JP4153166B2 - ダイヤフラムポンプとダイヤフラムポンプを制御するための装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、吐出スペースと排出体スペースを分離しているダイヤフラムの位置を制御するための装置と、油圧作動媒体用であって補充ユニットを介して排出体スペースと接続しているストレージタンクとを有するダイヤフラムポンプに関するものである。
【０００２】
そのほかに本発明は、ダイヤフラムポンプの吐出スペースと排出体スペースを分離し、かつ往復運動している排出体によって油圧作用媒体を介して駆動されているダイヤフラムの位置を制御するための方法に関するものであって、その際に該排出体スペースは、必要があれば配管を介して油圧作動媒体を補充させられる。
【０００３】
この種のポンプは、例えばEP A1 0 085 725によってピストンダイヤフラムポンプとして知られている。該ピストンダイヤフラムポンプは、排出体ピストンを有しているのであって、該排出体ピストンは、油圧作動媒体で完全に満たされた排出体スペース内で往復動式に往復運動させられる。これによって吐出スペースと排出体スペースとの間に配置されたダイヤフラムは、ピストン容積に準じたダイヤフラムストロークを実施する。
【０００４】
吸込みストロークの際には吸込みバルブを介して吐出されるべき液体が吐出スペース内に流れ込み、そして吐出ストロークの際に吐出バルブを介して排出される。
【０００５】
排出体スペース内には大抵の場合に、限定された範囲内においてスライド可能な支持プレートが存在しているのであって、該支持プレートは、吸込みストロークの終わりに過大なたわみが生じないようにダイヤフラムを保護する。
【０００６】
一定の運転時間後に不可避的に現れる油圧作動媒体の喪失によって、吸込みストロークの終わりにダイヤフラムの位置が緩やかに排出体スペースへと向かって移動する場合には、ダイヤフラムは支持プレートに到達するか、あるいはダイヤフラム位置を検出するタペットに到達する。支持プレート、あるいはタペットは、スプリングの圧力に抗してダイアフラムによって排出体作動スペースの方向へと移動させられる。その際にダイヤフラムの位置か、あるいは支持プレートかのいずれかを直接的に検出するタペットは、機械的に補充バルブを解放するのであって、該補充バルブは、排出体作動スペース内で支配している負圧によって開き、そしてストレージタンクから油圧作動媒体を排出体作動スペース内へと流入させる。これによってダイヤフラムと支持プレートは、スプリングの圧力のもとで再び吐出スペースの方向へと移動する。この運動経過中に補充バルブの閉保持装置も再び吐出スペースの方向へとスライドし、そして補充バルブを閉じる。
【０００７】
もともと溶解していた空気を油圧作動媒体から駆逐させた結果として、ダイヤフラムポンプの吐出挙動が損なわれることがある。そのような場合には、排出体スペースから油圧作動媒体の容積が漏れる可能性がある。この目的のためにいわゆる排気バルブが設けられているのであって、該排気バルブは、過剰な容積の油圧作動媒体、あるいは遊離された容積の空気の逸散を可能にする。ダイヤフラムポンプの初回稼働の際に、あるいは接続されたポンプ駆動装置の設定されたストローク長さを変更する際に、排気バルブは、機械的補充装置の機能を保証するために過剰な量の油圧作動媒体を排出体スペースから排出させるのにも用いられる。
【０００８】
そのような排気バルブは、例えば出願人の会社の印刷物「ＡＲＥＸ」によって知られている。
ダイヤフラムの瞬間の位置を機械的に検出するための代替物として、EP B1 0 607 308において電子式センサによってダイヤフラムの極限位置を直接的に検出することが提唱されている。位置センサの電子信号は、制御ユニット内において所与の最大値と比較される。該最大値を上回る場合に、補充バルブを開くための信号が発生されるのであって、該信号は、ダイヤフラムの過負荷を防止する。この公知の解決法の短所は、ダイヤフラムの位置を検出するために該ダイヤフラムに質量の付随したマグネットを固定せねばならないということであって、該マグネットの磁場は、電子式センサによってダイヤフラムの位置を検出するために必要とされる。