EP4433707B1

EP4433707B1 - Membrankolbenpumpe

Info

Publication number: EP4433707B1
Application number: EP22812416.0A
Authority: EP
Inventors: Daniel NÄGEL; Peter KUGEL
Original assignee: Feluwa Pumpen GmbH
Current assignee: Feluwa Pumpen GmbH
Priority date: 2021-11-15
Filing date: 2022-11-14
Publication date: 2025-03-26
Anticipated expiration: 2042-11-14
Also published as: US20240410351A1; DE202021106223U1; EP4433707C0; CN118234949A; WO2023083419A1; EP4433707A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Membrankolbenpumpe mit einer Leckagesteuerung.
Eine der Grundvoraussetzungen für den sicheren Betrieb bei Membrankolbenpumpen ist das Vorhandensein einer definierten Menge an Vorlageflüssigkeit zwischen dem Kolben und der Membrane/Schlauchmembrane. Ist die Menge an Vorlageflüssigkeit zu gering, so besteht das Risiko, dass die Membrane in das Pumpengehäuse hineingezogen wird, überdehnt und final perforiert wird. Ist die Menge an Vorlageflüssigkeit zu hoch, besteht das Risiko, dass die Membrane den Förderraum blockiert.
Während des Betriebes einer Membrankolbenpumpe gibt es eine Vielzahl an Betriebszuständen, die die Menge an Vorlageflüssigkeit variieren können. Kolben- bzw. Plunger-Dichtungen weisen bauartbedingt gewisse Restleckagen auf, die sich zudem während der Einsatzdauer verändern. Um einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen, benötigen Membranpumpen eine Dauerentlüftung. Auch hier wird bei jedem Hub eine Menge an Vorlageflüssigkeit in den Ölbehälter entlüftet. Um sicherzustellen, dass der Auslegungsdruck nicht überschritten wird, besitzen Membranpumpen Druckbegrenzungsventile. Steigt der Druck im System über den gewünschten, in der Regel durch eine Feder voreingestellten Wert an, dann öffnet das Ventil und lässt die Vorlageflüssigkeit in den Ölbehälter strömen, welches ebenfalls die definierte Menge an Vorlageflüssigkeit verändert.
Herkömmliche Membran-Kolbenpumpen sind mit einer kombinierten Membranhubbegrenzung und Stützplatte versehen, die mit einer Lagensteuerung auf der Basis eines Vakuum-Leckstrom-Ergänzungsventils kombiniert ist Das Vakuum-Leckstrom-Ergänzungsventil dient bei Unterdruck dem Ausgleich von Leckverlusten an Hydraulikflüssigkeit. Ein Nachteil der rein vakuumgesteuerten Membranlagensteuerung durch Vakuum-Leckstrom-Ergänzungsventile bei ausschließlich vakuumgesteuerten Leckstrom-Ergänzungsventilen ist, dass der Leckstrom unkontrolliert ergänzt wird. Zudem bewegt sich die Membrane so weit nach vorne, dass sie bricht, wenn auf der Mediumseite das Vakuum den Öffnungsdruck des Vakuum-Leckstrom-Ergänzungsventils, beispielsweise infolge einer blockierten Saugleitung und/oder eines geschlossenen Saugschiebers, überschreitet.
Aus der DE 203 21 039 U1 ist eine betriebssichere, gegen Vakuum unempfindliche Leckage- Ergänzungssteuerung für Membrankolbenpumpen bekannt, die sicherstellt, dass nur dann Vorlageflüssigkeit ergänzt wird, nachdem sich die Membrane an dem Steuerteller angelegt und zunächst ein Rückschlagventil mechanisch geöffnet hat.
