WO2016075043A1 - Membranpumpe zur erzeugung einer nahezu laminaren strömung sowie verfahren zum betrieb einer solchen membranpumpe - Google Patents

Membranpumpe zur erzeugung einer nahezu laminaren strömung sowie verfahren zum betrieb einer solchen membranpumpe Download PDF

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WO2016075043A1
WO2016075043A1 PCT/EP2015/075922 EP2015075922W WO2016075043A1 WO 2016075043 A1 WO2016075043 A1 WO 2016075043A1 EP 2015075922 W EP2015075922 W EP 2015075922W WO 2016075043 A1 WO2016075043 A1 WO 2016075043A1
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conveying
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membrane
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PCT/EP2015/075922
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Stefan Bäder
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Universität Ulm
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/021—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms the plate-like flexible member is pressed against a wall by a number of elements, each having an alternating movement in a direction perpendicular to the plane of the plate-like flexible member and each having its own driving mechanism
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/028—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms with in- or outlet valve arranged in the plate-like flexible member
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/12—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having peristaltic action
    • F04B43/14—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having peristaltic action having plate-like flexible members

Definitions

  • Diaphragm pump for generating a nearly laminar flow and method for operating such a diaphragm pump
  • the present invention relates to a diaphragm pump for generating a nearly laminar flow and to a method for operating such a diaphragm pump.
  • the membrane pump contains at least four conveyor units, each with a conveying element and two valve elements, a cover plate, a base plate, a diaphragm arranged between cover and base plate and a rotatable cam with two trajectories with recesses and control edges.
  • Diaphragm pumps find versatile application in the fields of chemistry, pharmacy, medicine and biotechnology. The steadily growing demands in these fields of work and research make ever more efficient and precise conveyor systems for the transfer of liquids and gas. necessary. Their simple construction and hermetic tightness makes diaphragm pumps particularly interesting for the transfer of difficult media, such as sterile, toxic, gaseous, hot or sticky substances. Their disadvantages are so far in a strong pulsatile conveying behavior, which makes them unsuitable for precise delivery and dosing tasks, in particular at low stroke rates of the conveying elements.
  • Membrane pumps are essentially the following:
  • the dead volume increases in relation to the delivery volume in the delivery chambers.
  • Gas inclusions in the dead spaces not involved in the delivery process lead to reduced performance in the intake and discharge phases and cause fluctuations in the delivery flow as a result of compression or expansion.
  • compressible materials in the pumping rooms such as e.g. unsupported
  • the valve lift creates an additional displacement volume or an incorrect volume during the valve return stroke in the discharge direction, which causes a corresponding fluctuation in the delivery flow.
  • Various measures for improving the pulsatile properties have heretofore been known. The essentials here are the following:
  • the already mentioned measures already mentioned have various disadvantages.
  • the corresponding measures only cause a weakening of the above-described Pulsationsef- effects, but do not prevent their formation.
  • the additional displacement volumes of the valve elements and the change in the valve cross-sections that occur during the delivery phases can only be mitigated to a limited extent by indirect methods.
  • Corresponding methods are thus based predominantly on a damping of already existing pulsation amplitudes, for example by an overlap of individual conveying profiles of corresponding conveyor units and are also highly dependent on the speed. As the speed decreases, the frequency of the pulsation profile decreases, which leads to a reduction in the conveying accuracy, in particular in metering applications, and limits the range of the flow rate.
  • the object of the present invention is therefore to produce a virtually laminar, continuous flow rate by means of a periodically operating diaphragm pump which has a very low residual pulsation in both directions of flow and is based on a purely mechanical process.
  • This task is to be realized with the help of less uncomplicated components be that allow cost-effective production and a small design of the diaphragm pump.
  • the membrane pump contains at least four delivery units each with a delivery element and two valve elements, a cover plate, a base plate with recesses for the delivery elements and the valve elements, a membrane arranged between the cover plate and the base plate, and a rotatable cam plate with two trajectories with recesses and control edges , The trajectories, the recesses and the control edges are arranged so that when a rotation of the cam about a central axis, the conveying elements along one trajectory and the valve elements along the other trajectory move and thereby the conveying elements and valve elements are deflected parallel to the central axis periodically.
  • the cover plate or membrane on delivery chambers and valve chambers and medium-carrying channels are arranged in a position such that when the cam disk rotates about the central axis, the membrane is pressed at the positions of the corresponding delivery chambers and valve chambers by the deflection of the delivery elements and valve elements in the direction of the cover plate.
  • the diaphragm is pressed at the positions of the delivery chambers by the deflection of the conveying elements in the direction of the cover plate, while the membrane at the positions of the valve chambers through
  • valve elements Deflection of the valve elements is pressed in the direction of the cover plate.
  • the delivery chambers and valve chambers are expressed by the deflection of the corresponding conveying elements and valve elements.
  • the base plate is subdivided into at least four sections which all cover an equally large phase angle around the central axis.
  • one of the at least four conveyor units is arranged in each of the at least four sections.
  • the conveying elements are arranged point-symmetrically about the central axis on a circular path and the valve elements are arranged point-symmetrically around the central axis on a further circular path.
  • the two valve elements of a conveyor unit have the same distance from the conveyor element of the same conveyor unit. Due to the special construction of the device according to the invention, it is made possible that the sequence of the delivery phases of the delivery units can take place exactly in time one behind the other. It can thus be achieved that during the entire delivery phase of each delivery unit, the two associated valve elements are at rest, whereby the incoming and outgoing cross sections of the channels to the delivery chambers remain unchanged. Furthermore, in the device according to the invention, an overlap of the control edges can be excluded.
  • the diaphragm pump according to the invention thus has a high speed-independent conveying and reproducing accuracy and is also suitable for the fluctuation-free transfer of liquids and gases in both conveying directions.
  • the problem of overlapping the control edges of valve and conveyor elements, can be prevented by simple design measures.
  • a trajectory according to the invention is understood to mean a curved path, which is an area which is arranged on the curved plate and on which the conveying elements or the valve elements can move around the central axis.
  • This area has sections depressions and control edges.
  • the depressions can take the form of a
  • the conveyor elements and valve elements preferably have a ball, more preferably a steel ball, over which they are in contact with the trajectory of the cam plate.
  • the remaining part of the conveying and valve elements is preferably made of a copper-tin-wrought alloy.
