EP1898093A1 - Pumpenvorrichtung - Google Patents

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EP1898093A1
EP1898093A1 EP07016273A EP07016273A EP1898093A1 EP 1898093 A1 EP1898093 A1 EP 1898093A1 EP 07016273 A EP07016273 A EP 07016273A EP 07016273 A EP07016273 A EP 07016273A EP 1898093 A1 EP1898093 A1 EP 1898093A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
diaphragm
control
pressure
pump head
pump
Prior art date
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Granted
Application number
EP07016273A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1898093B1 (de
Inventor
Bernd Ferk
Gunnar Gode
Henning Ladiges
Dirk Petersen
Uwe Schade
Wilfried Tille
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.)
BRAN and LUEBBE
SPX Flow Technology Germany GmbH
Original Assignee
BRAN and LUEBBE
Bran und Luebbe GmbH
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 BRAN and LUEBBE, Bran und Luebbe GmbH filed Critical BRAN and LUEBBE
Priority to EP09009999A priority Critical patent/EP2108838B1/de
Priority to DK09009999.5T priority patent/DK2108838T3/da
Publication of EP1898093A1 publication Critical patent/EP1898093A1/de
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Publication of EP1898093B1 publication Critical patent/EP1898093B1/de
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    • 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
    • F04B43/025—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms two or more plate-like pumping members in parallel
    • F04B43/026—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms two or more plate-like pumping members in parallel each plate-like pumping flexible member working in its own pumping chamber
    • 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
    • F04B43/067—Pumps having fluid drive the fluid being actuated directly by a piston

Definitions

  • the invention relates to a pump device with a first diaphragm pump head and a second diaphragm pump head hydraulically coupled thereto.
  • piston pumps For the promotion or recirculation of viscous media with high solids content (suspensions) at high pressures of over 200 bar and high temperature of over 300 ° C piston pumps can be used. However, they are suitable for such an application only limited, since the solids fractions in a relatively short time destroy associated seals a piston and cause scoring on a surface of the piston.
  • plastic membranes for example made of PTFE
  • metal membranes is possible in principle, but technical requirements such as multi-layer membrane with fracture signaling and a design as a freely oscillating in the product space membrane with layer control can be realized only with great effort, see EP 0 085 725 A1 ,
  • the high pressure of the fluid to be pumped leads to another problem.
  • the piston rod force of reciprocating displacement pumps resulting from the product of pressure and area may require the use of very large pump drive assemblies which may be uneconomical for the required application in two respects. On the one hand, this entails considerably higher investment costs and, on the other hand, higher life-cycle costs, which can be characterized in particular by energy costs and expenditures for wear and spare parts.
  • the economic consideration of pump systems for recirculation with the boundary conditions mentioned above is of particular importance in processes for energy recovery from biological waste.
  • the pump device comprises a first diaphragm pump head with two or an integer multiple of two fluid delivery chambers and associated membranes, which are hydraulically coupled to a second diaphragm pump head, wherein the second diaphragm pump head has two additional fluid delivery chambers and associated additional membranes that of a double-acting piston can be driven via associated diaphragm control chambers, wherein in each case a refill valve is connected to the diaphragm control chambers and the membrane control chambers are temporarily acted upon by the Nach Glallventile with a membrane pressure which is greater than atmospheric pressure.
  • Such a pumping device is advantageous in that, at a time when the refill valves top up the diaphragm control chambers with a control fluid to compensate for unavoidable leakage of the control fluid, a short-term pressure drop in the diaphragm control chambers, which has hitherto been common in position-controlled diaphragms, up to atmospheric pressure through the diaphragm control chambers superimposed diaphragm control pressure which is greater than the atmospheric pressure can be limited.
  • the pump device is configured such that the diaphragm control pressure corresponds approximately to a fluid pressure at the inlet of a fluid delivery chamber of the first diaphragm pump head.
  • This allows almost complete compensation of the described short-term pressure drop in the diaphragm control chamber of the second diaphragm pump head.
  • the drive unit for the piston only has to be designed for forces which correspond approximately to the pressure difference between the inlet and the outlet of a fluid delivery chamber of the first diaphragm pump head.
  • the membrane control pressure can preferably be adapted to the fluid pressure by means of a control loop with associated sensors and actuators. Especially with an electronic control circuit this allows an optimally coordinated Compensation of the described pressure drop and thus the prevention of pressure surges, which can exert a detrimental effect on the drive unit.
  • the membrane control pressure may be generated by a pump which is coupled to a respective container for a diaphragm control chamber, each container having one of the refill valves and each container is acted upon by the pump with a static back pressure.
  • the pump is permanently in operation.
  • the membrane control pressure can be generated by a controllable pump which feeds a pressure accumulator, which is in each case coupled to a container for a diaphragm control chamber.
  • the container serves as a refill reservoir in this case.
  • the pump is only in operation when a predetermined lower limit pressure in the accumulator is exceeded. The pump then operates until an upper limit pressure is reached again in the accumulator (two-step control).
  • a respective container as a refill reservoir of a control fluid for a diaphragm control chamber of the second diaphragm pump head, wherein each container an adjustable throttle device is connected downstream.
  • the pump can be constantly in operation, so that a continuous circulation of a control fluid is given.
  • the structure of the pumping device and its operation is relatively symmetrical when the piston is designed as a double-acting disc piston with opposing piston rods.
