WO2003102419A1

WO2003102419A1 - Dosiereinrichtung mit einer membranpumpe und einem elektromotor

Info

Publication number: WO2003102419A1
Application number: PCT/EP2003/005467
Authority: WO
Inventors: Klaus Rutz; Andreas Ruppert; Robert Scheurl
Original assignee: Ecolab Inc.
Priority date: 2002-06-01
Filing date: 2003-05-26
Publication date: 2003-12-11

Abstract

Mit einer Dosiereinrichtung mit einer Membranpumpe und einem Elektromotor, mit dem Membranpumpenkopt der Membranpumpe verbuden ist, soll eine Losüng geschaffen werden, mit der mit möglichst geringen apparativen und Steuerungstechnischen Aufwand eine Dosierung weitgehend ohne Dosierpausen möglich ist. Dies wird dadurch erreicht, dass die Membranpumpe zwei parallele, gleichläufig arbeitende Membranpumpenköpfe (4) aufweist, welche jeweils mit der Abtriebswelle des Elektromotors (1) verbuden sind.

Description

"Dosiereinrichtung mit einer Membranpumpe und einem Elektromotor"

Die Erfindung betrifft eine Dosiereinrichtung mit einer Membranpumpe und einem Elektromotor, wobei die Abtriebswelle des Elektromotors mit dem Membranpumpenkopf der Membranpumpe verbunden ist.

Dosiereinrichtungen dieser Art mit von einem Elektromotor angetriebener Dosierpumpe finden vielfach zur mengengenauen Dosierung von Flüssigkeiten verschiedenster Art Verwendung. Dabei werden bei solchen Dosierpumpen vorzugsweise Asynchronmotoren eingesetzt, welche von einem 230 V oder 115 V Standardbetriebsnetz mit Wechselspannung und mit Wechselstrom mit einer Netzfrequenz von 50 bzw. 60 Hertz versorgt werden. Solange an dem Asynchronmotor dieser Dosierpumpen eine Netzspannung von 230 V und die Netzfrequenz von 50 bis 60 Hertz anliegt, verlaufen die Asynchronmotoren mit einer lastabhängigen nahezu konstanten Drehzahl. Über eine Getriebeanordnung wird die Motordrehzahl in Pumpenhübe umgesetzt, die ein die jeweiligen Pumpensaug- und Pumpendrucktakte bewirkendes Pumpenelement, beispielsweise eine Membran oder ein Kolben, vollzieht. Ein Hub besteht aus jeweils einem Saug- und einem Drucktakt der Pumpe. Von einem geeigneten Taktgeber werden dem Asynchronmotor elektrische Ansteuerungsimpulse zugeführt, die den Asynchronmotor jeweils einen Hub des Pumpenelementes (beispielsweise Membran) vollziehen lassen. Die Ansteuerungsimpulse werden solange wiederholt, bis die für die gewünschte Dosiermenge erfolgte Anzahl an Hüben ausgeführt ist. Aus dieser Anzahl an Hüben setzt sich eine Dosierphase der Pumpe zusammen.

Bei solchen, beispielsweise aus DE 198 23 156 A1 bekannten Pumpen liegt während eines jeweiligen, aus Saugtakt und Drucktakt bestehenden Hubes eine Wechselspannung mit konstanter Frequenz an, so dass Saugtakt und Drucktakt die gleiche zeitliche Dauer in Anspruch nehmen. Dies führt dazu, dass für die dem jeweiligen Drucktakt entsprechende Zeit Produkt in die an die Pumpe angeschlossene Dosierleitung gefördert und anschließend für die gleichlange Zeit des Saugtaktes in der Dosierleitung eine Stillstandsphase oder Dosierlücke auftritt, bevor dann mit einem erneuten Drucktakt wieder Produkt in die Dosierleitung gefördert wird. Dies kann zu einer unbefriedigenden Produktförderung in der Dosierleitung führen, wobei eine Verbesserung des Dosierverhaltens gemäß DE 198 23 156 A1 dadurch erreichbar ist, dass bei jedem Pumpenhub an den Asynchronmotor während des Pumpensaugtaktes eine elektrische Wechselspannung mit höherer Frequenz und während des Pumpendrucktaktes dieselbe elektrische Wechselspannung mit gegenüber dem Pumpensaugtakt niedriger Frequenz angelegt wird. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, die zeitliche Länge bzw. Dauer von Saugtakt und Drucktakt eines Hubes unterschiedlich auszugestalten. Gleichwohl findet unverändert während des Saugtaktes eine, wenn auch kürzere, Stillstandsphase statt.