  • the Fettiemente preferably have a larger displacement volume than the valve elements. Accordingly, the delivery chambers have a larger volume than the valve chambers.
  • the recesses of the base plate for the conveying elements and the valve elements may preferably be holes.
  • Diaphragm pump has the membrane delivery chambers and valve chambers and medium-carrying channels, wherein the delivery chambers and valve chambers are arranged in a position such that upon rotation of the cam about the central axis of the corresponding delivery chambers and valve chambers of the membrane by the deflection of the conveying elements and valve elements against the Cover plate are expressed.
  • the membrane is doing at the positions of the delivery chambers and valve chambers through the
  • the membrane is pressed at the positions of the delivery chambers by the deflection of the conveying elements in the direction of the cover plate, while the membrane at the positions of the valve chambers by deflection of the valve elements in the direction of the cover plate is pressed.
  • the delivery geometries ie the delivery chambers, valve chambers or medium-carrying channels, are not integrated in the cover plate but in the membrane.
  • the delivery chambers and valve chambers are in this case preferably designed as hemispherical geometries within the membrane.
  • a cover plate can serve in this embodiment, a simple, flat plate, which is preferably transparent.
  • the advantage of the integration of the delivery chambers, valve chambers and medium-carrying channels into the membrane is that, in contrast to the integration of these elements into the cover plate, the membrane is not pulled apart by the deflection of the delivery elements and valve elements. which is compressed. Since the materials which can be used for the membrane, such as, for example, elastomers, react much more strongly to pressure than to tension, the result here is an improvement in the service life of the membranes or the constancy of their properties.
  • the membrane can be easily produced by injection molding.
  • a diaphragm pump in which the delivery chambers, valve chambers and medium-carrying channels are integrated into the membrane, is therefore very simple and inexpensive to produce, since the delivery geometries (delivery chambers, valve chambers and medium-carrying channels) can be provided simply and inexpensively.
  • the technical properties of the membrane can be adjusted by its thickness and the material used. The cross-sections are almost the same over the entire membrane surface and contain no undercuts, which makes an injection molding production of the membrane easy.
  • the conveyor geometries can be covered with a plane-transparent plate and are thus easily visible.
  • valve chambers and medium-carrying channels can of course also be integrated into the cover plate and not into the membrane in an alternative embodiment.
  • the delivery chambers and valve chamber are arranged in such a position that upon rotation of the cam about the central axis, the membrane within the respective delivery chambers and valve chambers of the cover plate is expanded by the deflection of the delivery elements and valve elements.
  • Valve chambers and medium-conducting channels can be machined into the cover plate, whereby the membrane can be cut out of a plate made of silicone.
  • Diaphragm pump provides that the circular path on which the valve elements are arranged, is further away from the central axis than the circular path on which the conveying elements are arranged. In this way, the compactness of the diaphragm pump can be increased and its size can be reduced.
  • the diaphragm pump comprises four delivery units. holds. Also by this feature an optimal compactness and size can be achieved while optimally inventive functionality of the diaphragm pump. Another preferred embodiment of the invention
  • Membrane pump provides that at a maximum deflection of one of the conveying elements or one of the valve elements, the membrane is pressed at the position of a corresponding delivery chamber or valve chamber, so in the direction of the cover plate that there is no dead space between the membrane and cover plate at this position. As the remaining dead space here are now only the media-leading channels between valve and conveyor elements lead, which ensures easy venting of the delivery routes and a high degree of intake.
  • Diaphragm pump the trajectories and / or the recesses of the trajectories are arranged so that the control edges do not overlap. In this way, overlaps of the valves during switching and resulting suction and pressure effects during the suction or suction can be avoided.
  • the entirety of the delivery chambers, valve chambers and medium-carrying channels is enclosed by a web.
  • the resulting gradation of the end face of the cover plate relative to the web surface has the task of securely fixing the membrane to the
  • Diaphragm pump provides that the trajectories in each case in at least three equal sections, preferably three or nine equally sized sections are divided, each covering a phase angle of the same size, preferably 120 ° or 40 °, around the central axis and the same sized sections each because they are subdivided into four subsections, the first of the four subsections having exclusively a plane surface without depressions, the third one te of the four subsections has only one recess with web edges and the second and fourth of the four subsections has a transition with web edges between the surface without recesses and the recess with web edges.
  • the size of the phase angle around the central axis which cover the respective first and second subsection of the equal sections together, the size of the phase angle around the central axis corresponding to the respective third and fourth subsection of the same cover large portions together, and wherein the size of the phase angle around the central axis, each of which covers the respective first and third subsection of the equal sections individually at least one third and at most three times the size of the phase angle corresponds to the respective second and fourth subsection each covers the same size sections individually.
  • phase angles around the central axis which individually cover the respective subsections of the equal sized sections are the same, preferably 30 ° or 10 °.
  • the midpoint of the respective first subsection of the equal sized sections of the trajectory of the conveying elements is in line with the central axis and the midpoint of the respective first subsection of the equal sections of the trajectory of the valve elements and the midpoint of the respective third subsection is the same large portions of the trajectory of the conveyor elements on a line with the central axis and the center of the respective third subsection of the equal sections of the trajectory of the valve elements lies.
  • the center of the respective first subsection of the equally sized sections of the trajectory of the conveyor elements may be in line with the central axis and the midpoint of the respective third subsection of the equal sections of the trajectory of the valve elements and the midpoint of the respective third subsection of FIGS equal sections of the trajectory of the conveying elements lie on a line with the central axis and the center of the respective first subsection of the same sized sections of the trajectory of the valve elements.
  • the trajectory of the conveying elements in the respective first and third subsection of the same sections is modified so that a missing volume, which is caused by the deflection of a Ventilementes in the corresponding recess of the cover plate, by an additional deflection of the conveying element the same conveyor unit is compensated.
  • a missing volume which is caused by the deflection of a Ventilementes in the corresponding recess of the cover plate, by an additional deflection of the conveying element the same conveyor unit is compensated.
  • Diaphragm pump provides that the conveying elements and the valve elements and the control edges of the cam are arranged so that during rotation of the cam either the valve elements or the conveying element of a conveyor unit are moved parallel to the central axis.