これによって起因された、ダイヤフラムの不連続な質量付加によって、ダイヤフラムに局所的に著しい荷重が生じる可能性があり、該荷重が、ダイヤフラムの予想寿命を不利に短くさせることになる。排出体スペース側のダイヤフラム装置、あるいは支持プレートを放棄することに基づいて、吸込み配管内での、バイパス空気圧よりも高い流入圧力水準による運転の際に、油圧スペースの補充は、補充すべき量の油圧作動液が追加的な圧力発生器によって吸込み配管の流入圧力よりも若干大きな圧力以下にさせられるときに限り可能である。付加的にダイアフラム装置の不在が、特定の運転状態のもとでダイヤフラムの過負荷へとつながる可能性がある。
【０００９】
US 5,056,036 によって吐出スペースを排出体スペースから分離しているダイヤフラムの位置を制御するための装置を有するダイヤフラムポンプが知られているのであって、該ダイヤフラムポンプにおいては油圧作動媒体向けストレージタンクは、補充ユニットを介して排出体スペースと接続している。公知の装置は、評価ユニットと接続されている２個の近接センサを備えている。制御の目標は、ピストンの往復運動中に吐出スペースを通じて流れる、あらかじめ正確に定められた吐出容積を測定することである。この目的のために、ピストンは位置センサによって測定されるべき作動ストロークにわたって移動させられるのであって、その際に油圧は、ダイヤフラムを介して吐出スペースへと伝達され、そして該吐出スペースから所望の吐出量が排出させられる。そのあとバルブが開かれ、その結果、ピストンがさらに運動すると補助液体が排出体スペースから中間タンク内に流れることが出来る。これによってその後のピストンの運動中に吐出スペースからの油圧作動液のさらなる吐出が行われないことが達成される。その際に排出体スペース内の補助液体の容積は、劇的に変化する。従って公知の装置は、ピストンストローク中に吐出スペースを通じて流れる吐出容積を制御する。
【００１０】
DE 43 09 380 A1 によってポンプシステムを監視する方法が知られているのであって、該方法においてはポンプによって吐出される量は、ポンプの作動ストロークと比例させられ、そして限界値を上回るとアラームが発せられる。吐出される量は、一種の圧力センサによって間接的に決定される。ダイヤフラムの位置の制御装置は、設けられていない。
【００１１】
最後にDE A1 43 36 823においてダイヤフラムプロセスポンプのダイヤフラムの位置を電子的にチェックするための装置が知られているのであって、該装置においては電気機械式、あるいは電子式のセンサおよび受信器によってダイヤフラムの位置が決定される。電子式評価ユニットによって、過負荷による破損、あるいは早期摩耗を防止するところの正確な制御のために信号が生み出されるのであって、該信号は、排出体スペース内への油圧作動媒体の流入を制御する。ダイヤフラムの位置を検出するために、電気機械式ピックアップが提唱されているのであって、該ピックアップは、スプリングによって負荷をかけられたタペットを介してダイヤフラムの位置を直接的に検出する。この場合においてもダイアフラムはタペットの力によって追加的に荷重がかけられ、このことは基本的にはダイヤフラムの予想寿命の低下へとつながる。
【００１２】
本発明の課題は、排出体スペースの容積を出来る限り簡単に制御出来るダイヤフラムポンプを生み出すことであって、その結果、ダイヤフラムが保護され、そしてポンプの信頼性が全般的に向上させられる。
【００１３】
この課題は、特許請求の範囲の前文に基づくダイヤフラムポンプのもとで排出体スペース内に圧力センサが配置されていることによって解決されるのであって、該圧力センサは、評価ユニットと接続されていて、該評価ユニットは、圧力センサによって測定された圧力が低下する場合に、あるいは該圧力から導かれた数値が所与の限界値以下に低下する場合に補充信号を発生させるために形成されているのであって、該補充信号は、作用接続によって補充ユニットを作動させるよ うに制御されている。
【００１４】
