren Pumpkammer genutzt werden.
Zwei verschiedene Zeitglieder sind insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Volumen der Absperrkammern kleiner ist als das Volumen der Pumpkammer.
Jedes Zeitglied ist in einer besonders bevorzugten Betriebsweise größer als die benötigte Schaltzeit der zugeordneten elektro-pneumatischen Mehrwege-Ventile.
An der elektronischen und der elektro-pneumatischen Steuereinheit sind bevorzugt mindestens zwei Membranpumpen parallel angeschlossen.
Eine elektro-pneumatische Steuereinheit kann parallel mehrere Membranpumpen ansteuern, so dass die Pumpen mit gegebenenfalls unterschiedlichen großen Pumpkammern synchron verschiedene Substanzen in unterschiedlicher Menge zeitgleich dosieren können.
Die Dicke der elastischen Membran ist bevorzugt größer als 0,1 mm und kleiner als 5 mm und die Höhe der Pump- und Absperrkammer im Bereich des Scheitelpunktes der Kammer (größte Ausdehnung über der Membran) ist insbesondere größer als das 2-fache der Membrandicke und kleiner als das 10-fache der Membrandicke.
Die konkaven Vertiefungen in den Platten können verschiedene geometrische Formen haben, wie z.B. die eines Zylinders, eines Kugelabschnittes oder eines Kegelstumpfes.
Die Membranpumpe weist bevorzugt für die saug- und druckseitige Absperrkammer kleinere Vertiefungen auf, als für die Pumpkammer, und alle Vertiefungen sind vollständig auf der Produktseite der Membranseite in der mittleren Platten angeordnet.
Eine Variante der Membranpumpe besteht bevorzugt aus einer pneumatisch gesteuerten Pumpkammer, kombiniert mit zwei magnetbetriebenen Ventilen als Absperrkammern.
Die in der Pumpe eingesetzten Membranen sind vorzugsweise im Durchmesser um mindestens 20 % größer ausgelegt als der gebildete Durchmesser der Kammern in der Trennebene der Platten.
In einer weiteren alternativ bevorzugten Ausführungsform werden metallische Membranen als Pumpmembran verwendet und eingelegt oder unlösbar mit einer der Teilplatten, insbesondere einer äußeren Platte schweißtechnisch verbunden.
In einer weiteren besonderen Ausführungsform ist ein Pulsationsdämpfer in Strömungsrichtung hinter der druckseitigen Absperrkammer, insbesondere im Bereich des Auslasskanals der Membranpumpe angebracht.
In einer weiteren besonderen Ausführungsform ist die Membranpumpe mit einem integriertem federbelasteten Überströmventil ausgerüstet, um einen internen Produktkreislauf in der Membranpumpe zu erzeugen. Falls der angeschlossene Steuerungsdruck größer ist als der erwünschte Pumpendruck wird eine integrierte Entspannungsmöglichkeit von der Pumpendruckseite zur Pumpensaugseite geschaffen.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführung sind in den drei starren Platten mindestens zwei Pumpeneinheiten, bestehend aus zwei Pumpkammern mit zugehörenden vier Absperrkammern, zur Bildung eines Doppel-Membranpumpenkopfes angeordnet.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Pumpensatz bestehend aus zwei oder mehr Membranpumpen, wobei die erfindungsgemäßen Membranpumpen eine gemeinsame Steuereinheit aufweisen.
Bevorzugt ist ein Pumpensatz, bei dem die Membranpumpen gemeinsame durchgehende Platten aufweisen.