  • Embodiment is thus ensured that the conveying element of a conveyor unit is only moved parallel to the central axis, if neither of the two valve elements is moved parallel to the central axis. In addition, it is ensured that only one of the two or both valve elements are moved parallel to the central axis when the conveying element is not being moved parallel to the central axis. Furthermore, it is preferred that the cover plate and / or the base plate made of plastic, ceramic and / or glass, preferably a transparent plastic or transparent glass, and / or the membrane consists of an elastomer.
  • the cover plate and the membrane are integrally formed.
  • the membrane can be positively connected to the cover plate or extruded in a common tool.
  • the membrane contained in the membrane pump in this embodiment is simultaneously membrane and cover plate.
  • This embodiment is characterized by low manufacturing costs and easier handling, for example for sterile applications.
  • the cover plate and the membrane can of course also be formed in several pieces.
  • the present invention also relates to a method for operating a diaphragm pump according to the invention.
  • the cam is set in rotation about a central axis. Characterized the conveying elements and the valve elements are deflected parallel to the central axis, whereby the membrane is pressed at the positions of the respective delivery chambers and valve chambers in the direction of the cover plate. The delivery chambers and valve chambers are expressed by the deflection of the corresponding delivery elements and valve elements.
  • a preferred variant of the method according to the invention provides that the membrane has delivery chambers and valve chambers as well as medium-carrying channels, the cam disk is set in rotation about a central axis and thereby the delivery elements and the valve elements parallel to
  • Center axis are deflected, whereby the delivery chambers and valve chambers of the membrane are expressed on the cover plate.
  • the membrane is pressed at the positions of the delivery chambers and valve chambers by the deflection of the corresponding conveying elements and Ventilelemen- te in the direction of the cover plate.
  • a further preferred variant of the method according to the invention provides that each conveying element runs through a repetitive conveying period, wherein a conveying period of a conveying element is subdivided into at least four conveying phases running in succession, comprising at least one conveying phase F1, in which the conveying element is in an upper end position, a conveying phase F2, in which the conveying element is guided uniformly axially from the upper end position into a lower end position, a conveying phase F3, in which the conveying element is in the lower end position, and a conveying phase F4, in which the conveying element is uniform from the lower end position is axially guided into the upper end position, and / or each valve element undergoes a repetitive delivery period, wherein a delivery period of a valve element is subdivided into at least 4 successive valve phases, comprising at least one valve phase VI, in which r is the valve element in an upper end position, a valve phase V2, in which the valve element is smoothly guided axially from the upper end position to a lower end position,
  • each delivery unit undergoes at least three, preferably three or nine, delivery periods during one complete revolution of the rotatable cam disc.
  • the diaphragm pump has four conveyor units, wherein in each case one of the conveyor elements in the conveying phase Fl, one of the conveyor elements in the conveying phase F2, one of the conveyor elements in the conveying phase F3 and one of the conveying elements is in the funding phase F4.
  • a further preferred variant of the method according to the invention provides that by reversing the direction of rotation of the cam disk, the direction of the generated almost laminar flow is reversed.
  • Fig. La shows schematically the four delivery and valve phases in their time sequence over a range of 360 ° of the cam.
  • a complete revolution of the cam is subdivided into three delivery periods of 120 °, each with four delivery phases of 30 ° each.
  • the conveying elements are denoted by 5A, 5B, 5C, 5D, the associated valve elements 6 AI, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2.
  • Fig. 1b shows the cam with the schematically on the corresponding trajectories 55, 65 arranged conveying elements 5A, 5B, 5C, 5D.
  • a delivery unit consists of a delivery element with a large displacement volume for dispensing or suction function, and two valve elements with small displacement volumes for shutting off the delivery chamber on the intake side or the delivery side.
  • Conveying elements 5A, 5B, 5C, 5D and valve elements 6A1, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2 are acted upon by a common cam, on which two different, concentrically arranged to the central axis cam tracks 55, 65 are located.
  • a funding period is subdivided over a web contour into the four delivery phases intake, pause before delivery, delivery, pause before intake.
  • the valve elements 6A1, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2 divided over a second trajectory in the phases break before opening, opening, pause before closing, closing.
  • the valve elements are arranged symmetrically offset to the conveyor element by a phase angle of 30 ° each.
  • the curve portion of the trajectory 65 in which a valve remains closed, must extend over two phases (60 °).
  • valve elements are at rest during an entire intake or discharge phase of their conveying element.
  • Fig. 1c and Id show schematically how the geometry of the trajectory for the conveyor elements 5A, 5B, 5C, 5D in the upper and lower end positions of the cam track 55 can be designed so that they are the small incorrect volume of the two valves during the application arise, balance exactly.
  • Fig. 1c is conveying element 5B at the beginning of its delivery phase.
  • the two associated valve elements 6B1 and 6B2 are not acted upon during this phase of 30 °.
  • Valve element 6C2 closes during the first 15 ° of this phase.
  • the resulting additional valve volume is continuously added over an angle of 15 ° to the delivery volume (right lower dark hatched area in Fig. Id).
  • conveying element 5C performs a small return movement over an angle of 15 °, which compensates for the additional volume of valve 6C2 (right upper dark hatched area in Fig. Id).
  • valve element 6A2 opens during the second 15 ° of the phase.
  • the resulting missing volume is continuously withdrawn over an angle of 15 ° from the delivery volume (left upper dark hatched area in Fig. Id).
  • conveying element 5A performs a small upward movement over an angle of 15 °, which is the
  • Absorptive volume of valve 6A2 compensates (left lower dark hatched Area in Fig. Id). All other valve and conveying elements are either at rest during this phase, or are separated during their application from the delivery side.
  • Fig. 2a the flow profile of a conveyor unit, without compensation of the valve volumes and over a delivery period of 120 ° is shown schematically.
  • FIG. 2b shows the flow profile from FIG. 2a with the measures described for compensating the valve volumes.
  • Fig. 2c shows the superimposition of the four flow profiles of the four conveyor units over a delivery period of 120 °.
  • Fig. 3 shows an embodiment in its view from above.
  • the side view is shown from the front in a vertical section AA through the embodiment.
  • the section line AA is selected so that it passes through each delivery element 5A and one of the valve elements 6C2, which are both shown in their upper end position.
  • a hardened cam 4 is mounted on a motor shaft 12 and acted upon by rotation about the motor axis, the conveying elements 5A, 5B, 5C, 5D and valve elements 6 AI, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2.