排出体スペース内に配置された圧力センサは、吸込みストローク中での負圧の発生を評価ユニットに通報する。そこではこの信号は、例えば所与の限界値と比較される。所与の限界値を上回ると、評価ユニットは、排出体スペースに油圧作動液を補充するように働きかける信号を発生する。この方法によってダイヤフラムの過負荷が確実に防止される。限界値は、様々な運転状態に容易に適合させることが出来る。圧力センサは、可動部品を呈していないので、機械式システムに比べて信頼性が有利に向上させられる。ダイヤフラムは、圧力センサによって付加的に荷重が及ぼされることがない；それは、圧力センサがダイヤフラムと直接接触しているのではなく、油圧作動媒体としか接触していないためである。
【００１５】
これによって本発明は、油圧的にリンク結合されたダイヤフラムポンプの排出体スペース内での時間的圧力経過の電子的評価に基づいている。選択的には排出体の位置にこの圧力経過を割り当てることも有利に行われる。排出体スペースの適正な充填は、コンピュータユニット上で進行するアルゴリズムによって、そして作用接続を介して作動させられる補充ユニットによって保証される。現れるリーク、あるいは排出体スペース内での油圧作動媒体の不足が検知され、そして再び補われる。
【００１６】
ダイヤフラム向け支持プレートが排出体スペース内に配置されている場合、ダイヤフラムが吸込みストロークの際に支持プレートに接触すると、直ちに排出体スペース内に付加的な著しく顕著な負圧パルスが発生される。この負圧パルスは、評価ユニットによって更に正確に評価され、そしてそれから補充のための信号が生み出されるのであって、このことは、ポンプの信頼性を有利に向上させる。このあと補充過程を開始させるために例えば、次の２つの基準が同時に満たされているかどうかが評価ユニットによってチェックされる。すなわちその２つの基準とは、ダイヤフラムがその後方で接触すること、および油圧スペース内の圧力がストレージタンク内の周囲圧力よりもわずかに小さいことである。
【００１７】
補充ユニットがバルブとして形成されている場合、とりわけ望ましくは補充配管に配置されている電気作動式バルブとして形成されている時に、補充は格別有利に実現出来る。該補充配管は、排出体スペースと、油圧作動媒体向けストレージタンクとの間の接続を生み出すことが出来る。運転中のダイヤフラムポンプにも簡単に後付け出来、その結果、補充バルブの電子制御のメリットは、古いポンプのもとでも利用出来る。
【００１８】
評価ユニットが排気信号を発生させるように形成されていて、該排気信号は排気ユニットを作動させるように制御されていることによって、排出体の作動サイクル中のある時点において、該時点では排出体スペースの圧力は油圧作動液向けストレージタンク内の周囲圧力よりも大きいのであるが、必要があればもともと油圧作動媒体中に溶解していた遊離された空気を排出体スペースから排出させることが出来る。
【００１９】
排出体スペースの排気と補充は、様々な時点で行われるので、別々のバルブを放棄するのが有利である。これら２つの機能は、排気バルブと補充バルブが構造ユニットとして形成されている場合には、１つのバルブによって満たすことが出来る。選択的には、もともと油圧作動媒体中に溶解していた、かつ遊離された空気を補充バルブそのものによって、並びに別の、例えば電気機械式に制御された同一構造の排気バルブによっても排出体スペースから排出させることが出来る。補充バルブと排気バルブは、同一構造で製造出来る。排気過程と補充過程は、それぞれ必要に応じて行われるのであって、作動サイクルごとに必ずしも行う必要はない。
【００２０】
位置センサを使用しない別の可能性は、排出体スペース内の圧力センサへの信号接続に加えて評価ユニットへの信号接続を有するダイアフラムポンプの吐出スペース内に圧力センサを配置することである。評価ユニット内では両方のセンサ信号の結合を、例えば差分形成装置を介して行うことが出来、そして補充信号、あるいは排気信号を発生させることが出来る。
【００２１】
これによって同じく補充バルブと排気バルブの確実な作動があらゆる運転条件のもとでも保証されている。
圧力センサは、選択的に吐出スペースおよび排出体スペースのひずみを検出するためのセンサとして製造されていて良い。これらのセンサは、圧力信号に比例した信号を提供する。評価装置との然るべき信号接続によって補充信号、あるいは排気信号を発生させるための評価を行うことが出来る。