Mit der erfindungsgemäßen Membranpumpe mit ansteuerbarem Ansaug- und Druckventil bzw. ansaugseitiger und druckseitiger Absperrkammer können je nach Ausführungsgröße sehr kleine Volumenströme von <5µl / Hub bis in den ml-Bereich pro Minute reproduzierbar gefördert werden. Besonders vorteilhaft ist der getrennte Aufbau zwischen eigentlicher Pumpeinheit bzw. Pumpenkopf und der dezentralen elektrischen bzw. elektro-pneumatischen Steuereinheit, dadurch ist der erforderliche Platzbedarf für ein kontinuierlich arbeitendes Fördergerät in einer stark miniaturisierten Versuchsanlage für Screening-Arbeiten sehr gering. Dieses Pumpenprinzip arbeitet ohne mechanisches Getriebe und die benötigten Bauteile des Pumpenkopfes haben keine dynamische Funktion, bis auf das Auslenken der Membran im Bereich der Absperr- und Pumpkammer, so dass selbst für eine miniaturisierte Ausführung der Pumpenbauteile keine Präzisionsfertigung nötig ist. Mechanische Störungseinflüsse sind aufgrund fehlender mechanischer Teile nicht vorhanden und die Fertigungskosten sind für diesen reproduzierbar arbeitenden Membranpumpenkopf erheblich minimiert. Die Pumpe benötigt lediglich eine Strom- und eine Druckluftversorgung um arbeiten zu können; diese sind in jedem Labor vorhanden.
Besonders vorteilhaft ist die Anwendung der Membranpumpe für die Dosierung von sehr kleinen flüssigen Substanzmengen, deren Volumen pro Pumphub wesentlich unter der spezifischen Tropfengröße liegt. Durch das schnelle Aufbringen der pneumatischen Förderenergie auf die Steuerseite der Verdrängermembran der Pumpkammer wird das angesaugte Produktvolumen in der Pumpkammer aus dem Produktraum der Kammer und dem Auslasskanal herausgeschleudert und es bildet sich kein Tropfen an der Abgabestelle der Pumpe. Dadurch wird eine Dosierung von kleinen Flüssigkeitsmengen in ein Reaktionsgemisch zeitlich nicht verzögert und ein Syntheseverlauf wird synchron mit der Dosierung gestartet.
Das Dosieren von kleinen Substanzmengen bei gegenläufigem Druck ist sehr gut durchführbar, da die Membranen der Absperrkammern und Pumpkammer elastisch sind und die zu- und ableitende Produktkanäle in ZU - Stellung der Kammern gasdicht schließen, so dass über die Gasphase eines angeschlossenes Druckgefäßes kein Stoff über die Auslassseite des Pumpenkopfes auf die Einlassseite der Pumpe zurück gedrückt wird und das Ansaugen bei Normaldruck nicht unterbrochen wird.
Ein weiterer Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist sichtbar, dass aufgrund des geringen Totraums und der dichten Absperr- und Pumpkammer ein zu dosierendes empfindliches Produkt ohne große Verweilzeit und Rückvermischung dem Bestimmungsort zugeführt wird.
Insbesondere im Vergleich zur Mikrostrukturtechnik bieten sich Vorteile aufgrund der im Verhältnis zum Dosiervolumen großen Kanalabmessungen ist die Pumpe wenig empfindlich gegen Verschmutzung. Eine durch Produktverunreinigung hervorgerufene Störung, die sich durch einen größer werdenden Dosierfehler bemerkbar macht, oder zum Versagen der Dosierung der Pumpe führen kann, ist aufgrund der großen Produktkanäle stark reduziert. Produktverunreinigungen können während des Dosierens durch die relativ großen Produktkanäle gespült werden.
Das extrem kleine Hold-up des Pumpenkopfes und das geringe Totraumvolumen sichert ein gutes Ansaugverhalten und ein schnelles reproduzierbares Dosieren, insbesondere bei Anwendungen, die neue pharmazeutische Stoffe betreffen, die im frühen Entwicklungsstadium nur in geringen Mengen verfügbar sind.
Das Einstellen von kleinen Dosierströmen ist besonders einfach, weil das Einstellen der Dosiermenge bei konstanten Verdrängervolumen mit einem zwischengeschalteten Zeitglied in der Steuerung erfolgt. Dadurch können sehr einfach ohne Gegenkontrolle Volumenströme verändert werden.
Der lamellenartige Aufbau der Membranpumpe mit integrierten steuerbaren Ventilen, die aufgrund des Pumpprinzips einen pulsierenden Dosierstrom erzeugt, macht es möglich, durch Vervielfachung der Verdrängereinheit und der Ventile den Dosierstrom zu vergleichsmäßigen, wobei die baulichen Abmessungen der Pumpe in der Versuchsanlage sich nicht wesentlich vergrößern.