  • the piston surfaces on both sides of the disc piston have an identical size, so that during a suction stroke or pressure stroke in each case the same pressure change and the same volume displacement is generated.
  • the membranes of the first diaphragm pump head are each free-swinging metal membranes, due to the material metal, a fluid can be transported at high temperatures. Since the first diaphragm pump head and the second diaphragm pump head are coupled via lines with a control fluid, these lines can act as cooling sections.
  • the membranes of the second diaphragm pump head may be formed of a plastic, in particular PTFE, so that none There is a risk that these plastic membranes show a significant flow because of too high a temperature.
  • the membranes of the second diaphragm pump head each have a multi-layered design and are provided with a position control and breakage signaling, the safety during conveying of the fluid can be increased.
  • An even higher level of safety is achieved if a conductivity or viscosity sensor is provided within the diaphragm control chambers of the first diaphragm pump head. Should a metal diaphragm break in the first diaphragm pump head, the fluid to be delivered could enter the adjacent diaphragm control chambers, so that a mixing of delivery fluid and control fluid would occur. Such mixing may alter the electrical conductivity or viscosity of the mixture as compared to the values of the control fluid so that the sensor can detect a break in a metal membrane.
  • the hydraulic coupling between the first diaphragm pump head and the second diaphragm pump head may be by means of control fluids comprising water or oil.
  • control fluids comprising water or oil.
  • oil for example, a special heat transfer oil can be used when the pumping device is used to convey a fluid at high temperatures.
  • the bulging of the membrane 3 is effected by the application of a pressure in the first diaphragm control chamber 5. If there is applied by dp higher pressure, there is a pressure p1 + dp at the pressure valve 62, with which the fluid is transported to the discharge line 63.
  • the pressure p1 + dp is provided by a first conduit 13 from a second diaphragm pump head 8.
  • This has a second membrane 9, which separates a second fluid delivery chamber 10 from a second diaphragm control chamber 11.
  • the second fluid delivery chamber 10 is coupled to the first diaphragm control chamber 5 by a first control fluid 12.
  • this first control fluid 12 is passed through the first line 13 to the first diaphragm control chamber 5, so that the first diaphragm 3 bulges.
  • Such a displacement of the first control fluid 12 is achieved by means of a piston 15, which exerts a stroke, which is directed downward in the embodiment shown in Fig. 1.
  • the stroke movement of the disk piston 31 in a direction pointing downwards in the embodiment shown in FIG. 1 is effected by a pump drive unit 51 by means of a first piston rod 33.
  • a second piston rod 35 is arranged opposite to the first piston rod 33.
  • the disk piston 31 is constructed symmetrically, so that on both opposite end faces of the disk piston 31, the same area is present. This has the consequence that in a piston stroke in the lower piston chamber 32, the same amount of pressure and volume change is achieved as in a piston stroke in an opposite upper piston chamber 34th
  • the upper piston chamber 34 is part of a third diaphragm control chamber 17 which is separated from a third fluid delivery chamber 19 by a third diaphragm 18.
  • the transfer medium used is a third control fluid 16 in the third diaphragm control chamber 17.
  • the pressure p1 alternately across the membranes 3 and 24, the control fluids 12 and 21, the membranes 9 and 18 and the control fluids 14 and 16 respectively on the piston chamber 32 and 34 executing the suction stroke transfer.
  • a short-term pressure drop to atmospheric pressure takes place in the respective diaphragm control chamber.
  • a pressure p2 is then superimposed on the pressure present in the diaphragm control chambers 11 and 17, so that the pressure reduction can be compensated.
  • the pressure p2 is provided by a pump 50 via a supply line 36 to the containers 37 and 39. In the case of the refilling process controlled by the membrane position, the pressure p2 is forwarded into the membrane control chambers 11 and 17. Excess control fluid is discharged via a vent valve 42 and 44 into a container 41 and 43, respectively, and conducted by means of a return line 53 into a control fluid reservoir 52.
  • the upper piston space 34 is increased, so that the third diaphragm 18 is compressed.
  • This also increases the volume of the third fluid delivery chamber 19, which is coupled via a fourth control fluid 21 and the second conduit 22 to a fourth diaphragm control chamber 23.
  • the fourth diaphragm control chamber 23 is located in the embodiment shown in FIG. 1 in the first diaphragm control head 2 and is separated by a fourth diaphragm 24 from a fourth fluid conveying chamber 25.
  • This structure is a mirror image of the structure with the first membrane 3, the first fluid conveying chamber 4 and the first diaphragm control chamber 5.
  • the volume of the fourth fluid delivery chamber 25 is increased, so that a suction or a fluid supply via the inlet opening 26 takes place with the suction valve 64. If the disc piston is moved in an upward stroke, the conditions described above are reversed. Then, the fourth fluid delivery chamber 25 conveys a fluid through an outlet port 28 by means of a vent valve 65 into a discharge line 63, while the first fluid delivery chamber 4 is filled.
  • the first membrane 3 and fourth membrane 24 are free-swinging metal membranes. On a multi-layer design and a membrane layer control can be omitted. A check as to whether a breakage of a metal membrane has occurred can be made indirectly by means of a conductivity or viscosity sensor 29 or 30. At a break of e.g. the membrane 3, there is a mixing of the fluids in the first fluid conveying space 4 and the first diaphragm control chamber 5, so that the electrical conductance or the viscosity changes, which can be detected by the sensors 29 or 30.
