EP2877745B1

EP2877745B1 - Dosieranlage sowie dosierpumpe hierfür

Info

Publication number: EP2877745B1
Application number: EP13742212.7A
Authority: EP
Inventors: Jens Kaibel; Joachim Schall
Original assignee: Prominent GmbH
Current assignee: Prominent GmbH
Priority date: 2012-07-27
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2033-07-25
Also published as: SI2877745T1; HUE030145T2; EP2877745A1; DE102012106848A1; US20150159639A1; JP2015522761A; WO2014016388A1; ES2607838T3; PL2877745T3; RS55478B1; HRP20161489T1; US9328722B2; DK2877745T3; JP6339072B2; PT2877745T

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dosieranlage zur Dosierung eines flüssigen Dosiermediums mit einer Saugleitung, die mit einem Dosiermedium mit dem Flüssigkeitsdruck p_s gefüllt ist, und einer Druckleitung, die mit dem Dosiermedium mit dem Flüssigkeitsdruck p_d gefüllt ist, wobei die Saugleitung über ein als Dosierpumpe ausgebildetes Dosierorgan mit der Druckleitung verbunden ist. Mit Hilfe der Dosierpumpe kann dann Dosiermedium aus der Saugleitung in die Druckleitung gefördert werden. Hierzu weist die Dosierpumpe einen Förderraum auf, dessen Volumen mit Hilfe eines bewegbaren Verdrängerelementes, zum Beispiel einer Membran, derart verändert werden kann, dass in einer ersten Position des Verdrängerelementes der Förderraum ein minimales Volumen V_min und in einer zweiten Position des Verdrängerelementes der Förderraum ein maximales Volumen V_max aufweist. Dabei ist der Förderraum über ein Druckventil mit der Druckleitung und über ein Saugventil mit der Saugleitung verbunden, so dass durch eine oszillierende Bewegung des Verdrängerelementes im Wechsel Dosiermedium aus der Saugleitung über das Saugventil in den Förderraum gesaugt und Dosiermedium aus dem Förderraum über das Druckventil in die Druckleitung abgegeben werden kann.
Solche Dosieranlagen und entsprechende Dosierpumpen sind seit langem bekannt.
In der EP 1 546 557 B1 ist eine als Membranpumpe ausgebildete Dosierpumpe beschrieben.
Beim Dosieren von Flüssigkeiten, insbesondere von ausgasenden Fördermedien, wie zum Beispiel Natriumhypochlorid (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 Fall 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 Förderraum einer oszillierenden Förderpumpe, dann kann es zu Störungen des Dosiervorgangs kommen, sofern die eigene Kompressionsfähigkeit der Pumpe aufgrund des eingeschlossenen Gasvolumens nicht ausreicht, um das Druckventil gegen den Flüssigkeitsdruck p_d und gegebenenfalls gegen die Rückschlagfeder und das Eigengewicht des Schließkörpers des Druckventils 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, das heißt die gewünschte Dosierung kann nicht erfolgen.
Um diesen Fehlerzustand verlassen zu können, ist es notwendig, die Kompressionsfähigkeit auf den am Druckanschluss anliegenden Gegendruck p_d wiederherzustellen.
Hierzu sind verschiedene Lösungsansätze bekannt. Im einfachsten Fall weist die Dosierpumpe eine verschraubbare Entlüftungsöffnung zum Förderraum auf, die manuell geöffnet werden kann, so dass die Dosierpumpe kurzzeitig nicht gegen den Flüssigkeitsdruck p_d, sondern gegen den Umgebungsdruck arbeiten muss, so dass das im Förderraum vorhandene Gas über die Entlüftungsöffnung entweichen kann. Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch, dass ein manueller Eingriff notwendig ist.
Eine weitere Lösung besteht darin, entsprechende Entlüftungsöffnungen mit einem aktiv ansteuerbaren Ventil auszustatten und dieses Ventil in periodischen Abschnitten zu öffnen. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass die Entlüftungsöffnung auch geöffnet wird, wenn sich kein Gas im Förderraum befindet und daher ein gewisser Leckstrom des Fördermediums auftritt.
Bei der in der EP 1 546 557 B1 gezeigten Förderpumpe ist hingegen 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, so dass sich das Verhältnis zwischen kompressiblen Gasen und inkompressiblen Flüssigkeiten wieder verbessert und im Idealfall der am Druckanschluss anliegende Gegendruck p_d in der Förderkammer wieder erreicht werden kann.
Diese Lösung ist jedoch relativ aufwändig, da neben einer zusätzlichen Bypassleitung, ein dieses verschließendes Ventil sowie eine Ansteuervorrichtung zum Ansteuern des Ventils vorgesehen sein muss. Zudem verringert das intermittierende Öffnen des Bypassventils den Wirkungsgrad der Pumpe, da die Öffnung auch dann erfolgt, wenn kein Gas im Förderraum enthalten ist.
Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Dosieranlage sowie eine hierfür angepasste Dosierpumpe zur Verfügung zu stellen, die einen hohen Wirkungsgrad aufweist, keinen Leckstrom zeigt und die einfach aufgebaut ist.
Hinsichtlich der Dosieranlage wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass $\frac{V_{\max}}{V_{\min}} > \sqrt[κ]{\frac{p_{d}}{p_{s}}},$
wobei k = 1,5 ist.
