EP2825774B1

EP2825774B1 - Verdrängerpumpe mit zwangsentlüftung

Info

Publication number: EP2825774B1
Application number: EP13709872.9A
Authority: EP
Inventors: Alexander Bubb; Jens Kaibel; Tobias VÖLKER
Original assignee: Prominent GmbH
Current assignee: Prominent GmbH
Priority date: 2012-03-13
Filing date: 2013-03-12
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2033-03-12
Also published as: US20150110654A1; JP6266541B2; CA2866784A1; DE102012102088A1; SI2825774T1; PT2825774T; CA2866784C; JP2015515568A; ES2621665T3; WO2013135681A1; DK2825774T3; US10677243B2; HUE032314T2; EP2825774A1; PL2825774T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verdrängerpumpe mit einem Förderraum, welche mit einem Druck- und einem Sauganschluss verbunden ist. Die Verdrängerpumpe weist des Weiteren einen das Volumen des Förderraumes bestimmendes Verdrängerelement auf, das zwischen einer ersten Position, in der der Förderraum ein kleineres Volumen aufweist, und einer zweiten Position, in der der Förderraum ein größeres Volumen aufweist, hin- und herbewegt werden kann. Üblicherweise ist der Druckanschluss über ein Druckventil mit dem Förderraum verbunden und der Sauganschluss ist über ein Saugventil mit dem Förderraum verbunden.
Um ein Medium zu fördern, wird das Verdrängerelement oszillierend zwischen der ersten und zweiten Position hin- und herbewegt. Bei der Bewegung des Verdrängerelementes von der ersten in die zweite Position wird das Volumen des Förderraums vergrößert. Sinkt dadurch der Druck im Förderraum unter den Druck in einer mit dem Sauganschluss verbundenen Saugleitung, so öffnet sich das Saugventil und über den Sauganschluss wird zu förderndes Medium in den Förderraum eingesaugt. Sobald das Verdrängerelement sich von der zweiten Position wieder in Richtung der ersten Position bewegt, d.h. sich das Volumen im Förderraum verringert, steigt der Druck im Förderraum an. Das Saugventil wird verschlossen, um ein Zurückströmen des zu fördernden Mediums in die Saugleitung zu verhindern. Sobald der Druck im Förderraum den Druck in einer mit dem Druckanschluss verbundenen Druckleitung überschreitet, wird das Druckventil geöffnet, sodass das sich im Förderraum befindliche Fördermedium in die Druckleitung gedrückt werden kann.
Eine solche als Membranpumpe ausgebildete Verdrängerpumpe ist in der EP 1 546 557 B1 gezeigt und beschrieben.
Beim Dosieren von Flüssigkeiten, insbesondere von ausgasenden Fördermedien, wie zum Beispiel Natriumhypochlorit (NaClO), können sich Luftblasen in der mit dem Sauganschluss verbundenen Saugleitung bilden und in den Dosierkopf gesaugt werden. Auch ist es möglich, dass sich in der Förderkammer Luftblasen bilden. Dies ist häufig nach längeren Dosierpausen, zum Beispiel nach einem Wochenende, der Fall. Da der Sauganschluss mit einer Saugleitung verbunden ist, die im einfachsten Falle als Schlauch ausgebildet ist und in einem Vorratsbehälter endet, kann es bei einem Austausch des Vorratsbehälters, insbesondere bei laufender Pumpe, vorkommen, dass die Saugleitung kurzzeitig nicht mehr mit dem Fördermedium verbunden ist und Luft ansaugt.