Für den Anwender bieten sich weitere Betriebsvorteile, dadurch dass die produktberührten Verschleißteile einfach und preiswert ersetzbar sind.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert.
Figur 1
zeigt den schematischen Aufbau einer lamellenartig aufgebauten pneumatischen Membranpumpe mit zugehörender elektro-pneumatischer Steuereinheit und programmierbarer elektronischer Steuerung sowie den Verbindungsleitungen.
Figur 2
zeigt beispielhaft eine Membranpumpe bei der Vertiefungen in der mittleren Platte eingearbeitet sind und die Pump- und Absperrkammern bilden.
Figur 3
zeigt einen Pumpenkopf mit separat eingelegten elastischen Membranen für jede Kammer.
Figur 4
zeigt eine Anwendung bei der mehrere Pumpen mit einer Steuereinheit verschaltet sind.
Figuren 5, 5a
zeigen eine Doppel-Membranpumpe mit gemeinsamen Platten.
Figur 6
zeigt ausschnittsweise eine Pumpkammer mit Ausgleichsvolumen in der Steuerkammer.
Figuren 7, 7a
zeigen die Anordnung und Ausgestaltung der Nut bzw. des Sammelkanals in z. B. einer Pumpkammer.
Figur 8
zeigt eine Pumpe mit Kammern in den äußeren Platten.
Figuren 9, 9a
zeigen Ausführungen der Membranpumpe mit Kammern in der inneren Platte.
Beispiele Beispiel 1
In Figur 1 ist eine Membranpumpe 200 im Querschnitt mit zugehöriger Steuerung 100 und Gehäuse sowie Pneumatikverteiler 115 dargestellt. Im Gehäuse sind elektronische Komponenten und eine freiprogrammierbare elektrische Steuerung eingebaut. Eine nicht dargestellte Stromzuleitung dient der Spannungsversorgung der elektronischen Komponenten. Das Gehäuse hat ein Display 101, einen Ein/Aus-Schalter 102 und mehrere Funktionstaster 103 bis 109, mit denen benötigte Parameter für den Pumpablauf bzw. für den Pumpvorgang eingegeben, optisch verfolgt und gespeichert werden können. Die elektronische Steuerung 100 ermöglicht verschiedene Betriebsvarianten, so dass mit dem Taster 103 auf kontinuierlichen Betrieb und mit Taster 104 auf diskontinuierlichen Betrieb der Pumpe geschaltet werden kann. Insbesondere der diskontinuierliche Betrieb der Pumpe kann durch eine vorwählbare Anzahl von Pumphüben eingestellt und mit Taster 105 in der Steuerung gespeichert werden. Mit dem Taster 106 ist eine Reduzierung der eingestellten Parameter, der Taster 107 ist für eine Erhöhung der variierbaren Parameter vorgesehen, die dann ebenfalls mit dem Taster 105 als neu gewählte Betriebsparameter der Membranpumpe in die Steuerung gespeichert werden können. Bei kontinuierlicher Fahrweise können mit Taster 106, 107 die Zeitkonstanten verändert werden. Der Taster 108 erlaubt die Wahl zwischen interner und externer Steuerung, von zum Beispiel einem externen Prozessleitsystem. Die Pumpe 200 beginnt zu arbeiten, wenn Taster 109 betätigt wird und bei wiederholtem Drücken des Tasters 109 wird der Arbeitsvorgang wieder gestoppt. Die Elektronik mit der programmierbaren Steuerung sendet zu Beginn der Dosierung über elektrische Verbindungskabel 110 digitale Signale zu den elektro-pneumatischen Mehrwege-Ventilen 111, 112, 113, 114, die dann in ihre definierte Auf- oder Zu-Stellung (Tabelle 1) schalten. Die elektro-pneumatischen Mehrwege-Ventile 111 bis 114 (Hersteller beispielsweise SMC Penumatik GmbH, Düsseldorf), sind auf einem pneumatischen Verteilerblock 115 montiert. Der Verteilerblock hat zwei Versorgungskanäle 116, 117. Der Versorgungskanal 116 ist direkt mit der Druckluftversorgung verbunden und der Verteilkanal 117 ist mit einer Vakuumleitung an die Unterdruckversorgung angeschlossen. Der Unterdruck wird durch den im Bypass installierten Vakuumerzeuger 118, einen Injektor, erzeugt, der vom Ventil 114 bei Einschaltung der elektrischen Steuerung ständig mit Druckluft versorgt wird. In einer kompakten Bauweise befindet sich der Verteilerblock 115 mit den elektro-pneumatischen Mehrwege-Ventilen und dem Unterdruckerzeuger 118 direkt im Gehäuse der Steuerung 100, so dass die Druckluftversorgung des Versorgungskanals 116 über eine Schlauchkupplung 116'und der Pumpenkopf über die Schlauchkupplungen 119', 120', 121' verbunden werden. Die freiprogrammierbaren elektronischen Komponenten, Dioden für die optische Funktionsanzeige, elektrisches Netzgerät und eine elektrische Platine sind in Figur 1 nicht dargestellt.