Der Exponent k wird auch als Adiabatenexponent bezeichnet und ist eine physikalische Größe, die das Verhältnis der spezifischen Wärmekapazität eines Mediums bei konstantem Druck zu der spezifischen Wärmekapazität des Mediums bei konstantem Volumen beschreibt. Der Wert k ist für jedes Gas unterschiedlich und zudem noch termperaturabhängig. Es hat sich jedoch gezeigt, dass für k ein Wert von 1,5 verwendet werden kann, um alle praktisch relevanten Anwendungsfälle zu erfassen. Wie bereits eingangs erwähnt, muss das Verdrängungselement gegen den Gegendruck, d.h. den Druck p_d auf der Druckleitung arbeiten. Da in der Regel die Förderkammer über ein Rückschlagventil mit der Druckleitung verbunden ist, muss das Verdrängerelement zusätzlich gegen die Feder des Rückschlagventils und gegebenenfalls - je nach Anordnung des Schließkörpers des Ventils - gegen die Gewichtskraft des Schließkörpers arbeiten.
Erfindungsgemäß wird daher das Verhältnis aus dem maximalen Volumen V_max und dem minimalen Volumen V_min des Förderraums derart groß gewählt, dass selbst dann, wenn der Förderraum vollständig mit Luft gefüllt ist, der notwendige Druck p_d erreicht werden kann. In den meisten Fällen wird der Flüssigkeitsdruck des Dosiermediums in der Saugleitung p_s dem Atmosphärendruck entsprechen, wobei jedoch auch Anwendungsfälle denkbar sind, in denen die Saugleitung bereits unter Über- oder Unterdruck steht.
Das Verhältnis zwischen V_max und V_min hängt somit von dem zu erwartenden Flüssigkeitsdruck p_d in der Druckleitung ab.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Dosieranlage in der Druckleitung einen Flüssigkeitsdruck p_d > 7 bar, vorzugsweise p_d > 10 bar und am besten p_d > 16 bar auf. Insbesondere bei derart hohen Flüssigkeitsdrücken ist eine zuverlässige Entlüftung für eine genaue Dosierung von Vorteil.
Für typische Anwendungsfälle ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass $\frac{V_{\max}}{V_{\min}} \geq 4,$
vorzugsweise $\frac{V_{\max}}{V_{\min}} \geq 6$
und am besten $\frac{V_{\max}}{V_{\min}} \geq 8.$
Mit den genannten Verhältnissen lassen sich funktionssichere Dosieranlagen für die überwiegende Zahl an Anwendungsfällen erreichen.
Hinsichtlich der Dosierpumpe zur Verwendung in der beschriebenen erfindungsgemäßen Dosieranlage wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass $\frac{V_{\max}}{V_{\min}} \geq 4,$
vorzugsweise $\frac{V_{\max}}{V_{\min}} \geq 6$
und am besten $\frac{V_{\max}}{V_{\min}} \geq 8.$
Durch die entsprechende Wahl des Verhältnisses zwischen dem maximalen Volumen und dem minimalen Volumen des Förderraums wird sichergestellt, dass eine Dosieranlage, bei der die Dosierpumpe eingesetzt wird, für die meisten Anwendungsfälle gewährleistet, dass selbst bei vollständig mit Luft gefülltem Förderraum die Eigenkompressibilität der Dosierpumpe groß genug ist, um die Luft aus dem Förderraum gegen den Flüssigkeitsdruck p_d der Druckleitung zu fördern.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Dosierpumpe ist vorgesehen, dass zwischen der ersten Position und der zweiten Position des Verdrängerelementes eine dritte Position des Verdrängerelementes vorgesehen ist, in welcher der Förderraum ein Arbeitsvolumen V_A aufweist, wobei V_min < V_A < V_max ist, und die Dosierpumpe zwei Betriebsmodi aufweist, wobei in einem Dosiermodus das Verdrängerelement zwischen der ersten und der zweiten Position oder zwischen der zweiten und der dritten Position hin- und herbewegt wird, und in einem Entlüftungsmodus zwischen der ersten und der zweiten Position hin- und herbewegt wird.
Mit anderen Worten wird das maximale Hubvolumen (V_max - V_min) nur während des Entlüftungsmodus erreicht, wobei während des normalen Dosiermodus das Hubvolumen nur (V_max - V_A) bzw. (V_A - V_min) beträgt.
Ein kleineres Hubvolumen und damit einhergehend eine kleinerer Hub des Verdrängungselementes kann, insbesondere dann, wenn das Verdrängerelement als Membran ausgestaltet ist, die Lebensdauer des Verdrängungselement verlängern. Daher ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass der maximale Hub nur im Entlüftungsmodus stattfindet, während im Dosiermodus lediglich ein reduzierter Hub stattfindet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist daher eine Einrichtung vorgesehen, welche die Dosierpumpe in regelmäßigen Zeitabständen kurzzeitig in den Entlüftungsmodus schaltet. Beispielsweise könnte die Dosierpumpe jeden fünfzigsten oder jeden zweihundertsten Hub für einen Hub in den Entlüftungsmodus geschaltet werden, wodurch eventuell im Förderraum befindliches gasförmiges Medium, zuverlässig aus dem Förderraum herausgedrückt wird.
Alternativ dazu kann die Dosierpumpe auch eine Einrichtung zur Erkennung eines gasförmigen Mediums in der Förderkammer aufweisen, so dass eine Steuereinrichtung vorgesehen sein kann, welche die Dosierpumpe in den Entlüftungsmodus schaltet, wenn die Erkennungseinrichtung gasförmiges Medium im Kopf erkennt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der zugehörigen Figuren. Es zeigen:

Figur 1 einen Querschnitt durch einen Dosierkopf einer erfindungsgemäßen Dosierpumpe und
Figur 2 eine perspektivische Draufsicht auf die in Figur 1 dargestellte Ausführungsform.

In Figur 1 ist eine Schnittansicht durch einen Dosierkopf einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dosierpumpe gezeigt. Der Dosierkopf 10 weist ein Verdrängerelement 1 auf, das mit einer Membran 2 verbunden ist. Durch die Bewegung des Verdrängerelementes 1 wird die Membran 2 hin- und herbewegt, so dass sich das Volumen des Förderraums 3 verändert. Der Förderraum 3 ist mit einem Sauganschluss 5 über zwei in Reihe geschaltete Rückschlagventile 8, 9, die das Saugventil bilden, verbunden. An den Sauganschluss 5 kann beispielsweise eine Saugleitung einer Dosieranlage angeschlossen werden, so dass Dosiermedium aus der Saugleitung in den Förderraum 3 gesaugt wird, wenn sich die Membran 2 zusammen mit dem Verdrängerelement 1 derart bewegt, dass sich das Volumen des Förderraums 3 vergrößert.
Der Förderraum 3 ist zudem mit einem Druckanschluss 4 über zwei in Reihe angeordnete Rückschlagventile 6, 7, die zusammen das Druckventil bilden, verbunden. Der Druckanschluss kann mit der Druckleitung einer Dosieranlage verbunden werden, so dass, wenn sich die Membran 2 zusammen mit dem Verdrängerelement 1 derart bewegt, dass das Volumen des Förderraums 3 reduziert wird, Dosiermedium über die beiden Rückschlagventile 6, 7 und den Druckanschluss 4 in die Druckleitung gedrückt wird.
In Figur 2 ist eine perspektivische Ansicht des Dosierkopfes 10 zu sehen und man erkennt sowohl den Druckanschluss 4 als auch den Sauganschluss 5.
Der Förderraum 3 besteht zum einen aus dem Raum, in dem sich die Membran hin- und herbewegt und zum anderen aus einem Druckkanal 11, welcher den Membranraum mit dem Rückschlagventil 7 verbindet, sowie einem Saugkanal 12, der den Membranraum mit dem Rückschlagventil 9 verbindet. Sowohl der Druckkanal 11 als auch der Saugkanal 12 bilden einen Teil des Förderraumvolumens. Das minimale Volumen V_min des Förderraums 3, das mit Hilfe der beweglichen Membran 2 eingestellt werden kann, besteht daher mindestens aus dem Volumen des Druckkanals 11 und dem Volumen des Saugkanals 12.
Um das minimale Volumen V_min des Förderraums möglichst gering zu wählen, sind hier sowohl der Druckkanal 11 als auch der Saugkanal 12 quer zur Bewegungsrichtung des Verdrängerelementes 1 angeordnet, das heißt die Bewegungsrichtung des Verdrängungselement schließt mit der Bewegungsrichtung eines Schließelementes des Druckventils und mit der Bewegungsrichtung eines Schließelementes des Saugventil einen Winkel von etwa 45° ein.
Bei der gezeigten Ausführungsform liegt das Verhältnis V_max/V_min bei etwa 3. Dieses Verhältnis kann jedoch noch größer gewählt werden, wenn die Dosierpumpe gegen hohe Drücke pumpen soll.