  • the third diaphragm 18 is compressed in the pump device in the second diaphragm pump head 8 during a suction stroke of the disc piston 31 in such a way that it reaches its rear end, the pressure in the third diaphragm control chamber 17 can drop to below or below the atmospheric pressure, as mentioned above , This is undesirable, since in this case a significant increase in the thrust force of the piston 15 occurs abruptly and the pump drive unit is heavily loaded. In the case of the pump device according to the invention, this can be avoided by the permanent pressurization with p2, which corresponds approximately to p1, via the containers 37 and 39.
  • the second diaphragm pump head 8 for the respective second 9 and third diaphragm 18 has a separate diaphragm position control, as described in US Pat EP 0 085 725 A1 is disclosed.
  • the respective refill valves 38 and 40 are replaced by a spring-mounted control plunger, which has a region with a conical surface screwed into its circumferential surface, and a tumbling rod operatively connected therewith, which in turn releases or blocks a spring-loaded refill valve.
  • a spring-mounted support plate secured against falling out in the direction of the respective diaphragm 18 or 9 and provided with passage openings for the respective control fluid 16 or 14 is arranged, which is in operative connection with the control tappet.
  • Has a loss give the control fluid 16 and 14, so shifts the respective towards the diaphragm control chamber 17 and 11 directed end position of the diaphragm 18 and 9, so that the support plate against the spring force supporting them and against the plunger supporting spring force is moved.
  • the movement of the support plate thus moves the control plunger, so that its conical peripheral region releases the tumbler, which, for example, falls by gravity in the direction of the control plunger longitudinal axis.
  • a spring force the tumbler in the direction of the control plunger is released by the tumbler, so that due to the pressure prevailing in the diaphragm control chamber 17 and 11 negative pressure, the refill is opened against the supporting spring force and the control fluid 16 and 14 can flow into the respective diaphragm control chamber 17 and 11 respectively.
  • the previously shifted end position of the affected membrane moves back 18 or 9 in the correct end position and thus again releases the support plate which releases the control plunger and thus the tumbler bar pushes back into the blocking position, whereby the valve is locked, which is also closed by the pressure balance due to its supporting spring again.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pumpenvorrichtung, umfassend: einen ersten Membranpumpenkopf mit zwei oder einem ganzzahligen Vielfachen von zwei Fluidförderräumen und dazu zugehörigen Membranen, welche mit einem zweiten Membranpumpenkopf hydraulisch gekoppelt sind, wobei der zweite Membranpumpenkopf zwei zusätzliche Fluidförderräume und dazu zugehörige zusätzliche Membranen aufweist, die von einem doppelt wirkenden Kolben über zugehörige Membransteuerräume antreibbar sind, wobei an die Membransteuerräume jeweils ein Nachfüllventil angeschlossen ist und mittels der Nachfüllventile die Membransteuerräume temporär mit einem Membransteuerdruck (p2) beaufschlagt werden, der größer als Atmosphärendruck ist. Dadurch kann zum Erzielen einer Förderwirkung für ein Fluid der Kolben mit einer relativ geringen Kraft angesteuert werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Pumpenvorrichtung mit einem ersten Membranpumpenkopf und einem daran hydraulisch gekoppelten zweiten Membranpumpenkopf.
  • Zur Förderung bzw. Rezirkulation von viskosen Medien mit hohem Feststoffanteil (Suspensionen) bei hohen Drücken von über 200 bar und hohen Temperatur von über 300 °C können Kolbenpumpen eingesetzt werden. Sie eignen sich für einen derartigen Anwendungsfall jedoch nur beschränkt, da die Feststoffanteile in relativ kurzer Zeit zugehörige Dichtungen eines Kolbens zerstören und eine Riefenbildung auf einer Oberfläche des Kolbens bewirken.
  • Eine Möglichkeit, diese Schwierigkeiten zu umgehen, besteht darin, Membranpumpen zu verwenden. Um ein Fördern bei den oben erwähnten Drücken zu realisieren, lassen sich nur Konstruktionen mit hydraulisch angetriebenen Membranen einsetzen. Diese wiederum können nur unter erheblichem konstruktivem und materialtechnischem Aufwand für einen sicheren und störungsfreien Betrieb in dem genannten Temperaturbereich konzipiert werden.
  • Der Einsatz von Kunststoffmembranen zum Beispiel aus PTFE ist nicht möglich, da bei dem genannten hohen Druck und der hohen Temperatur Kunststoff in beträchtlichem Maß zu fließen beginnt. Die Verwendung von Metallmembranen ist prinzipiell möglich, jedoch sind technische Forderungen wie Mehrlagenmembran mit Bruchsignalisierung und eine Ausführung als eine im Produktraum frei schwingende Membran mit Lagensteuerung nur mit hohem Aufwand realisierbar, siehe EP 0 085 725 A1 .
  • Als Maßnahme gegen die hohe Temperaturbelastung wurden bisher Pumpen mit einem so genannte Remote-Valve-Head verwendet. Bei einer solchen Konstruktion arbeitet eine Membranpumpe als ein vorgeschalteter Pulsator, der über eine als Kühlstrecke dienende Rohrleitung die Arbeitsventile im nachgeschalteten Remote-Valve-Head der Pumpe mit Hilfe des zu fördernden Fluids betätigt. Dadurch wird erreicht, dass die Membranpumpe im unkritischen Niedertemperaturbereich bis ca. 150°C arbeiten kann. Nachteilig ist jedoch, dass mögliche Feststoffanteile des zu fördernden Fluids die Rohrleitung zwischen dem vorgeschalteten Pulsator und dem Remote-Valve-Head verstopfen können und somit die Förderwirkung beeinträchtigt wird.