  • the cam 4 includes an outer trajectory 65 concentric with the motor shaft 12, which periodically deflects the eight valve elements 6A1, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2 in the axial direction, and an inner trajectory 55 which periodically interrupts the four conveying elements 5A, 5B, 5C, 5D deflects in the axial direction.
  • the cam 4 is underlaid with a needle bearing 7.
  • In conveyor and valve elements hardened Stahlkugein 9 are centrally mounted, which roll on the trajectories 55, 56 of the cam 4.
  • Conveying elements 5A, 5B, 5C, 5D and valve elements 6A1, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2 are preferably made of a copper-tin wrought alloy with corresponding sliding properties. Conveying elements 5A, 5B, 5C, 5D and valve elements 6A1, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2 are axially guided in a common base plate 3. The base plate 3 is over four Ab- Stand sleeves 8 bolted to the end face of the engine. The membrane 2 is clamped between cover plate 1 and base plate 3 in such a way that all medium-leading contours on the cover plate 1 are sealed from each other.
  • the membrane 2 is pressed into the corresponding recesses of the conveying chambers 50, 51, 52, 53 of the cover plate 1 in such a way that there is no dead space between the membrane 2 in its upper end position and cover plate 1 is located.
  • the valve elements 6A1, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2 press the membrane 2 against the corresponding shape in the cover plate 1 in such a way that there is no dead space between the membrane 2 and the cover plate 1 in its upper end position.
  • the remindsteli sheet the elastic membrane 2 and thus the suction capacity of the pump are determined by the expansion stress of the membrane 2, in the respective position of the conveying elements 5A, 5B, 5C, 5D.
  • Fig. 3c shows how the membrane 2 for a higher suction capacity
  • Conveying element 5A can be positively connected, and is reset by the spring 10 during the suction movement.
  • Fig. 3b shows the conveying element 5A and the Ventiielement 6C2 in its lower end position of the trajectory.
  • the cross section of the effective delivery volume 53 or the cross section of the valve volume 61b are visible here.
  • the two hose glands 14,15 provide the connections of the medium supply lines 16, 17 for suction and pressure side, according to the direction of rotation of the cam 4 ready. 4, all medium-leading flow paths of the cover plate 1 are shown.
  • the cover plate 1 is screwed via the four holes 25a, 25b, 25c, 25d to the base plate 3 and the diaphragm 2 therebetween.
  • the areas 50, 51, 52, 53 represent the pumping spaces of the pump, while the areas 60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b constitute the spaces for the valve functions.
  • a delivery chamber is connected to two valve chambers.
  • the four valve chambers 60a, 61a, 62a, 63a are connected to the suction side 18, and the four valve chambers 60b, 61b, 62b, 63b are connected to the pressure side 19 of the pump.
  • the two bores 20, 21 connect the four valve chambers 60a, 61a, 62a, 63a or 60b, 61b, 62b, 63b, which operate in the suction or pressure mode, to the hose glands 14, 15, valve chambers 60a, 60b, 61a, 61b , 62a, 62b, 63a, 63b and delivery chambers 50, 51, 52, 53 are arranged concentric to the central axis and circular at an angle of 30 ° ( Figure 4a).
  • the delivery chambers 50, 51, 52, 53 lie on an inner track circle 55, and the valve chambers 60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b on an outer track circle 65.
  • 4a shows the two track circles 55, 65 of the cam disc 4, on which d delivery chambers 50, 51, 52, 53 and valve chambers 60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b of the cover plate 1 are arranged.
  • FIG. 4b shows the cover plate 1 in an expanded embodiment of its end face.
  • all medium-leading surfaces of the cover plate 1 are completely enclosed by a narrow web 22.
  • the gradation of the end face 23 with respect to the web surface 22 has the task of securely fixing the membrane 2 on the cover plate 1. Slipping of the membrane in the direction of the stretched regions 50, 51, 52, 53) is thereby prevented, the pressure on the membrane strong decreases and the sealing effect at higher
  • Fig. 4c shows the cross section of the medium-carrying channels with the set ten th end face 23rd
  • Fig. 5 the side view of the cam 4 is shown in section. In the left half of the sectional view, the lower end position of the trajectory 65 of the valves and the trajectory 55 of the conveyor elements are visible.
  • Conveying elements 5A, 5B, 5C, 5D is determined by the distance between the end face 4s of the cam 4 and the lower end position of the respective trajectory 55, 65.
  • 5a shows the end face 4s of the cam disk 4 with the contours of the two trajectories 55, 65.
  • the trajectories are made by convolution with a radius tool of the same diameter, the ball 14 rolling on the trajectory.
  • the rolling ball 14 at the transition from the lower end position of the corresponding trajectory, into the subsequent gradient, begins exactly at the defined angle.
  • the track diameter is slightly offset on each side when creating the trajectories, the radius tool after each 360 ° revolution.
  • the result is a narrow surface along the recesses of the trajectories on the front side of the cam plate 4, the small horizontal deviations of the positions of the rolling balls 14 tolerated.
  • VI Pause before opening (valve element remains at an angle of 60 ° in the upper end position)
  • V2 Open (valve element is guided evenly, over an angle of 15 °, into the lower end position)
  • V3 Pause before closing (valve element remains at an angle of 30 ° in the lower end position)
  • V4 Close (Valve element is guided evenly, over an angle of 15 °, into the upper end position)
  • phase angles (30 °) of the intake or delivery phases can be varied within a range of +/- 15 ° without overlapping the associated valve movements.
  • the time between the successive intake or delivery phases can be varied, or an overlap of these delivery phases can be defined.
  • Fig. 5c shows a modified embodiment of the trajectory 55 of the conveying elements of this type.
  • the angles of the conveying phases are increased by 1 °, while the angles of the pause phases are reduced by 1 °, so that the four phases of a funding period again an angle of 120 ° taking.
  • a short increase in the flow rate is effected, which compensates for a temporarily lower flow rate in the region of the upper end position of the conveying elements.
  • the short-term lower flow rate is due to the fact that the membrane 2 shortly before reaching its upper end position has the task of completely filling the remaining pumping chamber 53 and therefore without remaining dead space.
  • the volume to be compensated by changing the pitch angle, in which overlapping angular range are set.