Befindet sich zu viel Gas im Dosierkopf einer oszillierenden Förderpumpe, dann kann es zu Störungen des Dosiervorgangs kommen, sofern die Eigenkompressionsfähigkeit des Dosierkopfes aufgrund des eingeschlossenen Gasvolumens nicht ausreicht, um das Druckventil gegen die Rückschlagfeder, das Eigengewicht des Schließkörpers sowie den Systemdruck zu öffnen. Mit anderen Worten, kann es passieren, dass, wenn der Gasanteil im Förderraum zu hoch wird, trotz der Bewegung des Verdrängerelementes von der zweiten in die erste Position sich der Druck im Förderraum nicht ausreichend erhöht, um das mit dem Druckanschluss verbundene Druckventil zu öffnen. Ursache dafür ist die im Vergleich zu Flüssigkeiten hohe Komprimierbarkeit von Gas.
Gelingt es daher dem Verdrängerelement nicht mehr, einen genügend hohen Druck zur Öffnung des Druckventils aufzubringen, wird das Fördermedium nicht gepumpt, d.h. die gewünschte Dosierung kann nicht erfolgen.
Um diesen Fehlerzustand verlassen zu können, ist es notwendig, die Kompressionsfähigkeit auf den am Druckanschluss anliegenden Gegendruck wiederherzustellen. Dies kann dadurch erfolgen, dass wieder etwas Flüssigkeit in den Förderraum gebracht wird, um das Verhältnis von kompressiblen zu inkompressiblen Medien wieder so zu verbessern, dass der bei der durch die Bewegung des Förderelementes aufgebaute Druck den an dem Druckanschluss anliegenden Gegendruck wieder erreichen kann.
Bei der in der EP 1 546 557 B1 gezeigten Förderpumpe ist daher eine zusätzliche Verbindung zwischen Förderraum einerseits und Druckanschluss andererseits vorgesehen, die intermittierend geöffnet wird, um Flüssigkeit den Wiedereintritt von der Druckleitung in den Förderraum zu ermöglichen, wodurch gleichzeitig Gas aus dem Förderraum entweichen kann, sodass sich das Verhältnis zwischen kompressiblen Gasen und inkompressiblen Flüssigkeiten wieder verbessert und im Idealfall der am Druckanschluss anliegende Gegendruck in der Förderkammer wieder erreicht werden kann.
Diese Lösung ist jedoch relativ aufwendig, da neben einer zusätzlichen Bypassleitung, ein diese verschließendes Ventil sowie eine Ansteuervorrichtung zum Ansteuern des Ventils vorgesehen sein muss.
In der EP 1 106 884 A2 ist ein Drosselrückschlagventil gezeigt, dass aus einer Drossel und einem Rückschlagventil besteht, die strömungstechnisch parallel geschalteten sind. Um ein einfach herstellbares und baulich möglichst einfach und kompakt gestaltetes Ventil, bei dem selbst bei geringfügigen Durchmessern die Gefahr der Verstopfung möglichst gering ist, zu erhalten, ist das Rückschlagventil selbst in genau definierter Weise undicht ausgeführt, wobei die Undichtigkeit die Drossel darstellt.
Die US 7,444,990 B1 zeigt ein Rückschlagventil für ein Kraftstoffverteilsystem mit einem Ventilkörper, der zumindest teilweise elastisch ist und einem Ventilsitz, der bei geschlossenem Ventil mit dem Ventilkörper in Kontakt tritt. Bei geschlossenem Ventil kann der Ventilkörper zwischen zwei Positionen hin- und her bewegt werden. In der ersten Position treten Ventilkörper und Ventilsitz derart in Kontakt, dass das Drosselrückschlagventil dicht ist. In der zweiten Position des Ventilkörpers verbleibt eine Undichtigkeit zwischen Ventilkörper und Ventilsitz.
Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verdrängerpumpe bereitzustellen, die einfach und kostengünstig herzustellen ist und zugleich zuverlässig eine Entgasungsfunktion bereitstellt, wodurch Stillstandszeiten reduziert und die Zuverlässigkeit des Förderprozesses erhöht werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Verdrängerpumpe mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Mit anderen Worten, ist selbst bei geschlossenem Druckventil ein kleiner Rückflusskanal geöffnet, durch den Fördermedium von der mit dem Druckanschluss verbundenen Druckleitung in den Förderraum zurückströmen kann. In gleicher Weise kann Gas aus dem Förderraum über den Rückflusskanal in eine mit dem Druckanschluss verbundene Druckleitung entweichen. Der Rückflusskanal dient daher sowohl dem Rückfluss von Medium als auch dem Abfluss von Gas (Entgasung).