【００２２】
排出体の位置を通報するための位置センサが設けられていること、そして位置センサから評価ユニットへの信号接続が設けられていることによって、排出体スペース内の圧力の検出に加えて排出体の位置の決定が有利に行われる。ピストンの位置のこれらの追加的な情報と、ピストンの位置と圧力信号との結合が、間違った時点での排気バルブ、あるいは通気バルブの作動を確実に防止するところの追加的なインターロックを可能にする。
【００２３】
さらに評価ユニットへのそれぞれの信号接続を伴う、吐出スペース内での圧力センサの配置、排出体スペース内での圧力センサの配置、および排出体の位置を検出するための位置センサの配置、およびこれら３つのすべてのセンサ信号の組み合わせ評価が可能である。
【００２４】
ダイヤフラムポンプの吐出スペースと排出体スペースを分離しているダイヤフラムの位置を制御するための方法において、その際に油圧作動媒体が流れるダイヤフラム向け支持プレートを備えた排出体スペースは、補充ユニットを介して排出体スペースと接続されているのであるが、この課題の本発明に基づく解決案は、排出体スペース内の圧力信号がセンサによって検出され、そして評価ユニットへと送られること、そして該評価ユニットが、圧力センサによって検出された圧力またはこれから導かれた値が所与の限界値より低下したとき、必要があれば排出体スペースを油圧作動媒体で補充し、そして必要があればもともと油圧作動媒体中に溶解していた、遊離されたガス成分を排出体スペースから排気させることを見込んでいる。
【００２５】
特定の前提条件のもとでは、測定された実測信号の代わりに時間の導関数、あるいは距離の導関数も信号として処理出来る。
排出体スペース内の圧力は、センサによって有利に検出され、そして評価ユニットへと送られのであって、該評価ユニットは、その信号をもとにして特定のアルゴリズムに従って排出体スペースの排気を行わせる。
【００２６】
排出体の位置が例えば駆動シャフトの角度センサによって検出され、そして評価ユニットへと送られ、そして該信号が評価ユニットによって排出体スペ−ス内の圧力と結合されるという措置によって、この方法の信頼性が向上させられる。
【００２７】
選択的に、あるいは補足的に排出体スペ−スの補充および／あるいは排気を行わせるために吐出スペース内の圧力を検出し、評価ユニットに送り、そして評価ユニットによって排出体スペ−ス内の圧力と結合させることも出来る。
【００２８】
１つの有利な実施形態において図面を参考にして本発明を記述することにする。その際にその他の有利な詳細は、図面から読み取ることが出来る。その際に機能的に同じ部品には同じ参照番号が付けられている。
【００２９】
図１には、本発明に基づく電子制御装置を有する油圧的にリンク結合されたダイヤフラムポンプヘッドの構造が示されている。このダイヤフラムポンプヘッド１２の吐出スペース１内には、時間と関連して図２による圧力経過が典型的に現れる。その際に排出体３の往復運動は、排出体スペース２内に含まれている、変動圧力を受ける油圧作動媒体によってダイヤフラム４に伝達される。排出体スペース２内において意図されたリーク、あるいは予想外のリークが現れると、そこでは油圧作動液の不足が生じる。その結果、ダイヤフラム４は吸込みストロークの終わりに、排出体３がその後方の死点位置に達する前に、排出体スペース内に配置された、作動液の流れる、特に穴明きプレート５として形成された後方の装置に達する。ダイヤフラム４と排出体３の運動は、これによって切り離される。吐出スペース１内の、圧力センサ１９によって検出される圧力は、そのあと吸込み配管１３内での圧力レベルにとどまっている。排出体スペース２内の圧力は、油圧作動液の蒸気圧に至るまで吐出スペース１内でのレベル以下に低下する。油圧的にリンク結合された図１に基づくダイヤフラムポンプヘッドの排出体スペース２内で典型的に生じる、かつ圧力センサ６によって検出可能な時間的圧力経過は、図３に示されている。図２と比べて吸込みストロークの終わりでの圧力の低下が明確に確認出来るのであって、該圧力は、ダイヤフラム４が穴明きプレート５に接触する場合に生じる。
【００３０】