Die freiprogrammierbare Steuerung der pneumatisch betriebenen Membranpumpe 200 schaltet die elektro-pneumatischen Mehrwege-Ventile 111 bis 114 und leitet den im Verteilerblock 115 anstehenden pneumatischen Druck im Kanal 116 (Druckkanal) oder das Vakuum im Verteilerkanal 117 (Vakuumkanal) durch die Steuerleitungen (Kapillaren oder Schläuche) 119, 120, 121 auf die pneumatischen Steuerräume (Pneumatikräume) 220, 221, 222 in der Pumpe 200.
Das Ventil 111 (V1) ist durch die Steuerleitung 119 mit dem Ansaugventil (untere Absperrkammer 210) der Membranpumpe 200 verbunden. Nach gleichem Schema sind das andere Ventil 112 (V2) (obere Absperrkammer 212) und Ventil 113 (V3) mit der Pumpkammer 211 der Pumpe 200 verbunden. Das Ventil 114 (V4) versorgt den Vakuumerzeuger ständig mit Druckluft und wird sofort geschaltet, sobald die Elektronik mit elektrischer Spannung versorgt ist.
Der Membranpumpenkopf 200 besteht aus den drei Teilplatten 201, 203, 205 und hat eingelegte elastische Membranen 202, 204, die im Bereich der Pumpkammer 211 und Absperrkammern 210, 212 pneumatisch verformbar sind. Die Membranen 202, 204 haben die gleiche Fläche wie die Platten 201, 203, 205, um eine gute Abdichtung zur Atmosphäre zu gewährleisten. In den Platten 201, 203, 205 sind Vertiefungen eingelassen, die die Pump- bzw. Absperrkammern 210, 211, 212 bilden. Die Absperrkammern 210, 212 sind hier beispielsweise in die Platte 201 und die Pumpkammer 211 ist mit einem geringen Ausgleichs-Volumenanteil in der Platte 205 und mit dem größeren Volumenanteil in die mittlere Platte 203 eingearbeitet.
Mit der Absperrkammer 210 ist z.B. das steuerbare Ansaugventil des Pumpenkopfes benannt. Sinngemäß stellt die Pumpkammer 211 die Förderkammer und die Absperrkammer 212 das steuerbare Druckventil des Pumpenkopfes dar.
Die Membranen 202, 204 teilen die Pumpkammer 211 und Absperrkammern 210 und 212 in Steuerräume 220, 221, 222 und in Produkträume 230, 231, 232.
Die Pumpkammer 211 bzw. Absperrkammern 210 und 212 haben die Form von abgestumpften Kegeln. Die mittlere Platte 203 weist einen Ansaugkanal 207 und einen Auslasskanal 206 auf. Beide Kanäle 206, 207 sind jeweils mit einer eingeschweißten Kapillare verlängert. Die Kanäle 209, 208 verbinden die Produkträume 230, 231, 232 der Kammern 210, 211, 212 mit einander.