Durch dieses Zurückströmen wird sichergestellt, dass gegebenenfalls im Förderraum befindliches Gas komprimiert wird und zumindest teilweise aus dem Förderraum gespült wird.
Diese Verbindung reduziert den Wirkungsgrad und damit die Pumpleistung der Verdrängerpumpe ein wenig.
Dies kann jedoch hingenommen werden, solange sichergestellt ist, dass der Verlust an Förderleistung durch die Bereitstellung des Rückflusskanals im Vergleich zum geförderten Volumen gering ist. Dadurch, dass der Rückflusskanal im Druckventil angeordnet ist, entfällt das aufwändige Bereitstellen einer Bypassverbindung.
Daher ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass der Rückflusskanal an seiner engsten Stelle einen Querschnitt aufweist, der kleiner als 0,5 mm², vorzugsweise kleiner als 0,1 mm² und am besten kleiner als 0,03 mm² ist. Grundsätzlich gilt, je kleiner der Querschnitt des Rückflusskanals ist, umso geringer ist der Verlust an Förderleistung aufgrund des Vorhandenseins des Rückflusskanals.
Andererseits muss der Rückflusskanal in der Lage sein, eine ausreichende Menge an Flüssigkeit von der mit dem Druckanschluss verbundenen Druckleitung in den Förderraum zu leiten.
Daher ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass der Rückflusskanal an seiner engsten Stelle einen Querschnitt aufweist, der größer als 0,005 mm², vorzugsweise größer als 0,01 mm² und am besten größer als 0,015 mm² ist. Diese Werte sind insbesondere bei Niederdruckpumpen mit einem Gegendruck von bis zu 20 bar und bei der Verwendung von wässrigen Fördermedien von Vorteil. Bei höheren Gegendrücken können kleinere Querschnitte von Vorteil sein. Bei Fördermedien mit höheren Viskosität können größere Querschnitte von Vorteil sein.
Versuche haben nämlich gezeigt, dass zu kleine Querschnitte häufig durch Verunreinigungen verstopft werden können, wodurch die gewünschte Rückström- bzw. Entgasungsfunktion unterbunden wird.
Üblicherweise weist das Druckventil einen Ventilkörper und einen Ventilsitz auf, wobei der Ventilkörper zwischen einer offenen Position, in der der Ventilkörper nicht mit dem Ventilsitz in Kontakt tritt und der Förderraum mit dem Druckanschluss verbunden ist, und einer geschlossenen Position, in der der Ventilkörper mit dem Ventilsitz in Kontakt tritt, hin- und herbewegbar ist. Der Ventilkörper kann beispielsweise aus einer Kugel bestehen, die mit oder ohne Hilfe einer Feder in den Ventilsitz gedrückt wird. Wenn der Druck im Förderraum größer ist als die Summe aus der Federkraft, der vom Ventilkörper aufgebrachten Gewichtskraft und der von dem in der Druckleitung befindlichen Medium auf den Ventilkörper aufgebrachten Kraft, wird die Kugel aus dem Ventilsitz gedrückt, sodass sich zwischen Kugel einerseits und Ventilsitz andererseits ein Ringspalt öffnet, durch den das Fördermedium aus dem Förderraum in die Druckleitung gepumpt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist nun vorgesehen, dass Ventilsitz oder Ventilkörper derart ausgestaltet sind, dass in der geschlossenen Position zwischen Ventilsitz und Ventilkörper der Rückflusskanal gebildet wird.
Mit anderen Worten wird die Verbindung zwischen Förderraum einerseits und Druckleitung andererseits selbst dann, wenn der Ventilkörper im Ventilsitz sitzt, nicht vollständig verschlossen, sondern es bleibt ein kleiner Rückflusskanal geöffnet.