  • Der hohe Druck des zu fördernden Fluids führt zu einem weiteren Problem. Die aus dem Produkt aus Druck und Fläche resultierende Kolbenstangenkraft oszillierender Verdrängerpumpen erfordert unter Umständen die Verwendung sehr großer Pumpenantriebsaggregate, die für die benötigte Anwendung in zweifacher Hinsicht unwirtschaftlich sein können. Zum einen sind damit erheblich höhere Investitionskosten und zum anderen höhere Lebenszykluskosten verbunden, die insbesondere durch Energiekosten und Aufwendungen für Verschleiß- und Ersatzteile geprägt sein können. Die wirtschaftliche Betrachtung von Pumpensystemen zur Rezirkulation mit den eingangs genannten Randbedingungen ist speziell bei Verfahren zur Energierückgewinnung aus biologischen Abfällen von höchster Bedeutung.
  • Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Pumpenvorrichtung zu schaffen, welche viskose Medien mit hohem Feststoffanteil bei hohen Drücken von über 200 bar und hohen Temperaturen von über 300 °C zuverlässig und kostengünstig fördern kann.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Die erfindungsgemäße Pumpenvorrichtung umfasst einen ersten Membranpumpenkopf mit zwei oder einem ganzzahligen Vielfachen von zwei Fluidförderräumen und dazu zugehörigen Membranen, welche mit einem zweiten Membranpumpenkopf hydraulisch gekoppelt sind, wobei der zweite Membranpumpenkopf zwei zusätzliche Fluidförderräume und dazu zugehörige zusätzliche Membranen aufweist, die von einem doppelt wirkenden Kolben über zugehörige Membransteuerräume antreibbar sind, wobei an die Membransteuerräume jeweils ein Nachfüllventil angeschlossen ist und mittels der Nachfüllventile die Membransteuerräume temporär mit einem Membrandruck beaufschlagt werden, der größer als Atmosphärendruck ist.
  • Eine solche Pumpenvorrichtung ist vorteilhaft, da zu einem Zeitpunkt, in dem die Nachfüllventile die Membransteuerräume mit einem Steuerfluid nachfüllen, um eine unvermeidbare Leckage des Steuerfluides zu kompensieren, ein zum Beispiel bei lagengesteuerten Membranen bisher üblicher kurzzeitiger Druckabfall in den Membransteuerräumen auf bis zu Atmosphärendruck durch den überlagerten Membransteuerdruck, der größer als der Atmosphärendruck ist, begrenzt werden kann.
  • Durch Einsatz der erfindungsgemäßen Pumpenvorrichtung wird erreicht, dass eine Bewegung des Kolbens zu jedem Zeitpunkt mit einer geringeren Kraft als bei Lösungen im Stand der Technik möglich ist, so dass ein Förderdruck abwechselnd in die jeweiligen Membransteuerräume des zweiten Membranpumpenkopfes und von dort zum ersten Membranpumpenkopf geleitet werden kann, um Fluid durch den ersten Membranpumpenkopf zu transportieren. Obwohl der Gesamtdruck im ersten Membranpumpenkopf zum Fördern des Fluides relativ hoch sein kann, ist es möglich, mit einer auf den Kolben ausgeübten relativ geringen Kraft und damit erzeugten Druckdifferenz einen Pumpvorgang zu betreiben. Damit entsteht eine Situation, als ob der Kolben die Druckerhöhung direkt im ersten Membranpumpenkopf ausüben würde. Durch die erfindungsgemäße Pumpenvorrichtung ist es möglich, dass sich der Kolben von einem Antriebsaggregat antreiben lässt, welches für viel geringere Kräfte ausgelegt sein kann als bei bisher bekannten Lösungen, so dass ein deutlich kostengünstigeres Fördern bei hohen Temperaturen und Drücken im ersten Membranpumpenkopf erreicht wird.
  • Vorzugsweise ist die Pumpenvorrichtung derart ausgestaltet, dass der Membransteuerdruck etwa einem Fluiddruck am Einlass eines Fluidförderraumes des ersten Membranpumpenkopfes entspricht. Damit gelingt nahezu eine vollständige Kompensation des beschriebenen kurzzeitigen Druckabfalls im Membransteuerraum des zweiten Membranpumpenkopfes. In Kombination mit einer doppelt wirkenden Ausführung des Kolbens des zweiten Membranpumpenkopfes hat dies zur Folge, dass das Antriebsaggregat für den Kolben nur noch für Kräfte ausgelegt sein muss, welche etwa der Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass eines Fluidförderraumes des ersten Membranpumpenkopfes entsprechen.
  • Vorzugsweise lässt sich bei der erfindungsgemäßen Pumpenvorrichtung der Membransteuerdruck an den Fluiddruck durch einen Regelkreis mit zugehöriger Sensorik und Aktorik anpassen. Besonders bei einem elektronischen Regelkreis ermöglicht dies eine optimal abgestimmte Kompensation des beschriebenen Druckabfalls und damit die Verhinderung von Druckstößen, die eine schädliche Rückwirkung auf das Antriebsaggregat ausüben können.