  • Fig. 5d shows that the web geometries of the valve elements to the
  • Web geometries of the conveying elements without effect on the functional properties by an angle of 60 ° offset from each other can be arranged.
  • FIG. 6 shows a membrane 2 of an embodiment of the membrane pump according to the invention, in which the delivery chambers 50, 51, 52, 53, valve chambers 60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b as well as medium-carrying channels in the Membrane 2 are integrated.
  • Fig. 6a and 6b the membrane of Fig. 6 is shown in a view obliquely from the front (Fig. 6a) and obliquely from behind (Fig. 6b).
  • Vz volume of the cylinder section of the delivery chamber The thickness of the stretched membrane can be determined to a good approximation in section through the delivery chamber.
  • the stretched length of the membrane, the two linearly stretched areas due to the lifting height and the membrane thickness must be taken into account.
  • Accurate calculation of the membrane geometry is made more difficult by the fact that, when the membrane is clamped between the base and the cover plate, membrane material is expanded in the direction of the delivery spaces and the membrane does not stretch completely linearly.
  • the exact geometries for a dead space-free application of the membrane to the surfaces of the delivery chamber were therefore determined experimentally in the embodiment.
  • the heights of the sphere sections are calculated with:
  • Vk ⁇ x hk 2 x ⁇ ⁇ J
  • Vz ⁇ x rz 2 x hh dk + 2 x bm hm ⁇
  • Vm ⁇ x hm 2 x
  • the delivery volume is then calculated as:
  • V (Vk + Vz - Vm) x 3 delivery periods x 4 delivery units
  • a seamless connection of the four delivery or intake phases of the conveyor units depends on a small concentric deviation of the center point symmetry of the track circles between cover plate 1 and cam 4.
  • the resulting angle error is calculated here as:
  • the embodiment shows that a subdivision of the trajectories on the cam in three funding periods of 120 ° zuiässt a particularly favorable arrangement of the delivery and valve elements. If the trajectory for the valve elements is applied on an outer and the trajectory of the conveying elements on an inner circular path, the valve elements can be arranged to its conveying element in an ideal manner. In addition, it is advantageous that the outer trajectory results in longer path lengths for the slopes of the valve elements enclosing 15 °. In a further embodiment, the trajectories of the conveyor and valve elements can be divided into nine delivery periods of 40 ° for a full circulation of the cam.
  • the pump therefore exhibits a conveying behavior which is independent of the backpressure in a wide delivery range. Due to the design, there are no suction and pressure effects due to the delivery principle. Due to the wide speed range and the very low residual pulsation, a high conveying and reproducing accuracy of ⁇ 1%, in particular at low temperatures, could be achieved
  • Rotational speeds of the cam of ⁇ 1 rev / min are achieved, which makes a large conveying range of> 1: 1000 possible. Due to the free accessibility of the media-contacting surfaces they can be cleaned very easily or polished or coated with appropriate requirements.
  • the silicone membrane used was the only wear part with a good long-term behavior even at higher counter pressures of> 5 bar. Since the strokes are transmitted from the cam to the valve and conveyor elements or the membrane play, is due to the design, with a corresponding design of the drive system, a delay-free starting, stopping or switching the conveying direction to achieve. As the media-leading
  • the pump head can be very easily in the sinter or injection molding process and in various materials such as plastic, ceramic or glass manufacture. With appropriate design of the pump head in a transparent material, all flow paths are visible during operation. Due to the simple compact design, the high delivery precision and the wide delivery range, the pump can be used in a wide range of applications in the various areas of transfer of liquids and gases. Since the pump head with the membrane consists of only two simple components, it can be designed, for example, for sterile applications in medicine as a disposable component. The presented procedure for Pulsationsminimtechnik can be used advantageously in embodiments of piston pumps and micropumps application.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membranpumpe zur Erzeugung einer nahezu laminaren Strömung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Membranpumpe. Die Membranpumpe enthält dabei mindestens vier Fördereinheiten mit jeweils einem Förderelement und zwei Ventilelementen, eine Deckplatte, eine Grundplatte, eine zwischen Deck‐ und Grundplatte angeordnete Membran und eine rotierbare Kurvenscheibe mit zwei Bahnkurven mit Vertiefungen und Steuerkanten. Durch einfache konstruktive Maßnahmen und die spezielle Anordnung der einzelnen Elemente zueinander, wird erreicht, dass die Membranpumpe einen nahezu laminaren, kontinuierlichen Volumenstrom erzeugt, welcher eine sehr geringe Restpulsation aufweist.

Description

Membranpumpe zur Erzeugung einer nahezu laminaren Strömung sowie Verfahren zum Betrieb einer solchen Membranpumpe
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membranpumpe zur Erzeugung einer nahezu laminaren Strömung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Membranpumpe. Die Membranpumpe enthält dabei mindestens vier Fördereinheiten mit jeweils einem Förderelement und zwei Ventilelementen, eine Deckplatte, eine Grundplatte, eine zwischen Deck- und Grundplatte angeordnete Membran und eine rotierbare Kurvenscheibe mit zwei Bahnkurven mit Vertiefungen und Steuerkanten. Durch einfache konstruktive Maßnahmen und die spezielle Anordnung der einzelnen Elemente zueinander, wird erreicht, dass die Membranpumpe einen nahezu laminaren, kontinuierlichen Volumenstrom erzeugt, welcher eine sehr geringe Restpulsation aufweist.
Membranpumpen finden vielfältige Anwendung in den Bereichen der Chemie, Pharmazie, Medizin und Biotechnologie. Die stetig wachsenden Anforderungen in diesen Arbeits- und Forschungsbereichen machen immer leistungsfähigere und präzisere Fördersysteme für den Transfer von Flüssigkeiten und Ga- sen notwendig. Ihr einfacher Aufbau und die hermetische Dichtheit macht Membranpumpen besonders für den Transfer schwieriger Medien, wie sterile, toxische, gashaltige, heiße oder klebrige Stoffe interessant. Ihre Nachteile liegen bisher in einem stark pulsatilen Förderverhalten, was sie für präzise Förder- und Dosieraufgaben, im Besonderen bei niedrigen Hubzahlen der Förderelemente bisher ungeeignet macht.
Die Ursachen dieser pulsatilen Schwankungen im Förderstrom von
Membranpumpen sind dabei im Wesentlichen die Folgenden:
Bei Ausführungen mit nur einem wirksamen Förderelement, findet während der Ansaugbewegung kein Mediumtransport statt, was einen stark schwankenden Förderstrom zur Folge hat.