Ein solcher Rückflusskanal kann beispielsweise durch eine Bohrung durch den Ventilsitz oder den Ventilkörper verwirklicht werden.
In einem anderen Beispiel kann der Ventilkörper an seiner mit dem Ventilsitz in Kontakt tretenden Fläche eine Rille aufweisen, die derart angeordnet ist, dass die Rille in der geschlossenen Position den Rückflusskanal bildet.
Alternativ oder in Kombination dazu, kann der Ventilsitz eine Dichtfläche aufweisen, die derart angeordnet ist, dass der Ventilkörper in der geschlossenen Position mit der Dichtfläche in Kontakt tritt und in der offenen Position nicht mit der Dichtfläche in Kontakt tritt, wobei die Dichtfläche eine Rille aufweist, die derart angeordnet ist, dass die Rille in der geschlossenen Position die Entgasungsverbindung zwischen Förderraum und Druckanschluss bildet.
Diese Ausführungsform kann auch bei bereits existenten Verdrängerpumpen leicht verwirklicht werden, indem lediglich in die Dichtfläche des Ventilsitzes eine entsprechende Rille eingebracht wird.
Es hat sich gezeigt, dass die Rille am besten eine Tiefe hat, die kleiner als 0,2 mm, vorzugsweise kleiner als 0,1 mm und am besten zwischen 0,01 und 0,09 mm ist.
Grundsätzlich kann die Rille jeden beliebigen Querschnitt, wie zum Beispiel rechteckig oder dreieckig, aufweisen. Die besten Ergebnisse wurden jedoch erzielt, wenn die Rille einen gekrümmten Rillengrund hat. Vorzugsweise weist der Rillengrund einen Krümmungsradius auf, der kleiner als 1 mm, vorzugsweise kleiner als 0,5 mm und am besten zwischen 0,15 mm und 0,4 mm ist.
Selbstverständlich können auch mehrere Ventile in Reihe hintereinander angeordnet sein.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen. Es zeigen:

Figur 1 einen Querschnitt durch einen Dosierkopf mit Kugelventilen des Standes der Technik,
Figur 2 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventilsitzes,
Figur 3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventilsitzes und
Figur 4 eine Teilquerschnittsansicht durch den Ventilsitz der ersten Ausführungsform.

In Figur 1 ist eine Querschnittsansicht durch einen Dosierkopf 5 des Standes der Technik gezeigt. Der Dosierkopf 5 weist einen Förderraum 4 auf, dessen Volumen durch das als Dosiermembran ausgebildete Förderelement 3 festgelegt wird. Diese Dosiermembran 3 kann, wie durch den Doppelpfeil angedeutet ist, zwischen zwei Positionen hin- und herbewegt werden, wodurch das Volumen des Förderraums 4 variiert werden kann. Der Förderraum 4 ist einerseits über das Saugventil 7 mit einer Saugleitung 1 verbindbar und andererseits über das Druckventil 6 mit einer Druckleitung 2 verbindbar. Das Druckventil 6 weist einen Ventilsitz 10 auf, gegen welchen mittels eines Federelementes 9 eine als Ventilkörper ausgebildete Kugel 8 gepresst wird. Alternativ dazu könnte das Ventilelement auch mittels seiner Gewichtskraft gegen den Ventilsitz gepresst werden. Das mit der Saugleitung verbundene Saugventil ist in gleicher Weise aufgebaut.