  • Der Membransteuerdruck kann durch eine Pumpe erzeugt werden, welche mit jeweils einem Behälter für einen Membransteuerraum gekoppelt ist, wobei jeder Behälter eines der Nachfüllventile aufweist und jeder Behälter durch die Pumpe mit einem statischen Staudruck beaufschlagt wird. Bei einer solchen Ausführungsform ist die Pumpe permanent in Betrieb.
  • Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann der Membransteuerdruck durch eine regelbare Pumpe erzeugt werden, welche einen Druckspeicher speist, der jeweils mit einem Behälter für einen Membransteuerraum gekoppelt ist. Der Behälter dient in diesem Fall als ein Nachfüllreservoir. Bei dieser Ausführungsform ist es möglich, dass die Pumpe nur dann in Betrieb ist, wenn ein vorgegebener unterer Grenzdruck im Druckspeicher unterschritten wird. Die Pumpe arbeitet dann so lange, bis im Druckspeicher wieder ein oberer Grenzdruck erreicht wird (Zweipunktregelung).
  • Ferner ist es möglich, jeweils einen Behälter als Nachfüllreservoir eines Steuerfluides für einen Membransteuerraum des zweiten Membranpumpenkopfes vorzusehen, wobei jedem Behälter eine einstellbare Drosselvorrichtung nachgeschaltet ist. In diesem Fall kann die Pumpe ständig in Betrieb sein, so dass ein kontinuierliches Umwälzen eines Steuerfluides gegeben ist.
  • Der Aufbau der Pumpenvorrichtung und ihre Wirkungsweise ist relativ symmetrisch, wenn der Kolben als doppeltwirkender Scheibenkolben mit gegenüberliegenden Kolbenstangen ausgebildet ist. In diesem Fall besitzen die Kolbenflächen an beiden Seiten des Scheibenkolbens eine identische Größe, so dass bei einem Saughub oder Druckhub jeweils die gleiche Druckänderung sowie die gleiche Volumenverdrängung erzeugt wird.
  • Wenn die Membranen des ersten Membranpumpenkopfes jeweils frei schwingende Metallmembranen sind, kann aufgrund des Werkstoffes Metall ein Fluid bei hohen Temperaturen transportiert werden. Da der erste Membranpumpenkopf und der zweite Membranpumpenkopf über Leitungen mit einem Steuerfluid gekoppelt sind, können diese Leitungen als Kühlstrecken wirken. Damit können bei einer bevorzugten Ausführungsform die Membranen des zweiten Membranpumpenkopfes aus einem Kunststoff, insbesondere PTFE, gebildet sein, so dass keine Gefahr besteht, dass diese Kunststoffmembranen wegen zu hoher Temperatur ein signifikantes Fließen zeigen.
  • Sind die Membranen des zweiten Membranpumpenkopfes jeweils mehrlagig ausgebildet und mit einer Lagensteuerung und Bruchsignalisierung versehen, kann die Sicherheit beim Fördern des Fluids erhöht werden. Eine noch höhere Sicherheit wird erreicht, wenn innerhalb der Membransteuerräume des ersten Membranpumpenkopfes ein Leitfähigkeits- oder Viskositätssensor vorgesehen ist. Sollte eine Metallmembran im ersten Membranpumpenkopf brechen, könnte das zu fördernde Fluid in die benachbarten Membransteuerräume gelangen, so dass eine Vermischung von Förderfluid und Steuerfluid eintreten würde. Eine derartige Vermischung kann die elektrische Leitfähigkeit oder die Viskosität des Gemisches im Vergleich zu den Werten des Steuerfluides ändern, so dass sich mit dem Sensor ein Bruch einer Metallmembran detektieren lässt.
  • Die hydraulische Kopplung zwischen dem ersten Membranpumpenkopf und dem zweiten Membranpumpenkopf kann mittels Steuerfluiden erfolgen, welche Wasser oder Öl aufweisen. Als Öl kann zum Beispiel ein spezielles Wärmeträgeröl zum Einsatz kommen, wenn die Pumpvorrichtung zum Fördern eines Fluides bei hohen Temperaturen eingesetzt wird.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles weiter beschrieben. Es zeigt:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpenvorrichtung.
  • In Fig. 1 ist eine Pumpenvorrichtung 1 mit einem ersten Membranpumpenkopf 2 und einem zweiten Membranpumpenkopf 8 dargestellt. Der erste Membranpumpenkopf 2 weist eine erste Membran 3 auf, welche einen ersten Fluidförderraum 4 von einem ersten Membransteuerraum 5 trennt. Ein durch den ersten Fluidförderraum 4 zu förderndes Fluid wird durch eine Zuführleitung 60, in der ein Fluiddruck p1 herrscht (siehe Pfeil 7), zu einer Einlassöffnung 6 mit einem Saugventil 61 zugeführt. Das Fluid kann bei einer Ausbauchung der ersten Membran 3 durch den ersten Fluidförderraum 4 zu einem Druckventil 62 an einem Ende des Fluidförderraumes 4 transportiert werden. Die Ausbauchung der Membran 3 erfolgt durch das Aufbringen eines Druckes im ersten Membransteuerraum 5. Wird dort ein um dp höherer Druck aufgebracht, liegt am Druckventil 62 ein Druck p1 + dp vor, mit dem das Fluid zur Abführleitung 63 transportiert wird.