Aus DE 195 03 360 A1 ist eine Pumpe mit einer Strömungsregulierung mit einem Pumpenantriebsmotor und einer Pumpenregelung mit einer Druckmesseinrichtung zum Messen des Auslassdruckes einer von der Pumpe geförderten Flüssigkeit bekannt. Die gewünschte Dosierkonstanthaltung basiert dabei auf dem Prinzip der Druckmessung. Aus DE 196 30 384 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer mittels eines Wechselstrom- oder Drehstrommotors angetriebenen Pumpe bekannt, wobei dem Drehstrommotor ein Frequenzumrichter vorgeschaltet ist und im oder nach dem Frequenzumrichter eine Messung elektrischen Stromes erfolgt. Aus EP 0 084 070 B1 ist eine Pumpe mit zwei Dosierkammern bekannt, denen jeweils eine, d.h. insgesamt zwei Schrittmotoren zugeordnet sind. Die Mengenmessung erfolgt über Drucksensoren. Diese Pumpe ist offensichtlich sehr aufwendig, da zwei Antriebsmotoren benötigt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung zu schaffen, mit der mit möglichst geringem apparativen und steuerungstechnischen Aufwand eine Dosierung weitgehend ohne Dosierpausen möglich ist.

Diese Aufgabe wird mit einer Dosiereinrichtung der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Membranpumpe zwei parallele, gleichläufig arbeitende Membranpumpenköpfe aufweist, welche jeweils mit der Abtriebswelle des Elektromotors verbunden sind. Erfindungsgemäß wird somit eine Dosiereinrichtung vorgeschlagen, bei der ein einziger Motor über ein geeignetes Getriebe zwei gleichläufig arbeitende Membranpumpenköpfe ansteuert. Dadurch befindet sich ein Pumpenkopf immer im Dosiertakt, während sich der andere gleichzeitig im Ansaugtakt befindet und umgekehrt. Dosierpausen, wie bei bekannten Einkopfmembranpumpen entstehen offensichtlich nicht. Der Steuerungsaufwand ist gering, es wird lediglich ein zusätzlicher Membrankopf gegenüber herkömmlichen Einkopfmembranpumpen benötigt.

Die getriebetechnische Verknüpfung zwischen dem Motor und den beiden Membranpumpenköpfen läßt sich auf einfachste Weise dadurch realisieren, dass die beiden Membranpumpenköpfe jeweils über eine Pleuelstange mit einem Exzenter der Abtriebswelle des Elektromotors verbunden sind.

Ganz besonders bevorzugt ist der Elektromotor ein elektronisch kommutierter Motor (EC-Motor). Diese Motoren zeichnen sich durch einen sehr hohen Wirkungsgrad (ca. 90 %) und durch eine Drehzahlregulierung aus.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Durchflussmesselement vorgesehen ist, das mit der Steuerung des Elektromotors derart verbunden ist, dass in Abhängigkeit von der Durchflussmenge die Drehzahl des Elektromotors veränderbar ist. Da sich auch bei der erfindungsgemäß gestalteten Dosiereinrichtung mit zwei gleichläufigen Membranpumpenköpfen eine gewisse Dosierdiskontinuität im Bereich der oberen und unteren Wendepunkte der Membranbewegung (Totpunkte) nicht vermeiden läßt, läßt sich bei Abfallen des gemessenen Volumenstromes die Dosierdiskontinuität durch eine Drehzahlveränderung, d.h. Erhöhung des Pumpenmotors, wirksam ausgleichen. Dadurch ist auch ein volumenrichtiges Dosieren von nicht Newton'schen Dosiermedien möglich.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt in Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Dosiereinrichtung,