Bezugszeichenliste

1: Verdrängerelement
2: Membran
3: Förderraum
4: Druckanschluss
5: Sauganschluss
6, 7: Rückschlagventile
8, 9: Rückschlagventile
10: Dosierkopf
11: Druckkanal
12: Saugkanal

Claims

Dosieranlage zur Dosierung eines flüssigen Dosiermediums mit einer Saugleitung, die mit einem Dosiermedium mit dem Flüssigkeitsdruck p_s gefüllt ist, und einer Druckleitung, die mit dem Dosiermedium mit dem Flüssigkeitsdruck p_d gefüllt ist, wobei die Saugleitung über ein als Dosierpumpe ausgebildetes Dosierorgan mit der Druckleitung verbunden ist, mit der Dosiermedium aus der Saugleitung in die Druckleitung gefördert werden kann, wobei die Dosierpumpe einen Förderraum aufweist, dessen Volumen mit Hilfe eines bewegbaren Verdrängerelementes derart verändert werden kann, dass in einer ersten Position des Verdrängerelementes der Förderraum ein minimales Volumen V_min und in einer zweiten Position des Verdrängerelementes der Förderraum ein maximales Volumen V_max aufweist, wobei der Förderraum über ein Druckventil mit der Druckleitung und über ein Saugventil mit der Saugleitung verbunden ist, so dass durch eine oszillierende Bewegung des Verdrängerelementes im Wechsel Dosiermedium aus der Saugleitung über das Saugventil in den Förderraum gesaugt und Dosiermedium aus dem Förderraum über das Druckventil in die Druckleitung abgegeben werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass $\frac{V_{\max}}{V_{\min}} > \sqrt[κ]{\frac{p_{d}}{p_{s}}},$
wobei κ = 1,5 ist.
Dosieranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass $\frac{V_{\max}}{V_{\min}} \geq 4,$
vorzugsweise $\frac{V_{\max}}{V_{\min}} \geq 6$
und am besten $\frac{V_{\max}}{V_{\min}} \geq 8.$
Dosieranlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsdruck p_d > 7 bar, vorzugsweise p_d > 10 bar und am besten p_d > 16 beträgt.
Dosierpumpe in einer Dosieranlage nach Anspruch 1 oder 2, die einen Förderraum aufweist, dessen Volumen mit Hilfe eines bewegbaren Verdrängerelementes derart verändert werden kann, dass in einer ersten Position des Verdrängerelementes der Förderraum ein minimales Volumen V_min und in einer zweiten Position des Verdrängerelementes der Förderraum ein maximales Volumen V_max aufweist, wobei der Förderraum über ein Druckventil mit einem Druckanschluss zur Verbindung mit einer Druckleitung und über ein Saugventil mit einem Sauganschluss zur Verbindung mit einer Saugleitung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass $\frac{V_{\max}}{V_{\min}} \geq 4,$
vorzugsweise $\frac{V_{\max}}{V_{\min}} \geq 6$
und am besten $\frac{V_{\max}}{V_{\min}} \geq 8$
Dosierpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Position und der zweiten Position des Verdrängerelementes eine dritte Position des Verdrängerelementes vorgesehen ist, in welcher der Förderraum ein Arbeitsvolumen V_A aufweist, wobei V_min < V_A < V_max ist, und die Dosierpumpe zwei Betriebsmodi aufweist, wobei in einem Dosiermodus das Verdrängerelement zwischen der zweiten und dritten Position hinund herbewegt wird, und in einem Entlüftungsmodus zwischen der ersten und der zweiten Position hin- und herbewegt wird.
Dosierpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung vorgesehen ist, welche die Dosierpumpe in regelmäßigen Zeitabständen kurzzeitig in den Entlüftungsmodus schaltet.
Dosierpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Erkennung eines gasförmigen Mediums in der Förderkammer vorgesehen ist und eine Einrichtung vorgesehen ist, welche die Dosierpumpe in den Entlüftungsmodus schaltet, wenn die Erkennungseinrichtung gasförmiges Medium im Kopf erkennt.
Dosierpumpe nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsrichtung des Verdrängungselement mit der Bewegungsrichtung eines Schließelementes des Druckventils und/oder mit der Bewegungsrichtung eines Schließelementes des Saugventil einen Winkel zwischen 15° und 85°, vorzugsweise zwischen 30° und 60° und am besten zwischen 40° und 50° einschließt.