Steuerkantenüberdeckung:
Das Öffnen bzw. Verschliessen des entsprechenden Querschnitts der durch den Ventiihub beaufschlagt wird, kann nicht unmittelbar erfolgen, da die Ventile eine gewisse Wegstrecke zurücklegen müssen. Es findet also noch während des Abgabe bzw. Ansaugvorganges eine Veränderung des zu bzw. abführenden Querschnitts statt, der das entsprechende Ventil mit der Förderkammer verbindet. Da zu jedem Zeitpunkt mindestens eines der beiden Ventile einer Fördereinheit, die entsprechende Verbindung zur Förderkammer vollständig absperren muss, entstehen beim Umschalten der Ventile Überschneidungen, die zu Saug und Druckeffekten beim Ansaug bzw. Abgabevorgang führen und besonders bei niedrigen Hubzahlen der Förderelemente zu Schwankungsspitzen im Förderstrom führen.
Kompressible Elemente in den flüssigkeitsführenden Förderräumen:
Mit zunehmend kleiner Bauform, nimmt das Totvolumen im Verhältnis zum Fördervolumen in den Förderräumen zu. Gaseinschlüsse in den nicht am Fördervorgang beteiligten Toträumen führen zu einer verminderten Leistung in Ansaug- und Abgabephase und bewirken durch Kompression bzw. Ausdehnung Schwankungen im Förderstrom. Besonders bei hohen Gegendrücken bzw. niedrigen Ansaugdrücken verursachen kompressible Materialien in den Förderräumen, wie z.B. nicht abgestützte
Membranflächen, eine Differenz zwischen Ansaug- und Abgabevolumen. Fehlvolumen durch schnelle Ansaugbewegung:
Mit zunehmend hohen Hubzahlen bzw. schneller Ansaugbewegung der Förderelemente vergrößert sich der Unterdruck im Ansaugraum, was zu einer Ausdehnung von Lufteinschlüssen im Förderraum führt und ein verringertes Ansaugvolumen zur Folge hat. Beim Umschalten vom Ansaug- zum Abgabevorgang bewirkt der beim Ansaughub entstandene Unterdruck ein Fehlvolumen bzw. eine Rückströmung auf der Abgabeseite. - Fehlvolumen durch Ventilhub:
Durch den Ventilhub entsteht ein zusätzliches Verdrängungsvolumen bzw. ein Fehlvolumen beim Ventilrückhub in Abgaberichtung, das eine entsprechende Schwankung im Förderstrom verursacht. Es sind bisher verschiedene Maßnahmen zur Verbesserung der pulsatilen Eigenschaften bekannt. Die Wesentlichen sind hierbei die Folgenden:
Die Verwendung mehrerer unabhängig voneinander angetriebener bzw. angesteuerter Fördereinheiten.
Der Einsatz zusätzlicher Förderelemente, die nur zeitweise eingreifend, entstehende Saug- und Druckeffekte ausgleichen.
Die Ausregelung der Pulsationen im Volumenstrom durch elektronische Drehzahlsteuerung des Antriebs.
Die Verringerung der Pulsationsamplituden durch nachgeschaitete Dämpfungselemente mit Elastomeren, Federn oder Gaspuffern. - Erzeugung Hochfrequenter Schwankungen des Förderstromes, wobei dies durch eine hohe Hubzahl der Förderelemente bei kleinen Hubvolumina erreicht wird.
Antrieb einer Vielzahl von Förderelementen durch eine gemeinsame Kur- venscheibe oder Nockenwelle. Die einzelnen Fördereinheiten werden dabei in der Weise aufeinanderfolgend beaufschlagt, dass sich die Förderprofile überschneiden und zu einem kontinuierlichen Volumenstrom ergän- zen. Dieses Verfahren zur Verbesserung des Förderverhaltens findet auch bei Kolbenpumpen Anwendung.
Auch das in der US 2008/0050256 angewandte Förderkonzept beruht auf dieser zuletzt genannten Maßnahme. Hier werden 15 kreisförmig angeordnete und axial bewegliche Förderelemente gleicher Geometrie, von einer rotierenden Kurvenscheibe angetrieben. Je 3 Förderelemente, werden nach dem peri- staltischen Prinzip seriell zu einer Fördereinheit verbunden. Die sich daraus ergebenden 5 Fördereinheiten sind parallelgeschaltet und werden über eine Kurvenscheibe versetzt zueinander in der Weise beaufschlagt, dass eine Überschneidung der einzelnen Förderprofiie zu einer Verminderung der Pulsati- onsamplitude führt.
Die eben aufgeführten bereits bekannten Maßnahmen haben allerdings diverse Nachteile. Hierbei sind zum Beispiel der hohe technische Aufwand von Bauteilen und Antrieben zu nennen. Außerdem bewirken die entsprechenden Maßnahmen nur eine Abschwächung der oben beschriebenen Pulsationsef- fekte, verhindern aber nicht deren Entstehung. Es wird konstruktiv kein Ein- fluss auf die Entstehung der Überdeckung der Steuerkanten von Förder- und Ventilelementen genommen. Auch die zusätzlichen Verdrängungsvolumina der Ventilelemente und der Veränderung der Ventilquerschnitte die während den Förderphasen auftreten, lassen sich durch indirekte Verfahren nur eingeschränkt abschwächen. Entsprechende Verfahren beruhen also überwiegend auf einer Dämpfung bereits entstandener Pulsationsamplituden, beispielsweise durch eine Überschneidung einzelner Förderprofiie entsprechender Fördereinheiten und sind zudem stark drehzahlabhängig. Mit abnehmender Drehzahl verringert sich die Frequenz des Pulsationsprofiles, was insbesondere bei Dosieranwendungen zu einer Verringerung der Fördergenauigkeit führt und den Bereich der Fließrate einschränkt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, mittels einer periodisch arbeitenden Membranpumpe einen nahezu laminaren, kontinuierlichen Förderstrom zu erzeugen, welcher in beiden Förderrichtungen eine sehr geringe Restpulsation aufweist und auf einem rein mechanischen Verfahren beruht. Diese Aufgabe soll dabei mit Hilfe weniger unkomplizierter Bauteile realisiert werden, die eine kostengünstige Fertigung und eine kleine Bauform der Membranpumpe ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentan- Spruches 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen den Patentanspruchs 13 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.