補充過程は、補充バルブ９によって行うことが出来る。それは、ストレージタンク１１内での周囲空気圧のもとにある油圧作動液から排出体スペース２へと向かって圧力勾配が存在するためである。吸込みストロークの終わりでの油圧スペース２内での圧力低下の検出は、圧力センサ６の信号の評価を介して、および必要があれば追加的に評価ユニット８内で位置センサ７の信号と結合することによって行われる。評価ユニットは、自由にプログラミング出来るコンピュータユニットとして形成されている。位置センサ７は、排出体３の瞬間の位置を表示する。位置センサ７と圧力センサ６の信号を結合することによって、例えば液体の振動による排出体スペース２内での障害となる圧力低下、あるいは吸込み配管内での横断面積の狭まりによる絞りが補充過程の開始へとつながることが防止される。評価ユニット８で進行しているアルゴリズムは、補充バルブ９による補充過程の阻止と許可を賢明に決定する。
【００３１】
付加的にコンピュータユニット８のアルゴリズムは、排出体スペース２からストレージタンク１１へと向かって圧力勾配が存在すれば直ちに、補充バルブ９とは別の時点で排気バルブ１０を許可することが出来る。この方法で、例えばポンプ駆動装置のストローク変化の結果としての余剰な油圧作動媒体、および／あるいはもともと油圧作動媒体内に溶解されていた、遊離されたガスを排出体スペース２から排出させることが出来る。補充過程と排気過程を時間的に分離することによって、それ以外の点では同一構造のバルブ９と１０の両方の機能を１つの構成部品によって実現させることが可能である。
【００３２】
時点ｔ_oではピストンは、そのダイヤフラム側の終端位置にある。この時点では、吐出バルブ１６が閉じている。その後ピストンは、油圧作動媒体が時点ｔ₁で吸込み配管内での平均圧力Ｐ_smに達して、吸込みバルブ１５が開くまで、排出体スペース内に含まれている油圧作動媒体を含めて閉じられた吐出バルブ１６と吸込みバルブ１５との間に閉じ込められている吐出媒体を膨張させる。時点ｔ₂でダイヤフラム４が穴明きプレート５に接触し、そして排出体スペース２内の圧力が吸込み配管Ｐ_sm内での平均圧力以下に低下するまで、ピストンはさらに移動し、そして吐出配管から吐出媒体を吸い込む。時点ｔ₃で補充バルブ９が短時間開く。それによってピストンは、その逆転位置を越え、そして時点ｔ₄で吸込みバルブ１５が閉じられる。吐出スペース１内に閉じ込められた媒体は、そのあと吐出配管Ｐ_dmの平均圧力に至るまで圧縮される。この平均圧に達すると直ちに、時点ｔ₅で吐出バルブが開く。ピストンのその後の運動中に、ピストンがその他方の逆転位置に達し、そして吐出バルブが時点ｔ₆で閉じられるまで、吐出容積が吐出スペース１から吐出バルブ１６によって排出される。そのあと新しい作動サイクルが始まる。線図は、理想化された描写を示している。実践においては偏差が存在するのが一般的である。例えば、吸込み配管と吐出配管の衝撃によって、並びに排気過程によって線図が変化する可能性がある。
【００３３】
評価ユニット８の、補充過程の開始を記録してその頻度を求めるカウンタによって、シールの機能をチェックすることも出来る。リーク挙動に応じて必要であればメインテナンスを行うことが出来る。最後にポンプの組立もよりいっそう簡便になる。それは、機械式補充装置の調整が不要になるためである。所定の調整過程は、運転中に評価ユニットで直接行うことが出来る。
【００３４】
故に評価ユニットは、不揮発性データメモリを呈しているのが有利であって、該データメモリは、運転が中断された場合にストローク数に関する然るべきデータを後の診断のために記憶し、そしてそのあと読み出し可能なようにデータを提供出来る。
【００３５】
評価ユニット８が付加的に通信ネットワークへのインターフェースを備えている場合、ポンプの作動方法を遠隔地からチェックし、そして場合によってはエラーを検出することが可能である。
【００３６】
この方法で生産プロセスに関する有用な、さらなる情報を提供する通信ネットワークにダイヤフラムポンプを組み込むことを可能にするところのダイヤフラムポンプが生み出されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 排出体スペースを充填するための電子制御装置を有する油圧的にリンク結合されたダイヤフラムポンプヘッドの模式図。