  • Der Druck p1+dp wird durch eine erste Leitung 13 von einem zweiten Membranpumpenkopf 8 bereitgestellt. Dieser weist eine zweite Membran 9 auf, welche einen zweiten Fluidförderraum 10 von einem zweiten Membransteuerraum 11 trennt. Der zweite Fluidförderraum 10 ist mit dem ersten Membransteuerraum 5 durch ein erstes Steuerfluid 12 gekoppelt. Bei einer Ausbauchung der zweiten Membran 9 wird dieses erste Steuerfluid 12 durch die erste Leitung 13 zum ersten Membransteuerraum 5 geleitet, so dass sich die erste Membran 3 ausbaucht. Eine derartige Verlagerung des ersten Steuerfluides 12 wird mittels eines Kolbens 15 erreicht, welcher einen Hub ausübt, der bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform nach unten gerichtet ist. Ein im zweiten Membransteuerraum 11 vorhandenes zweites Steuerfluid 14 dient als Überträgermedium der Volumenveränderung in einem zugehörigen unteren Kolbenraum 32. Der zweite Membransteuerraum 11 erstreckt sich bis zu einem Scheibenkolben 31 des Kolbens 15, so dass der untere Kolbenraum 32 ein Teil des zweiten Membransteuerraumes 11 ist.
  • Die Hubbewegung des Scheibenkolbens 31 in eine Richtung, die bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform nach unten weist, wird durch ein Pumpenantriebsaggregat 51 mittels einer ersten Kolbenstange 33 bewirkt. Am Scheibenkolben 31 ist gegenüberliegend zur ersten Kolbenstange 33 eine zweite Kolbenstange 35 angeordnet. Damit ist der Scheibenkolben 31 symmetrisch aufgebaut, so dass auf beiden einander gegenüberliegenden Stirnseiten des Scheibenkolbens 31 die gleiche Fläche vorhanden ist. Dies hat zur Folge, dass bei einem Kolbenhub im unteren Kolbenraum 32 der gleiche Betrag einer Druck- und Volumenänderung erreicht wird wie bei einem Kolbenhub in einem gegenüberliegenden oberen Kolbenraum 34.
  • Der obere Kolbenraum 34 ist Teil eines dritten Membransteuerraumes 17, der von einem dritten Fluidförderraum 19 durch eine dritte Membran 18 getrennt ist. Bei einer nach unten gerichteten Hubbewegung des Scheibenkolbens 31 vergrößert sich das Volumen des oberen Kolbenraumes 34, so dass die dritte Membran 18 zusammengezogen oder gestaucht wird. Als Überträgermedium dient ein drittes Steuerfluid 16 im dritten Membransteuerraum 17.
  • Ein Transport eines mit einem Druck p1 in den ersten Fluidförderraum 4 geleiteten Fluides wird erreicht, wenn über die Leitung 13 ein Druck p1 +dp in den ersten Membransteuerraum 5 übertragen wird. Damit muss auch im zweiten Fluidförderraum 10 dieser Druck p1+dp vorherrschen. Dies ist nur möglich, wenn im zweiten Membransteuerraum 11 ein solcher Druck aufgebaut wird. Bei Lösungen nach dem Stand der Technik ist es üblich, dass ein Antriebsaggregat diesen gesamten Druck p1 +dp auf einen oder zwei einfach wirkende Tauchkolben ausübt. Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform ist dies hingegen nicht mehr erforderlich. Hierbei wird, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, der Druck p1 abwechselnd über die Membranen 3 und 24, die Steuerfluide 12 und 21, die Membranen 9 und 18 sowie die Steuerfluide 14 und 16 jeweils auf den den Saughub ausführenden Kolbenraum 32 bzw. 34 übertragen. Wenn die unvermeidbare Leckage der Steuerfluide 14 und 16 durch die Nachfüllventile 38 und 40, die durch die Membranlagensteuerung aktuiert werden, ausgeglichen wird, erfolgt im jeweiligen Membransteuerraum eine kurzzeitige prinzipbedingte Druckabsenkung bis zu Atmosphärendruck. Bei der erfindungsgemäßen Pumpenvorrichtung wird dann dem in den Membransteuerräumen 11 und 17 vorhandenen Druck ein Druck p2 überlagert, so dass die Druckabsenkung kompensiert werden kann.
  • Ist der Kolben des zweiten Membranpumpenkopfes als doppelt wirkender Kolben ausgeführt und der Druck p2 etwa gleich p1, braucht mit dem Pumpenantriebsaggregat 51 nur eine solche Kraft auf die Kolbenstange 33 ausgeübt werden, dass der Kolben 15 lediglich einen Differenzdruck dp erzeugt. Ist zum Beispiel p1=250 bar, kann mit einem Differenzdruck von dp=20 bar ein Transport des Fluids durch den ersten Fluidförderraum 4 erreicht werden. Das Pumpenantriebsaggregat 51 muss somit nicht mehr auf p1+dp=270 bar, sondern nur noch auf 20 bar ausgelegt werden. Dies ermöglicht einen wirtschaftlich deutlich günstigeren Fluidtransport.