Erfindungsgemäß wird somit eine Membranpumpe zur Erzeugung einer nahezu laminaren Strömung bereitgestellt. Die Membranpumpe enthält dabei erfindungsgemäß mindestens vier Fördereinheiten mit jeweils einem Förderelement und zwei Ventilelementen, eine Deckplatte, eine Grundplatte mit Aussparungen für die Förderelemente und die Ventilelemente, eine zwischen der Deckplatte und der Grundplatte angeordnete Membran und eine rotierbare Kurvenscheibe mit zwei Bahnkurven mit Vertiefungen und Steuerkanten. Die Bahnkurven, die Vertiefungen und die Steuerkanten sind dabei so angeordnet, dass sich bei einer Rotation der Kurvenscheibe um eine Mittelachse die Förderelemente entlang der einen Bahnkurve und die Ventilelemente entlang der anderen Bahnkurve bewegen und dabei die Förderelemente und Ventilelemente parallel zur Mittelachse periodisch ausgelenkt werden.
Erfindungsgemäß weist die Deckplatte oder die Membran Förderkammern und Ventilkammern sowie Medium-führende Kanäle auf. Die Förderkammern und Ventilkammern sind dabei in einer Position angeordnet, dass bei einer Rotation der Kurvenscheibe um die Mittelachse die Membran an den Positionen der entsprechenden Förderkammern und Ventilkammern durch die Auslenkung der Förderelemente und Ventilelemente in Richtung der Deckplatte gedrückt wird. Hierbei wird die Membran an den Positionen der Förderkammern durch die Auslenkung der Förderelemente in Richtung der Deckplatte gedrückt, während die Membran an den Positionen der Ventilkammern durch
Auslenkung der Ventilelemente in Richtung der Deckplatte gedrückt wird. Die Förderkammern und Ventilkammern werden dabei durch die Auslenkung der entsprechenden Förderelemente und Ventilelemente ausgedrückt.
Erfindungsgemäß ist die Grundplatte in mindestens vier Abschnitte unterteilt ist, die alle einen gleich großen Phasenwinkel um die Mittelachse abdecken. Dabei ist in jedem der mindestens vier Abschnitte eine der mindestens vier Fördereinheiten angeordnet.
Erfindungsgemäß sind die Förderelemente auf einer Kreisbahn punktsymmet- risch um die Mittelachse angeordnet und die Ventilelemente auf einer weiteren Kreisbahn punktsymmetrisch um die Mittelachse angeordnet. Dabei weisen die zwei Ventilelemente einer Fördereinheit den gleichen Abstand zum Förderelement derselben Fördereinheit aufweisen. Durch den speziellen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ermöglicht, dass die Abfolge der Abgabephasen der Fördereinheiten zeitlich exakt hintereinander erfolgen kann. Es kann somit erreicht werden, dass während der gesamten Förderphase einer jeden Fördereinheit sich die beiden zugehörigen Ventilelemente in Ruhe befinden, wodurch die zu- und abführenden Querschnitte der Kanäle zu den Förderkammern unverändert bleiben. Im Weiteren kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Überdeckung der Steuerkanten ausgeschlossen werden.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eine nahezu laminare, konti- nuierliche Strömung erzeugt werden, die in beiden Förderrichtungen eine sehr geringe Restpulsation aufweist und auf einem rein mechanischen Verfahren beruht. Die erfindungsgemäße Membranpumpe weist dadurch eine hohe drehzahlunabhängige Förder- und Reproduziergenauigkeit auf und eignet sich zudem für den schwankungsfreien Transfer von Flüssigkeiten und Gasen in beiden Förderrichtungen. Die Problematik der Überdeckung der Steuerkanten von Ventil und Förderelementen, kann dabei durch einfache konstruktive Massnahmen verhindert werden. Diese Vorteile werden hierbei alle mithilfe unkomplizierter Bauteile realisiert. So wird letztlich eine kostengünstige Fertigung und eine kleine Bauform der Membranpumpe ermöglicht.
Unter einer Bahnkurve wird erfindungsgemäß eine Kurvenbahn verstanden, wobei es sich hierbei um einen Bereich handelt, der auf der Kurvenplatte angeordnet ist und auf dem sich die Förderelemente oder die Ventilelemente um die Mittelachse bewegen können. Dieser Bereich weist abschnittsweise Vertiefungen und Steuerkanten auf. Die Vertiefungen können in Form einer
Nut, bevorzugt einer halbrunden Nut, ausgeführt sein. Die Förderelemente und Ventilelemente weisen bevorzugt eine Kugel, besonders bevorzugt eine Stahlkugel, auf, über die sie mit der Bahnkurve der Kurvenplatte in Kontakt stehen. Der restliche Teil der Förder- und Ventilelemente besteht bevorzugt aus einer Kupfer-Zinn-Knetlegierung.
Die Förderiemente weisen bevorzugt ein größeres Verdrängungsvolumen auf als die Ventilelemente. Entsprechend weisen hierbei die Förderkammern ein größeres Volumen auf als die Ventilkammern. Bei den Aussparungen der Grundplatte für die Förderelemente und die Ventilelemente kann es sich bevorzugt um Bohrungen handeln.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Membranpumpe weist die Membran Förderkammern und Ventilkammern sowie Medium-führende Kanäle auf, wobei die Förderkammern und Ventilkammern in einer Position angeordnet sind, dass bei einer Rotation der Kurvenscheibe um die Mittelachse die entsprechenden Förderkammern und Ventilkammern der Membran durch die Auslenkung der Förderelemente und Ventilelemente gegen die Deckplatte ausgedrückt werden. Die Membran wird dabei an den Positionen der Förderkammern und Ventilkammern durch die
Auslenkung der entsprechenden Förderelemente und Ventilelemente in Richtung der Deckplatte gedrückt, wobei die Membran an den Positionen der Förderkammern durch die Auslenkung der Förderelemente in Richtung der Deckplatte gedrückt wird, während die Membran an den Positionen der Ventil- kammern durch Auslenkung der Ventilelemente in Richtung der Deckplatte gedrückt wird. Bei dieser Ausführungsform sind die Fördergeometrien, also die Förderkammern, Ventilkammern oder Medium-führenden Kanäle, nicht in die Deckplatte sondern in die Membran integriert. Die Förderkammern und Ventilkammern sind hierbei bevorzugt als halbkugelförmige Geometrien in- nerhalb der Membran ausgebildet. Als Deckplatte kann in dieser Ausführungsform eine einfache, planebene Platte dienen, die bevorzugt transparent ist.