【図２】 補充過程がない場合での油圧的にリンク結合されたダイヤフラムポンプの吐出スペース内での圧力経過の線図。
【図３】 油圧的にリンク結合されたダイヤフラムポンプの排出体スペース内での圧力経過の線図。
【符号の説明】
１ 吐出スペース
２ 排出体スペース
３ ピストン（排出体）
４ ダイヤフラム
５ 穴明きプレート（支持プレート）
６ 圧力センサ
７ 位置センサ
８ 評価ユニット
９ 補充バルブ
１０ 排気バルブ
１１ 油圧作動液向けストレージタンク
１２ ダイヤフラムポンプヘッド
１３ 吸込み配管
１４ 吐出配管
１５ 吸込み配管
１６ 吐出バルブ
１７ 制御線
１８ 信号線
１９ 圧力センサ

Claims (9)

1. 吐出スペース（１）と排出体スペース（２）をダイヤフラム（４）で分離し、
   ダイヤフラム（４）の位置を排出体（３）の往復運動により制御し、
   排出体スペース（２）と連通しているストレージタンク（１１）を有するダイヤフラムポンプにおいて、
   排出体スペース（２）に接続した圧力センサ（６）の出力信号を評価ユニット（８）に送信し、
   評価ユニット（８）は、圧力センサー（６）により検出された圧力値が所与の限界値より低下したとき補充バルブ（９）に補充信号を送信し、補充バルブを開動作し、
   油圧作動媒体をストレージタンクより排出体スペースへ補充する
   ことを特徴とするダイヤフラムポンプ。
2. ダイヤフラムの支持プレートは、排出体スペース内に設置されていることを特徴とする請求項１に記載のダイヤフラムポンプ。
3. 補充バルブは補充信号により駆動される電気作動式バルブであることを特徴とする請求項１ないし２のいずれか１項に記載のダイヤフラムポンプ。
4. 評価ユニットは、排気信号を出力し、
   排気バルブを作動させる
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のダイヤフラムポンプ。
5. 排気バルブ（１０）と補充バルブ（９）は、１つの構造ユニットとして構成されている
   ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のダイヤフラムポンプ。
6. 圧力センサ（１９）を、吐出スペース（１）に接続し、
   圧力センサ（１９）の出力信号を評価ユニット（８）に送信する
   ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のダイヤフラムポンプ。
7. 排出体（３）の位置を検出する位置センサ（７）を設置し、位置センサ（７）の出力信号を評価ユニット（８）へ送信する
   ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のダイヤフラムポンプ。
8. 吐出スペース（１）と排出体スペース（２）をダイヤフラム
   で分離し、
   ダイヤフラム（４）の位置を排出体（３）の往復運動により制御し、
   排出体スペース（２）と連通しているストレージタンク（１１）を有するダイヤフラムポンプにおいて、
   排出体スペース（２）に接続した圧力センサ（６）により圧力を検出し、
   検出された圧力信号を、評価ユニット（８）へ送信し、
   評価ユニットは圧力センサ（６）によって検出された圧力信号が所与の限界値より低下したとき補充バルブに補充信号を送信し、
   補充バルブが開動作することにより、大気圧によりストレージタンクより排出体スペース（２）に油圧作動媒体が補充される
   ことを特徴とするダイヤフラムポンプの制御方法。
9. 位置センサ（７）にて排出体（３）の位置を検出し、
   位置センサにて検出した排出体の位置信号を評価ユニット（８）へ送信し、
   評価ユニットにて、排出体の位置が所与の位置と下死点との範囲内であり、排出体スペース内の圧力が所与の値より低下した時のみ、評価ユニットが補充信号を出力する
   ことを特徴とする請求項８に記載の方法。

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