Die Pumpkammer 211 hat eine Nut 213, als verbindendes Element vom tiefsten geometrischen Punkt der Vertiefung in der Platte zur Auslassöffnung bzw. zum Verbindungskanal 209. Auch wird verdeutlicht, das zwischen Einlasskanal 208 und Beginn des Auslasskanals 209 mit der verbindenden Nut 213 noch ein ausreichend großer Abstand vorliegt um ein dichtes Verschließen der Öffnungen im Produktraum der Pumpkammer durch die Membran 204 zu ermöglichen.
Die Membranpumpe 200 ist hier im Steuerungsschritt 4 (siehe Tabelle 1) gezeigt. Im Bereich der Absperrkammer 210 (steuerbares Ansaugventil) ist die Membran 202 auf der Steuerraumseite 220 mit Druck beaufschlagt, so dass die Membran 202 den Ansaugkanal 207 am Einlass 240 (Fig.2) und den Verbindungskanal 208 am Auslass 241 (Fig.2) versperrt. Im Bereich der Pumpkammer 211 (Förderkammer oder Verdrängereinheit) ist der zugehörige Steuerraum 221 mit Vakuum beaufschlagt, so dass der Membranbereich sich abhebt und den zuführenden und ableitenden Verbindungskanal 208, 209 öffnet. Die Absperrkammer 212 ist steuerseitig ebenfalls mit Vakuum beaufschlagt, so dass der Verbindungskanal 209 und der Auslasskanal 206 geöffnet sind um im folgenden Steuerschritt 5 (siehe Tabelle 1) das Pumpenhubvolumen aus der Pumpkammer zu verdrängen. In der Figur 1 sind erforderliche Schrauben für das Zusammenziehen der Platten und gleichzeitige Verpressen der eingelegten Membranen nicht dargestellt.
Die Reihenfolge der programmierbaren Steuerungsschritte und die Stellung der Ventile 111 bis 114 sind im folgenden in der Tabelle 1 dargestellt. Es bedeutet als Digitalsignal "1" Druckluft anstehend (Ergebnis: Membran wird an die Platte 203 angedrückt und schließt ) und das Signal "0" Vakuum anstehend (Membran wird im Steuerraum angehoben und öffnet). Sobald die elektronische Steuerung mit elektrischer Spannung versorgt und mit dem Taster 102 eingeschaltet ist, schaltet die programmierte Steuerung die Ventile 111 bis 114 in eine definierte Start- oder Grundstellung. Die Steuerung eines vollständigen Pumpenhubes besteht hier beispielsweise aus fünf Einzelschritten. Wird der Pumpvorgang unterbrochen oder beendet springt die Steuerung in die Start - oder Grundstellung.
Schritt V1 (111) Saugventil V3 (113) Verdränger V2 (112) Druckventil V4 (114) Vakuum
Grundstellung 1 1 1 1
1. Schritt 0 1 1 1
2. Schritt 0 0 1 1
3. Schritt 1 0 1 1
4. Schritt 1 0 0 1
5. Schritt 1 1 0 1
Zurück nach Schritt 1
Im Steuerungsablauf ist hinter jedem Steuerungsschritt 1 - 5 ein veränderbares Zeitglied programmiert (in der Tabelle 1 nicht dargestellt), damit die einzelnen hintereinander ablaufenden Steuerungsschritte sich nicht gegenseitig beeinflussen und vollständig ausgeführt werden. Die Schaltzeiten der elektro-pneumatischen Ventile sind größer und damit wesentlich langsamer als die benötigte Zeit zur Sendung der digitalen Signale. Durch die zwischengeschalteten Zeitglieder wird die Pumpfunktion gemäß dem Steuerungszyklus 1-5 (siehe Tabelle 1) reproduzierbar und vollständig durchgeführt.