Fig. 2 ein Diagramm, das die Dosiermenge über dem Dosierhub bei einer Einkopfmembranpumpe nach dem Stand der Technik zeigt,

Fig. 3 das entsprechende Diagramm bei einer erfindungsgemäßen Dosiereinrichtung,

Fig. 4 ein Diagramm, das den Quotienten aus Dosierung/ Pumpfrequenz (normiert) über dem Dosierhub zeigt,

Fig. 5 ein der Fig. 4 ähnliches Diagramm mit bestimmter Pumpenmotordrehzahlregelung,

Fig. 6 ein Diagramm, das die Dosier-/ Saugmenge über dem Dosier-/ Saughub bei drehzahlkonstanter Membranpumpe nach dem Stand der Technik zeigt, und in

Fig.7 ein Diagramm, das die Dosierung über dem Dosierhub im Vergleich zwischen einer Membranpumpe nach dem Stand der Technik und nach der Erfindung zeigt.

Eine Dosiereinrichtung zur dosierten Förderung von Flüssigkeit ist in Fig. 1 in Form einer Prinzipskizze dargestellt. Diese Dosiereinrichtung weist eine Membranpumpe mit zwei Membranpumpenköpfen 4 auf, die parallel zueinander angeordnet und saugseitig parallel an ein durch einen Pfeil 6 angedeutetes Flüssigkeitsreservoir angeschlossen sind. Beide Membranpumpenköpfe 4 sind jeweils über eine Pleuelstange 3 mit dem Exzenter 2 einer Motorabtriebswelle 1a eines Elektromotors, vorzugsweise eines elektrisch kommutierten Motors 1 (EC-Motor), angeschlossen. Die Druckseiten der beiden Membranpumpenköpfe 4 sind parallel über ein Durchflussmesselement 5, insbesondere einen Durchflussmengenzähler, zusammengeführt, die von der Dosiereinrichtung geförderte Flüssigkeit tritt in Richtung des Pfeiles 7 aus.

Die Vorteile einer solchen Dosiereinrichtung mit zwei parallelen gleichläufig arbeitenden Membranpumpenköpfen 4 gegenüber Einkopfmembranpumpen nach dem Stand der Technik ergeben sich beim Vergleich der Diagramme nach den Fig. 2 und 3. Fig. 2 zeigt eine Einkopfmembranpumpe nach dem Stand der Technik.

Grundsätzlich ist der Vorteil von Membranpumpen die hohe Beständigkeit gegen verschiedenste Dosiermedien und die hohe Dosierwiederholgenauigkeit auch gegen hohe Gegendrücke.

Bedingt durch das Dosierprinzip einer schwingenden Membran kommt es zu einem Saugtakt, in dem das zu dosierende Medium in den Pumpenraum eingesaugt wird, und dem anschließenden Dosiertakt, in dem das Produkt wieder ausgepresst (dosiert) wird. Hierdurch entsteht eine diskontinuierliche Dosierung, die idealerweise einer Sinuskurve mit nur einer Halbwelle entspricht. In Fig. 2 ist der Dosierverlauf graphisch dargestellt. Die tatsächliche Menge über die Dosierzeit ergibt sich aus dem JVmittei = 1/2 jsin(x)dx, wobei Ymitei die gemittelte Dosiermenge über einen Dosierhub und x den Dosierhub darstellt.

Wenn demgegenüber erfindungsgemäß zwei Membranpumpenköpfe 4 mittels Exzenter 2 und Pleuelstangen 3 an der Abtriebswelle 1a des EC-Motors 1 so montiert werden, dass beide Membranen die gleiche Schwingungsbewegung ausführen, befindet sich ein Membranpumpenkopf 4 immer im Saugtakt, während der andere gerade die Dosierarbeit leistet. Die Dosierkurve ergibt sich dann aus Fig. 3 und läßt sich darstellen als Betrag der Sinusfunktion Y_dosier = l(sin(x) |. Die tatsächliche Dosiermenge bildet sich somit aus dem JYmi_ttei ⁼ Jsin(x)dx. Die Dosierung ist offensichtlich deutlich kontinuierlicher, auch die Dosiermenge verdoppelt sich.