Beim Saughub bewegt sich die Schlauchmembrane zwangsläufig in Richtung Kolben-Hydraulikraum. Wenn das Volumen des Hydrauliköls durch Leckage im Hydraulikraum absinkt, drückt die Membrane auf den Steuerteller, der wiederum über einen Hebel das Nachfüllventil öffnet. Das Leckstrom-Ergänzungsventil wird hier kontrolliert durch die Schlauchmembranbewegung betätigt, d. h. zunächst wird das Leckageventil (Rückschlagventil) mechanisch geöffnet. Erst dann wird das vakuumgesteuerte Ergänzungsventil wirksam. Durch das weitere Zurückfahren des Kolbens entsteht in dem Vorlageraum ein Vakuum, da sich die Membrane nicht weiterbewegen kann. Überschreitet dieses Vakuum den Einstellbereich des Nachfüllventils (Ergänzungsventil), öffnet sich das Ergänzungsventil und die während des Druckhubs in den Reserveraum ausgesteuerte Vorlageflüssigkeit wird im Verlauf des weiteren Kolben-Saughubes durch das stationäre Vakuum wieder zurückgeholt. Auf diese Weise wird das fehlende Volumen an Hydraulikflüssigkeit im Hydraulikraum ergänzt. Da das durch Vakuum aktivierte Nachfüllventil erst öffnen kann, wenn es von der Schlauchmembrane durch einen Hebel mechanisch betätigt wird, ist sichergestellt, dass die Schlauchmembranen auch bei Vakuum nicht durch Überfüllung überdehnt werden.
Diese Leckagesteuerung mit getrenntem Leckage- und Ergänzungsventil gilt noch heute als Maßstab.
Aus der DE 40 36 696 A1 ist eine Membranpumpe mit einer von einer Membran mechanisch angesteuertem Leckageergänzungsventil bekannt.
Bei zunehmender Erweiterung der Einsatzbereiche zeigt sich der Kipphebel allerdings als reglementierendes Bauteil. Der Kipphebel verbindet die Steuereinheit mit dem kombinierten Leckage- und Ergänzungsventil mechanisch. Die konstruktionsbedingt notwendige Öffnung zur Installation des Kipphebels im Pumpengehäuse stellt bei der strukturmechanischen Dimensionierung eine Grenze dar, sodaß Drücke > 1.000 bar nur mit sehr großem Aufwand zu realisieren sind. Zudem stellt das System eine Begrenzung bei der maximal zu realisierenden Hubzahl der Pumpe aufgrund seiner Trägheit dar.
Die DE 41 41 670 A1 betrifft eine hydraulisch angetriebene Membranpumpe. Die Membranpumpe weist eine membranlagegesteuerte Leckageergänzungseinrichtung auf, die ein Steuerventil mit einem im Bereich des Verbindungskanals zwischen Membranarbeitsraum und Kolbenarbeitsraum verschiebbar geführten Steuerschieber aufweist, der in der Saughubstellung der Membran eine Verbindung von einem Vorratsraum zum Kolbenarbeitsraum öffnet.
Die DE 27 54 318 A1 offenbart eine Beschickungssteuerung für eine Membranpumpe. Das Nachfüllen von Öl erfolgt über die Kombination eines Schieberventils, welches an der Membran befestigt ist, und eines Regulierungsventils. Ein Unterdruck in der Druckölkammer öffnet nur dann das Regulierungsventil, wenn die Membran ihre Saughubstellung einnimmt und das Schieberventil den Kanal zum Regulierungsventil freigibt.
Die EP 0 175 105 A1 beschreibt eine Mebranpumpe. Der hydraulische Arbeitsraum weist ein Überdruckventil auf.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Leckagesteuerung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Bereich der Membrane eine Steuereinheit vorgesehen ist, die durch den Druck der Membrane während des Saughubs aktivierbar ist, wobei die Steuereinheit hydraulisch mit einem Leckagergänzungsventil verbunden ist, über das Vorlageflüssigkeit in den Kolbenraum der Membrankolbenpumpe abgebbar ist, wobei das Leckageergänzungsventil erst bei Aktivierung eines Leckageventils wirksam ist, wobei das Leckageventil hydraulisch aktivierbar ist.