Wird nun in einem ersten Schritt die Dosiermembran in Figur 1 nach rechts bewegt, d.h. das Volumen des Förderraums 4 vergrößert, so sinkt der Druck im Förderraum zunächst ab bis der Druck in der Saugleitung größer ist als der Druck im Förderraum. Dann öffnet sich das Saugventil 7, sodass Fördermedium aus der Saugleitung in den Förderraum 4 gesaugt wird. Wird nun die Bewegung der Membran 3 umgekehrt, d.h. das Volumen im Förderraum 4 wieder reduziert, so steigt der Druck im Förderraum 4 an, das Saugventil 7 wird verschlossen, um zu verhindern, dass Fördermedium aus dem Förderraum 4 in die Saugleitung 1 zurückgedrückt wird. Sobald der Druck im Förderraum 4 größer ist als der Druck in der Druckleitung, wird die Kugel 8 gegen die Federkraft 9, das Eigengewicht der Kugel 8 und dem von dem in der Druckleitung befindlichen Medium auf die Ventilkugel aufgebrachte Kraft aus dem Ventilsitz 10 gedrückt, sodass eine Öffnung zwischen Förderraum 4 und Druckleitung 2 besteht, durch welche das Fördermedium aus dem Förderraum in die Druckleitung 2 transportiert werden kann.
Durch eine oszillierende Bewegung der Dosiermembran 3 kann so Fördermedium aus der Saugleitung in die Druckleitung dosiert werden.
Wird über die Saugleitung versehentlich Luft oder ein anderes Gas angesaugt oder wird ein ausgasendes Medium gefördert, so kann sich insbesondere nach längerem Stillstand der Pumpe im Förderraum 4 Gas gebildet haben.
Da Gase im Gegensatz zu Flüssigkeiten komprimierbar sind, kann es dann passieren, dass trotz oszillierender Bewegung der Dosiermembran 3 der Druck im Förderraum 4 nicht mehr so stark ansteigt, dass sich das Druckventil 6 gegen den in der Druckleitung herrschenden Gegendruck öffnet. In solch einer Situation kann kein Fördermedium gefördert werden.
Es ist dann notwendig, wieder Fördermedium in den Förderraum 4 zu transportieren, bzw. das darin befindliche Gas aus dem Förderraum zu entfernen, um die Funktionsweise der Pumpe wiederherzustellen.
In den Figuren 2 und 3 sind daher zwei Ausführungsformen erfindungsgemäßer Ventilsitze 10' und 10" gezeigt. Diese Ventilsitze können an der in Figur 1 gezeigten Position des Ventilsitzes 10 verwendet werden. Die Ventilsitze weisen Dichtflächen 11, 12 auf, wobei bei der in Figur 2 gezeigten ersten Ausführungsform der Ventilsitz eine konische Dichtfläche aufweist, während bei der in Figur 3 gezeigten zweiten Ausführungsform der Ventilsitz eine sphärisch geformte Dichtfläche 12 aufweist.
Es versteht sich, dass die Dichtflächen des Ventilsitzes entsprechend korrespondierend mit der Form des Ventilkörpers 8 ausgebildet sein müssen.
Erfindungsgemäß weist der Ventilsitz nun eine Rille 13, 14 auf, die sich vorzugsweise durch die gesamte Dichtfläche hindurch erstreckt. Diese Rille sorgt dafür, dass selbst dann, wenn der Dichtkörper 8 auf der Dichtfläche 11, 12 des Ventilsitzes 10', 10" aufliegt, durch die Rille ein Rückflusskanal bereitgestellt wird, durch den in geringem Maße Fördermedium vom Druckanschluss zurück in den Förderraum 4 fließen kann, wodurch das sich eventuell darin befindliche Gas entweichen kann.
Bei den in Figuren 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen überbrücken die Rillen 13, 14 auf kürzestem Wege die Dichtflächen 11, 12. Je nach Anwendungsfall kann die Rille jedoch auch auf nicht direktem Wege, zum Beispiel spiralförmig die Dichtfläche überbrücken. Zudem können selbstverständlich mehrere Rillen vorgesehen sein, die nicht notwendigerweise alle im Ventilsitz angeordnet sein müssen, sondern beispielsweise auch an der Außenseite des Ventilkörpers 8 angeordnet sein könnten.