  • Der Druck p2 wird von einer Pumpe 50 über eine Zuführleitung 36 zu den Behältern 37 und 39 bereitgestellt. Im Falle des durch die Membranposition gesteuerten Nachfüllvorganges wird der Druck p2 in die Membransteurräume 11 und 17 weitergeleitet. Überschüssiges Steuerfluid wird über ein Entlüftungsventil 42 bzw. 44 in einen Behälter 41 bzw. 43 abgeführt und mittels einer Rückführleitung 53 in ein Steuerfluidreservoir 52 geleitet.
  • Während eines nach unten gerichteten Hubes des Scheibenkolbens 31 wird der obere Kolbenraum 34 vergrößert, so dass die dritte Membran 18 gestaucht wird. Damit vergrößert sich auch das Volumen des dritten Fluidförderraumes 19, der über ein viertes Steuerfluid 21 und der zweiten Leitung 22 mit einem vierten Membransteuerraum 23 gekoppelt ist. Der vierte Membransteuerraum 23 befindet sich bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform im ersten Membransteuerkopf 2 und ist mit einer vierten Membran 24 von einem vierten Fluidförderraum 25 getrennt. Dieser Aufbau ist spiegelbildlich zu dem Aufbau mit erster Membran 3, erstem Fluidförderraum 4 sowie erstem Membransteuerraum 5. Bei einer Vergrößerung des dritten Fluidförderraumes 19 wird auch das Volumen des vierten Fluidförderraumes 25 vergrößert, so dass ein Saugen bzw. eine Fluidzufuhr über die Einlassöffnung 26 mit dem Saugventil 64 erfolgt. Wird der Scheibenkolben in einem nach oben gerichteten Hub bewegt, kehren sich die zuvor beschriebenen Verhältnisse um. Dann fördert der vierte Fluidförderraum 25 ein Fluid durch eine Auslassöffnung 28 mittels eines Entlüftungsventiles 65 in eine Abführleitung 63, während der erste Fluidförderraum 4 befüllt wird.
  • Die erste Membran 3 und vierte Membran 24 sind frei schwingende Metallmembranen. Auf eine Mehrlagenausführung und eine Membranlagensteuerung kann verzichtet werden. Eine Kontrolle, ob ein Bruch einer Metallmembran erfolgt ist, kann indirekt durch einen Leitfähigkeits- oder Viskositätssensor 29 bzw. 30 erfolgen. Bei einem Bruch von z.B. der Membran 3 kommt es zu einer Vermischung der Fluide im ersten Fluidförderraum 4 und ersten Membransteuerraum 5, so dass sich der elektrische Leitwert oder die Viskosität ändert, welches von den Sensoren 29 oder 30 erfasst werden kann.
  • Wird bei der Pumpenvorrichtung im zweiten Membranpumpenkopf 8 zum Beispiel die dritte Membran 18 während eines Saughubes des Scheibenkolbens 31 so gestaucht, dass sie ihre hintere Anlage erreicht, kann, wie oben erwähnt, der Druck im dritten Membransteuerraum 17 bis auf bzw. unter den Atmosphärendruck abfallen. Dies ist unerwünscht, da in diesem Fall eine deutliche Schubkrafterhöhung des Kolbens 15 stoßartig erfolgt und das Pumpenantriebsaggregat stark belastet wird. Bei der erfindungsgemäßen Pumpenvorrichtung kann dies durch die permanente Druckbeaufschlagung mit p2, welches etwa p1 entspricht, über die Behälter 37 und 39 vermieden werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform (in Fig. 1 nicht dargestellt) weist der zweite Membranpumpenkopf 8 für die jeweilige zweite 9 und dritte Membran 18 eine separate Membranlagensteuerung auf, wie sie in der EP 0 085 725 A1 offenbart ist. Dabei sind die jeweiligen Nachfüllventile 38 und 40 ersetzt durch einen federnd gelagerten Steuerstößel, welcher einen Bereich mit einer in seiner Umfangsfläche eingedrehten konischen Fläche aufweist, und einer damit in Wirkverbindung stehenden Zuhaltungsstange, welche wiederum ein federnd gelagertes Nachfüllventil freigibt oder sperrt. Im Bereich des jeweiligen Membransteuerraums 17 bzw. 11 ist eine gegen Herausfallen in Richtung der jeweiligen Membran 18 bzw. 9 gesicherte und mit Durchgangsöffnungen für das jeweilige Steuerfluid 16 bzw. 14 versehene federnd gelagerte Stützplatte angeordnet, welche in Wirkverbindung mit dem Steuerstößel steht. Hat sich ein Verlust an dem Steuerfluid 16 bzw. 14 ergeben, so verschiebt sich die jeweilige in Richtung zum Membransteuerraum 17 bzw. 11 gerichtete Endlage der Membran 18 bzw. 9, so dass die Stützplatte entgegen der sie stützenden Federkraft und gegen die den Stößel stützende Federkraft bewegt wird. Die Bewegung der Stützplatte bewegt somit den Steuerstößel, so dass deren konischer Umfangsbereich die Zuhaltungsstange freigibt, wobei diese bspw. schwerkraftbedingt in Richtung Steuerstößellängsachse fällt. Alternativ kann bspw. auch eine Feder die Zuhaltungsstange in Richtung des Steuerstößels zwingen. Daraus resultierend wird das Nachfüllventil durch die Zuhaltungsstange freigegeben, so dass aufgrund des im jeweiligen Membransteuerraums 17 bzw. 11 herrschenden Unterdrucks das Nachfüllventil entgegen der sie stützenden Federkraft geöffnet wird und das Steuerfluid 16 bzw. 14 in den jeweiligen Membransteuerraum 17 bzw. 11 einströmen kann. Sobald sich wieder der normale Steuerdruck im Membransteuerraum 17 bzw. 11 aufgebaut hat, bewegt sich die zuvor verschobene Endlage der betroffenen Membran 18 bzw. 9 in die korrekte Endlage zurück und gibt somit wieder die Stützplatte frei, welche den Steuerstößel freigibt und somit die Zuhaltungsstange wider zurück in die Sperrstellung schiebt, wodurch das Ventil gesperrt wird, das auch durch den Druckausgleich aufgrund seiner sie stützenden Feder wieder geschlossen wird.