Erfindungsgemäß wird die Position der Membran nicht mechanisch über eine Steuerstange und einen Kipphebel übertragen, sondern hydraulisch. Somit ist die Lage des Ergänzungsventils nicht mehr direkt an die Achse der Steuerstange oder an die Kipprichtung eines Kipphebels gebunden. Dies ermöglicht es, ohne die räumlichen und mechanischen Beschränkungen des Standes der Technik eine effiziente Leckagesteuerung vorzunehmen.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Steuereinheit zwischen dem Kolben der Membrankolbenpumpe und der sekundären Schlauchmembrane angeordnet ist, wobei ein von der sekundären Schlauchmembrane beaufschlagbarer Steuerteller mit einer Steuerstange in Längsrichtung gegen eine Rückstellkraft verschiebbar geführt ist, wobei die Steuerstange einen Aktivierungskolben für die hydraulische Verbindung mit dem Leckageventil aufweist.
Der Steuerteller wird während des Saughubes von der Membrane beaufschlagt, und bewegt sich zusammen mit der Steuerstange gegen die Rückstellkraft beispielsweise einer Feder von der Membrane weg, wodurch der Aktivierungskolben Hydraulikflüssigkeit in einen Aktivierungskanal der hydraulischen Verbindung zwischen der Steuereinheit und dem Leckageventil drückt. Sofern die Pumpe nur eine Membrane aufweist, ist diese mit der sekundären Membrane gleichzusetzen.
Es erfolgt somit eine hydraulische Aktivierung des Leckageventils.
Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Leckageventil einen Steuerkolben aufweist, bei dessen Druckbeaufschlagung das Leckageventil öffnet, so daß der anliegende Druck in der hydraulischen Verbindung über einen Verbindungskanal auf ein Ergänzungsventil wirkt, um dieses bei Anliegen eines kleineren Drucks als dem Öffnungsdruck des Ergänzungsventils gegen eine Rückstellkraft zu öffnen.
Durch das sich öffnende Ergänzungsventil wird Vorlageflüssigkeit ergänzt. Es ist auch möglich, den Steuerkolben als separates Bauteil am Ventil vorzusehen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen

Figur 1: eine geschnittene Darstellung der erfindunsgemäßen Vorrichtung,
Figur 2: eine Detaildarstellung der Steuereinheit,
Figur 3: eine Detaildarstellung des Leckage- und Ergänzungsventils.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen eine Doppel-Membranschlauchpumpe, die eine erfindungsgemäße Steuereinheit (1) und ein erfindungsgemäßes Leckageergänzungsventil (2) aufweist. Die Doppel-Membranschlauchpumpe weist ein druckseitiges Förderventil (3) und ein saugseitiges Förderventil (4), einen Druckzwischenflansch (5), einen Zwischenring (6), ein Schlauchgehäuse (7), eine primäre Schlauchmembrane (8) und einen sekundäre Schlauchmembrane (9) auf, wobei zwischen der primären Schlauchmembrane (8) und der sekundären Schlauchmembrane (9) ein Kopplungsfluid (15) angeordnet ist und eine Schlauchmembranzustandsüberwachung (HDG) (13) vorgesehen ist.
Über einen mittels Kolbendichtungen (18) abgedichteten Kolben (Plunger) (10), der Druck auf eine Vorlageflüssigkeit (15) ausübt, wird die sekundäre Schlauchmembran (9) mit Druck beaufschlagt, wodurch der Förderraum (17) komprimiert wird, so daß das zu pumpende Fluid aus dem Förderraum (17) durch das druckseitige Förderventil (3) aus der Pumpe gefördert wird. Beim Zurückziehen des Kolbens (10) reduziert sich der Druck auf die Vorlagefllüssigkeit (15), die Doppel-Schlauchmembrane (8, 9) bewegt sich zurück und es wird über das saugseitige Förderventil (4) Fluid in den Förderraum hineingefördert.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Position der Doppel-Schlauchmembrane (8, 9) nicht wie im Stand der Technik mittels Steuerstange und Kipphebel weitergegeben, sondern hydraulisch. Um dies zu erreichen, ist - wie in Figur 2 dargestellt - ein Steuerteller (20) vorgesehen, der mit einer Steuerstange (23) verbunden ist, welche einen Aktivierungskolben (26) aufweist. Die Steuerstange (23) mit dem Steuerteller (20) ist gegen die Rückstellkraft einer Rückstellfeder (24) in Längsrichtung verschiebbar.