Beispiel 2
Die Figur 2 zeigt eine Membranpumpe ähnlich der in Figur 1 beschriebenen Pumpe, jedoch befinden sich die Kammern bzw. die Vertiefungen 210', 211', 212' in der mittleren Platte 203'. Die Kammern 210' bis 212' haben hier die Form eines Kugelabschnittes. Es ist zu erkennen, dass die Höhe im Scheitelpunkt der Vertiefung der Pumpkammer größer ist als die Dicke der Membran. In dieser Ausführung ist der Mittenabstand der zu- und abführenden Kanäle 207, 208 auf der Ansaugseite der Pumpe (Kammer 210') größer, als der Mittenabstand der zu- und abführenden Kanäle 209, 206 des Druckventils (Kammer 212'). Durch den größeren Mittenabstand am Saugventil wird die Dichtigkeit des Ansaugventils erhöht und eine Rückströmung des Produkts während des Pumpvorgangs verhindert.
Beispiel 3
In Figur 3 ist eine Variante der Pumpe 200 aus Figur 2 mit drei separat eingelegten Membranen 300, 301, 302. Die Vertiefungen 210', 211', 212' sind alle auf der inneren Platte 203' angeordnet und bilden hier mit den Membranen 300, 301, 302 die Produkträume 230, 231, 232. Bei geöffneten Produktkanälen liegen die Membranen 300, 301, 302 an den jeweiligen äußeren Platten 201', 205' an. Diese Membranen werden im Betriebsfall über die Steuerraumseite über eine Bohrung gemäss dem Steuerungsprogramm mit Druckluft oder Vakuum beaufschlagt um die Pumpfunktion zu gewährleisten.
Figur 4 gibt beispielsweise den parallelen Betrieb von drei Membranpumpen 200a, 200b, 200c des in Figur 3 gezeigten Typs im nicht angesteuerten Zustand wieder. Diese sind an die Leitungen des Druckverteilers 115 ähnlich wie in Figur 1 parallel angeschlossen. Die pneumatischen Mehrwege-Ventile des Druckverteilers 115 werden mittels der hier nicht gezeigten elektrischen Steuerung betätigt und bewirken über die Steuerleitungen 119 bis 121, die hier verzweigt auf die drei Pumpenköpfe verschaltet sind, die Betätigung der Membranen. Beim Parallelbetrieb der Pumpenköpfe mit einer Steuereinheit, ist darauf zu achten, dass die Verbindungsleitungen, sowie die Druckluft- und Vakuumversorgung ausreichend dimensioniert sind.
Figuren 5 und 5a zeigen eine Ausführung der Membranpumpe 200d, bei der zwei Pumpeinheiten bzw. zwei Pumpenköpfe gemeinsame Teilplatten haben. Die Teilplatten sind mit den Schrauben 500 verspannt. Die wesentlichen Konturen wie Pumpkammern und Verbindungskanäle im Innern des Pumpenkopfes sind in Figur 5 a mit gebrochenen Linien dargestellt. Der zweifache Pumpenkopf kann mit einer Steuereinheit betrieben werden, so dass mit einem Steuerungshub (entsprechend Schritt 1-5; Tabelle1, Fig.1) die doppelte Fördermenge pro Hub dosiert werden kann. Eine weitere Verwendung besteht darin, wenn gleich oder unterschiedlich grosse Pumpkammern in die Teilplatten eingebracht sind, so dass mit einer Steuereinheit synchron zwei unterschiedliche Stoffe gepumpt werden, oder es werden am gemeinsamen Pumpenkopf zwei Steuereinheiten für die Erzeugung unterschiedlicher Stoffströme angeschlossen. Der innere Aufbau einer einzelnen Pumpeinheit entspricht der Pumpe gemäß Figur 5. Fig. 5a zeigt deutlich, dass die äußeren Konturen (501, 502, 503) der Kammern in den verschiedenen Ebenen der Platten sich überlagern um ein geringes Totraumvolumen und dadurch ein gutes Ausgangsverhalten der Pumpe zu gewährleisten. Des Weiteren wird eine besonders kompakte Pumpenkopfausführung möglich.