Bei dem vorgenannten Dosierprinzip kommt es bedingt durch die oberen und unteren Wendepunkte der Membranbewegung (Totpunkte) nach wie vor zu diskontinuierlichen Dosierprozessen. Wird die Pumpe nun reziprok zur Sinus- Dosierkurve beschleunigt (Y_rpm = 1/sin(x)), wird theoretisch eine konstante Dosierung erreicht (YDI = Y_rpm ^* YD _Γ = sin(x) ^* 1/sin(x) = 1). Hierzu müßte der Pumpenmotor an den Wendepunkten aber eine unendlich hohe Drehzahl erreichen, was nur in der Theorie möglich ist. Den entsprechenden Verlauf zeigt Fig. 4.

Erfindungsgemäß wird die Pumpe deshalb bis zum Erreichen der maximalen Drehzahl gemäß Y_rpm = 1/sin(x) beschleunigt und dann auf diesen Wert begrenzt. Das in Fig. 5 dargestellte Diagramm zeigt eine Kurve mit einer maximalen Drehzahl von 2 x Nominaldrehzahl. Somit ergibt sich eine mittlere Dosiermenge pro Hub gemäß folgendem Zusammenhang:

m π/2

Ymittel = 2 ^* (Jsin(x)dx + fdx ) 0 m

mit m = arcsin(1/VmF),

wobei Ymitt_ei = gemittelte Dosiermenge über einen Hub, Ydosier = tatsächliche Dosiermenge pro Hub, Y_φm = Pumpenmotordrehzahl, YDI = Dosierung bei idealer Pumpe, Yppr = Dosierverhalten der Membranpumpe, v_mF = max. Frequenz (faktorisiert, bezogen auf Nominaldrehzahl) bedeuten.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung gegenüber Membranpumpen nach dem Stand der Technik zeigt sich bei der Dosiermengenbegrenzung. Während bei drehzahlkonstanten Membranpumpen die Dosiermenge üblicherweise auf mechanischem Weg begrenzt wird (mechanische Phasenanschnittsteuerung durch Anschlagbegrenzung des Kolbensaughubes, siehe Fig. 6), kann bei drehzahlgesteuerten Membranpumpen die Dosiermenge pro Zeit durch Drehzahlreduzierung erfolgen, eine über lange Zeit weitgehend konstante Dosierung ist die Folge. Als großer Vorteil der erfindungsgemäßen Doppelkopfmembranpumpe gegenüber Einfachmembranpumpen ist auch hier, dass es zu keiner Dosierlücke im Saugtakt kommt (siehe Fig. 7, dargestellt nur jeweils ein Dosierhub).

Natürlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Grundgedanken zu verlassen.

Claims

Patentansprüche

1. Dosiereinrichtung mit einer Membranpumpe und einem Elektromotor, wobei die Abtriebswelle des Elektromotors mit dem Membranpumpenkopf der Membranpumpe verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranpumpe zwei parallele, gleichläufig arbeitende Membranpumpenköpfe (4) aufweist, welche jeweils mit der Abtriebswelle des Elektromotors (1) verbunden sind.

2. Dosiereinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Membranpumpenköpfe (4) jeweils über eine Pleuelstange (3) mit einem Exzenter (2) der Abtriebswelle des Elektromotors (1) verbunden sind.

3. Dosiereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (1) ein elektronisch kommutierter Motor (EC-Motor) ist.

4. Dosiereinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchflussmesselement (5) vorgesehen ist, das mit der Steuerung des Elektromotors (1) derart verbunden ist, dass in Abhängigkeit von der Durchflussmenge die Drehzahl des Elektromotors (1) veränderbar ist.