Während des Saughubes bewegt sich die Doppel-Schlauchmembrane (8, 9) in Richtung der Wandung des Schlauchgehäuses (7). Die Doppel-Schlauchmembrane (8, 9) drückt infolgedessen den Steuerteller (20) in die Richtung des Steuergehäuses (21), sodass der Aktivierungskolben (26) Vorlageflüssigkeit (15) in den Aktivierungskanal (25) verdrängt. Infolgedessen kommt es innerhalb des Aktivierungskanals (25) zu einer Druckerhöhung.
Das kombinierte Leckage- und Ergänzungsventil (2) ist in Figur 3 dargestellt. Der erhöhte Druck im Aktivierungskanal (25) wirkt auf den Steuerkolben (34), welcher das Leckageventil (30) gegen die Kraft der Feder (32) öffnet. Nun wirkt der anliegende Systemdruck über den Verbindungskanal (36) auf das Ergänzungsventil (31), das durch die Feder (33) gegen seinen Sitz gedrückt wird. Liegt hier nun ein Druck kleiner des Öffnungsdrucks des Ergänzungsventil (31) an, öffnet das Ergänzungsventil (31) und ergänzt über den Verbindungskanal (36) eine vordefinierte Menge an Vorlageflüssigkeit (15) aus dem Öl-Reservoir (11) in den Pumpenraum. Ist der anliegende Druck größer als der Öffnungsdrucks des Ergänzungsventil (31), bleibt das Ergänzungsventil (31) geschlossen. Das Öl-Reservoir (11) weist ein Druckbegrenzungsventil (12) auf.

Claims

Membrankolbenpumpe mit einer Leckagesteuerung, wobei im Bereich der Membrane eine Steuereinheit (1) vorgesehen ist, die durch den Druck der Membrane (8, 9) während des Saughubs aktivierbar ist, wobei die Steuereinheit (1) hydraulisch mit einem Leckageergänzungsventil (2) verbunden ist, über das Vorlageflüssigkeit (15) in den Kolbenraum der Membrankolbenpumpe abgebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Leckageergänzungsventil (2) erst bei Aktivierung eines Leckageventils (30) wirksam ist, wobei das Leckageventil (30) hydraulisch aktivierbar ist.
Membrankolbenpumpe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (1) zwischen dem Kolben (10) der Membrankolbenpumpe und der sekundären Schlauchmembrane (9) angeordnet ist, wobei ein von der sekundären Schlauchmembrane (9) beaufschlagbarer Steuerteller (20) mit einer Steuerstange (23) in Längsrichtung gegen eine Rückstellkraft verschiebbar geführt ist, wobei die Steuerstange (23) einen Aktivierungskolben (26) für die hydraulische Verbindung mit dem Leckageventil (30) aufweist.
Membrankolbenpumpe gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Leckageventil (30) einen Steuerkolben (34) aufweist, bei dessen Druckbeaufschlagung das Leckageventil (30) öffnet, so daß der anliegende Druck in der hydraulischen Verbindung über einen Verbindungskanal (36) auf ein Ergänzungsventil (31) wirkt, um dieses bei Anliegen eines kleineren Drucks als dem Öffnungsdruck des Ergänzungsventils (31) gegen eine Rückstellkraft zu öffnen.