Figur 6 zeigt im Querschnitt zwei Abschnitte der Platten 203, 205 im Bereich der Pumpkammer 211 einer Membranpumpe ähnlich Figur 1. Das Volumen der Pumpkammer ist in gleichem Verhältnis auf beide Platten verteilt, so dass die eingelegte Membran 301 über eine konzentrische Dichtfläche 214 verspannt wird und den Produktraum 231 und den Steuerraum 221 nach außen abdichtet
Figur 7, 7a zeigt die Aufsicht der Vertiefung in einer Membranpumpe in Form einer Kugelabschnittsgeometrie der Pumpkammer 211. Zu erkennen ist die vorgesehene Nut 213, die vom Scheitelpunkt der Pumpkammer bis zum Verbindungskanal 209 verläuft und als Sammelkanal für ein vollständiges Entleeren des Produktraumes dient. In Figur 7a ist eine weitere besondere Ausführung einer verzweigten Nut 213' bzw. des Sammelkanals 213 gezeigt.
Beispiel 5
Figur 8 zeigt den erfindungsgemäßen Membranpumpenkopf 200 mit einer Pumpkammer 211" und zwei Absperrkammern 210", 212" und der zwischen den Platten 201", 203", 205", eingelegten elastischen Membran 202" und 204". Die Membranpumpe hat in dieser Ausführungsvariante Vertiefungen in den äußeren Platten 201", 205" und der Sammelkanal 213" befindet sich in der Platte 203".
Zu erkennen sind der Einlasskanal 207", die Verbindungskanäle 208", 209" und der Auslasskanal 206" sowie der Sammelkanal 213". Diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpe erfordert einen geringeren fertigungstechnischen Aufwand.
Figur 9 zeigt eine kombinierte Anordnung der Verbindungskanäle des Pumpenkopfes. Die mittlere Platte ist in einer Schnittdarstellung gezeigt und die äußeren Platten 201', 205' können aufgrund der Anordnung des Durchlasskanals verkleinert werden. Der Einlasskanal 207' und Verbindungskanal 208' zwischen Pumpkammer und saugseitiger Absperrkammer sind rechtwinklig zur äußeren Plattenkontur eingebracht, so dass der Verbindungskanal 208' geradlinig und kurz ist. Das Totraumvolumen des Verbindungskanals 208' ist dadurch minimiert. Der Verbindungskanal zur druckseitigen Absperrkammer hat eine größere Länge und ein größeres Totraumvolumen. Diese Ausführung erfordert eine dritte verkleinerte Platte 205' für den Aufbau der Pumpe.
In Figur 9a ist eine optimierte Pumpe mit geringem Totraumvolumen dargestellt, wobei die mittlere Platte 203' in einer Schnittdarstellung gezeigt ist. Die geometrischen Flächen der Vertiefungen der Absperrkammern liegen teilweise oder vollständig im Schatten der geometrischen Fläche der Pumpkammervertiefung, so dass die Verbindungskanäle von Pumpkammer zu den Absperrkammern extrem kurz sind und ein optimiertes Ansaugverhalten der Pumpe ermöglicht wird.
In Figur 9a ist von der Pumpkammer 211' zu druckseitigen Absperrkammer 212' der Verbindungskanal 209' im Scheitelpunkt der Pumpkammervertiefung positioniert, so dass der Sammelkanal (vgl. Fig. 7) entfällt. Das Totraumvolumen der Pumpe bildet sich aus dem Volumen der beiden Verbindungskanäle 208', 209'. Das Kammervolumen der ansaugseitigen Vertiefung der Absperrkammer 210' liegt teilweise und das Kammervolumen 212' vollständig im Schatten der Pumpkammervertiefung 211', so dass bei gleichzeitiger Optimierung der Dicke der mittleren Platte 203' die Verbindungskanäle 208', 209' extrem kurz gestaltet sind. Das Verhältnis Kanallänge 208' zu Durchmesser beträgt 3,5.
Die entstehenden geometrischen Flächen der Vertiefungen der Absperrkammern auf den jeweiligen Ebenen der Platten, liegen teilweise oder vollständig im Schatten der sich bildenden geometrischen Fläche der Pumpkammervertiefung, so dass dadurch die Verbindungskanäle der Kammern und das Totraumvolumen des Pumpenkopfes extrem verkleinert ist.