In Figur 4 ist ein Querschnitt durch die Rille 13 der ersten Ausführungsform von Figur 2 gezeigt. Man erkennt, dass die Rille einen gekrümmten Rillengrund mit einem Krümmungsradius r aufweist, wodurch sich eine Rillenbreite d und eine Rillentiefe t ergibt. Die Rillenbreite d wird vorzugsweise im Bereich zwischen 0,15 und 0,5 mm gewählt.

Claims

Verdrängerpumpe mit einem Förderraum (4), welcher mit einem Druck- und einem Sauganschluss verbunden ist, einem das Volumen des Förderraum (4) bestimmendes Verdrängerelement (3), das zwischen einer ersten Position, in der der Förderraum (4) ein kleineres Volumen aufweist, und einer zweiten Position, in der der Förderraum ein größeres Volumen aufweist, hin- und herbewegt werden kann,
wobei der Druckanschluss über ein Druckventil (6) mit dem Förderraum (4) verbunden ist und der Sauganschluss über ein Saugventil (7) mit dem Förderraum (4) verbunden ist, wobei bei geschlossenem Druckventil (6) ein Rückflusskanal (13,14) Förderraum (4) und Druckanschluss miteinander verbindet, durch den Medium in den Förderraum (4) gelangen kann und/oder Gas aus dem Förderraum (4) entweichen kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckventil (6) den Rückflusskanal (13,14) aufweist.
Verdrängerpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückflusskanal (13,14) an seiner engsten Stelle einen Querschnitt aufweist, der größer als 0,005mm², vorzugsweise größer als 0,01mm² und am besten größer als 0,015mm² ist.
Verdrängerpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückflusskanal (13,14) an seiner engsten Stelle einen Querschnitt aufweist, der kleiner als 0,5 mm², vorzugsweise kleiner als 0,1 mm² und am besten kleiner als 0,03 mm² ist.
Verdrängerpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckventil (6) einen Ventilkörper (8) und einen Ventilsitz (10,10',10") aufweist, wobei der Ventilkörper (8) zwischen einer offenen Position, in der der Ventilkörper (8) nicht mit dem Ventilsitz (10,10',10") in Kontakt tritt und der Förderraum (4) mit dem Druckanschluss verbunden ist, und einer geschlossenen Position, in der der Ventilkörper (8) mit dem Ventilsitz (10,10',10") in Kontakt tritt, hin- und herbewegbar ist, wobei Ventilsitz (10,10',10") oder Ventilkörper (8) derart ausgestaltet ist, dass in der geschlossenen Position zwischen Ventilsitz (10,10',10") und Ventilkörper (8) der Rückflusskanal (13,14) gebildet wird.
Verdrängerpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (8) an seiner mit dem Ventilsitz (10,10',10") in Kontakt tretenden Fläche eine Rille (13,14) aufweist, die derart angeordnet ist, dass die Rille (13,14) in der geschlossenen Position den Rückflusskanal (13,14) bildet.
Verdrängerpumpe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (10,10',10") eine Dichtfläche (11,12) aufweist, die derart angeordnet ist, dass der Ventilkörper (8) in der geschlossenen Position mit der Dichtfläche (11,12) in Kontakt tritt und in der offenen Position nicht mit der Dichtfläche (11,12) in Kontakt tritt, wobei die Dichtfläche (11,12) eine Rille (13,14) aufweist, die derart angeordnet ist, dass die Rille (13,14) in der geschlossenen Position die Entgasungsverbindung (13,14) zwischen Förderraum (4) und Druckanschluss bildet.
Verdrängerpumpe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rille (13,14) eine Tiefe hat, die kleiner als 0,2mm, vorzugsweise kleiner als 0,1 mm und am besten zwischen 0,01 und 0,09 mm ist.
Verdrängerpumpe nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rille (13,14) einen gekrümmten Rillengrund hat, wobei der Rillengrund vorzugsweise einen Krümmungsradius aufweist, der kleiner als 1 mm, vorzugsweise kleiner als 0,5 mm und am besten zwischen 0,15 mm und 0,4 mm ist.