  • Darüber hinaus ist es in einer anderen Ausführungsform der Erfindung möglich, den doppelt wirkenden Kolben 15 außerhalb des zweiten Membranpumpenkopfs 8 anzuordnen. Dabei ist der Kolben 15 mit dem Scheibenkolben 31 und den Kolbenstangen 33 und 35 in einem vom Membranpumpenkopf 8 separaten steuerfluiddichten Gehäuse angeordnet, welche die den Kolben 15 aufnehmenden Kolbenräume 32 und 34 umfasst sowie flexible oder installierte Leitungen für die Steuerfluide 16 und 14. Diese Leitungen verbinden die jeweiligen Kolbenräume 32 und 34 mit den Membransteuerräumen 16 und 11.

Claims (12)

  1. Pumpenvorrichtung (1), umfassend:
    einen ersten Membranpumpenkopf (2) mit zwei oder einem ganzzahligen Vielfachen von zwei Fluidförderräumen (4, 25) und dazu zugehörigen Membranen (3, 24), welche mit einem zweiten Pumpenkopf (8) zum Antrieb des ersten Membranpumpenkopfes (2) hydraulisch gekoppelt sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der zweite Pumpenkopf (8) ein Membranpumpenkopf (8) ist, welcher zwei zusätzliche Fluidförderräume (10, 19) und zwei zugehörige zusätzliche Membranen (9, 18) aufweist, die von einem im zweiten Membranpumpenkopf (8) angeordneten doppelt wirkenden Kolben (15) über zugehörige Membransteuerräume (11, 17) antreibbar sind,
    wobei an die Membransteuerräume (11, 17) jeweils ein Nachfüllventil (38, 40) angeschlossen ist, und mittels der Nachfüllventile (38, 40) die Membransteuerräume (11, 17) temporär, während des membranlagengesteuerten Nachfüllvorgangs, mit einem Membransteuerdruck (p2) beaufschlagt werden, der größer als Atmosphärendruck ist und geringer als der Systemdruck (p1 + dp) ist.
  2. Pumpenvorrichtung (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Membransteuerdruck (p2) etwa einem Fluiddruck (p1) am Einlass (6, 26) eines Fluidförderraumes (4, 25) des ersten Membranpumpenkopfes (2) entspricht.
  3. Pumpenvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    sich der Membransteuerdruck (p2) an den Fluiddruck (p1) durch einen Regelkreis mit zugehöriger Sensorik und Aktorik anpassen lässt.
  4. Pumpenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Membransteuerdruck (p2) durch eine Pumpe (50) erzeugt wird, welche mit jeweils einem Behälter (37, 39) für einen Membransteuerraum (11, 17) gekoppelt ist, wobei jeder Behälter (37, 39) eines der Nachfüllventile (38, 40) aufweist und durch die Pumpe (50) mit einem statischen Staudruck beaufschlagt wird.
  5. Pumpenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Membransteuerdruck (p2) durch eine regelbare Pumpe (50) erzeugt wird, welche einen Druckspeicher speist, der jeweils mit einem Behälter (37, 39) für einen Membransteuerraum (11, 17) gekoppelt ist.
  6. Pumpenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    jeweils ein Behälter (37, 39) für einen Membransteuerraum (11, 17) vorgesehen ist und jedem Behälter (37, 39) eine einstellbare Drosselvorrichtung nachgeschaltet ist.
  7. Pumpenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Kolben (15) als doppeltwirkender Scheibenkolben (31) mit gegenüberliegenden Kolbenstangen (33, 35) gleicher Querschnittsfläche ausgebildet ist.
  8. Pumpenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Membranen (3, 24) des ersten Membranpumpenkopfes (2) jeweils frei schwingende Metallmembranen (3, 24) sind.
  9. Pumpenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Membranen (9, 18) des zweiten Membranpumpenkopfes (8) aus einem Kunststoff, insbesondere PTFE, gebildet sind.
  10. Pumpenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Membranen (9, 18) des zweiten Membranpumpenkopfes jeweils mehrlagig ausgebildet und mit einer Lagensteuerung und Bruchsignalisierung versehen sind.
  11. Pumpenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    innerhalb von Membransteuerräumen (5, 23) des ersten Membranpumpenkopfes (2) ein Leitfähigkeits- oder Viskositätssensor (29, 30) vorgesehen ist.
  12. Pumpenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die hydraulische Kopplung zwischen dem ersten Membranpumpenkopf (2) und dem zweiten Membranpumpenkopf (8) mittels Steuerfluiden (12, 21) erfolgt, welche Wasser oder Öl aufweisen.
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