Claims (18)

  1. Membranpumpe mit einem mehrteiligen Pumpenkörper, wenigstens umfassend drei starre Platten (201, 203, 205) und mindestens zwei zwischen diesen Platten (201, 203, 205) angeordnete elastische Membranen (204, 202), wobei die Platten (201, 203, 205), mindestens eine Pumpkammer (211) und mindestens zwei Absperrkammern (210, 212), insbesondere in der Geometrie eines Kugelabschnitts, einer Kugelzone, eines Zylinders oder abgestumpften Kegels, mit je einer Einlass- (240) und einer Auslassöffnung (241) für das Fördergut bilden, und die Pumpkammer (211) und Absperrkammern (210, 212) zusammen mit einem Einlasskanal (207) den Verbindungskanälen (208) und (209) sowie einem Auslasskanal (206) einen Durchlasskanal bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpkammer (211) und die Absperrkammern (210, 212) durch die Membranen (204, 202) in je einen Produktraum (230, 231, 232) und einen Steuerraum (220, 221, 222) getrennt sind und die Steuerräume (220, 221, 222) Steuerleitungen (119, 120, 121) aufweisen, die mit einer Steuereinheit (100, 115) verbunden sind.
  2. Membranpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe im Produktraum (231) eine Nut (213) aufweist, die vom Scheitelpunkt des Produktraumes zur Auslassöffnung verläuft.
  3. Membranpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpkammer (211) und die Absperrkammern (210, 212) randseitig durch die Membranen (204, 202) abgedichtet sind.
  4. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen (204, 202) aus einem elastischen Material, insbesondere einem Elastomer, Silikon, Viton, Teflon oder einem EPDM-Kautschuk bestehen.
  5. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Absperrkammern (210, 212) eine gemeinsame Membran (202) aufweisen.
  6. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe aus mindestens drei Platten (201, 203, 205) besteht und die Pumpkammer (211) und die Absperrkammern (210, 212) durch Vertiefungen (210', 211', 212') in den Platten (201, 203, 205) gebildet sind.
  7. Membranpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe aus mindestens drei Platten (201, 203, 205) besteht und die Pumpkammer (211) und die Absperrkammern (210, 212) durch Vertiefungen (210', 211', 212') in einer mittleren Platte (203') gebildet sind.
  8. Membranpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe aus drei Platten (201, 203, 205) besteht und die Pumpkammer (211) und die Absperrkammern (210, 212) durch Vertiefungen (210", 211", 212") in den äußeren Platten (201", 205") gebildet sind.
  9. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittenabstand des jeweils benachbarten Einlasses (240) und des Auslasses (241) der Pumpkammer (211) oder der Absperrkammern (210, 212) mindestens das zweifache bis zehnfache des größten hydraulischen Durchmessers der jeweiligen Einlassöffnung (240) oder Auslassöffnung (241) beträgt.
  10. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerräume mit Luft oder Hydraulikflüssigkeit betreibbar sind.
  11. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskanal (207) und der Auslasskanal (206) untereinander über eine Nebenleitung mit einem Überströmventil verbunden sind.
  12. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (201, 203, 205) lösbar miteinander verbunden sind.
  13. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die der Membrane (204) gegenüberliegende Wand des Steuerraums (221) mindestens in der Pumpkammer (211) ein Ausgleichsvolumen insbesondere eine flächige Vertiefung aufweist.
  14. Membranpumpe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsvolumen höchstens 100 %, bevorzugt höchstens 20 % und besonders bevorzugt höchstens 10 % des zugehörenden Volumens des Produktraums (231) beträgt.
  15. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Konturen der Pump- und Absperrkammern in verschiedenen Ebenen überlagert angeordnet sind.
  16. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskanäle zwischen der Pumpkammer (211') und den Absperrkammern (210', 212') ein Verhältnis von Kanallänge zu hydraulischem Durchmesser von höchstens 20 bzw. höchstens 10, besonders bevorzugt von höchstens 5 aufweisen.
  17. Pumpensatz bestehend aus zwei oder mehr Membranpumpen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranpumpen eine gemeinsame Steuereinheit (100, 115) aufweisen.
  18. Pumpensatz nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Membranpumpen gemeinsame durchgehende Platten (201, 203, 205) aufweisen.
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