Der Vorteil der Integration der Förderkammern, Ventilkammern und Mediumführenden Kanäle in die Membran besteht darin, dass im Gegensatz zur Integ- ration dieser Elemente in die Deckplatte hier die Membran durch die Auslenkung der Förderelemente und Ventilelemente nicht auseinandergezogen son- dem zusammengedrückt wird. Da die für die Membran verwendbaren Materialien, wie z.B. Elastomere, sehr viel widerstandsfähiger auf Druck als auf Zug reagieren, ergibt sich hier somit eine Verbesserung der Lebensdauer der Membranen bzw. der Konstanz ihrer Eigenschaften. Die Membran ist prob- lemlos im Spritzgussverfahren herstellbar. Eine Membranpumpe, bei welcher die Förderkammern, Ventilkammern und Medium-führenden Kanäle in die Membran integriert sind, ist daher sehr einfach und kostengünstig herzustellen, da die Fördergeometrien (Förderkammern, Ventilkammern und Mediumführende Kanäle) einfach und kostengünstig bereitgestellt werden können. Die technischen Eigenschaften der Membran lassen sich über ihre Dicke und das verwendete Material einstellen. Die Querschnitte sind über die gesamte Membranoberfläche nahezu gleich und enthalten keine Hinterschnitte, was eine spritzgusstechnische Herstellung der Membran einfach macht. In einer Variation dieser Ausführungsform können die Fördergeometrien mit einer planebenen transparenten Platte abgedeckt werden und sind dadurch ideal einsehbar.
Alternativ zur Integration der Förderkammern, Ventilkammern und Mediumführenden Kanäle in die Membran können diese in einer alternativen Ausfüh- rungsform natürlich auch in die Deckplatte und nicht in die Membran integriert werden. In dieser Ausführungsform sind die Förderkammern und Ventilkammer in solch einer Position angeordnet, dass bei einer Rotation der Kurvenscheibe um die Mittelachse die Membran innerhalb der entsprechenden Förderkammern und Ventilkammern der Deckplatte durch die Auslenkung der Förderelemente und Ventilelemente ausgedehnt wird. Die Förderkammern,
Ventilkammern und Medium-führenden Kanäle können hierbei spanend in die Deckplatte eingearbeitet sein, wobei die Membran aus einer aus Silikon bestehenden Platte ausgeschnitten sein kann. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Membranpumpe sieht vor, dass die Kreisbahn, auf der die Ventilelemente angeordnet sind, weiter von der Mittelachse entfernt ist als die Kreisbahn, auf der die Förderelemente angeordnet sind. Auf diese Weise kann die Kompaktheit der Membranpumpe erhöht und ihre Baugröße verringert werden.
Weiterhin ist bevorzugt, dass die Membranpumpe vier Fördereinheiten ent- hält. Auch durch dieses Merkmal kann eine optimale Kompaktheit und Baugröße bei gleichzeitiger optimaler erfindungsgemäßer Funktionalität der Membranpumpe erreicht werden. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Membranpumpe sieht vor, dass bei einer maximalen Auslenkung eines der Förderelemente bzw. eines der Ventilelemente die Membran an der Position einer entsprechenden Förderkammer bzw. Ventilkammer, so in Richtung der Deckplatte gedrückt wird, dass an dieser Position kein Totraum zwischen Membran und Deckplatte besteht. Als verbleibender Tot räum sind hier nun einzig die Medium-führenden Kanäle zwischen Ventil- und Förderelementen anzuführen, was eine einfache Entlüftung der Förderwege und ein hohes Maß an Ansaugvermögen gewährleistet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Membranpumpe sind die Bahnkurven und/oder die Vertiefungen der Bahnkurven so angeordnet, dass sich die Steuerkanten nicht überdecken. Auf diese Weise können Überschneidungen der Ventile beim Umschalten und daraus resultierende Saug- und Druckeffekte beim Ansaug- bzw. Absaugvorgang vermieden werden.
Weiterhin ist bevorzugt, dass die Gesamtheit der Förderkammern, Ventilkammern und Medium-führenden Kanälen von einem Steg umschlossen ist. Die daraus resultierende Abstufung der Stirnfläche der Deckplatte gegenüber der Stegfläche hat die Aufgabe der sicheren Fixierung der Membran an der
Deckplatte. Diese lässt sich weiter verbessern, indem die Geometrie der Membranoberfläche entsprechend der Geometrie der Stegfläche angepasst wird. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Membranpumpe sieht vor, dass die Bahnkurven jeweils in mindestens drei gleich große Abschnitte, bevorzugt drei oder neun gleich große Abschnitte, unterteilt sind, die jeweils einen Phasenwinkel gleicher Größe, bevorzugt 120° oder 40°, um die Mittelachse abdecken und die gleich großen Abschnitte je- weils in vier Unterabschnitte unterteilt sind, wobei der erste der vier Unterabschnitte ausschließlich eine plane Fläche ohne Vertiefungen aufweist, der drit- te der vier Unterabschnitte ausschließlich eine Vertiefung mit Bahnkanten aufweist und der zweite und vierte der vier Unterabschnitte einen Übergang mit Bahnkanten zwischen der Fläche ohne Vertiefungen und der Vertiefung mit Bahnkanten aufweist.
Hierbei ist bevorzugt, dass auf der Bahnkurve der Ventilelemente der jeweilige zweite und der jeweilige vierte Unterabschnitt der gleich großen Abschnitte einen gleich großen Phasenwinkel, bevorzugt 15° oder 5°, um die Mittelachse abdecken, welcher der Hälfte des Phasenwinkels entspricht, den der jeweilige dritte Unterabschnitt der gleich großen Abschnitte abdeckt und welcher einem Viertel des Phasenwinkels entspricht, den der jeweilige erste Unterabschnitt der gleich großen Abschnitte abdeckt.
Weiterhin ist bevorzugt, dass auf der Bahnkurve der Förderelemente die Größe des Phasenwinkels um die Mittelachse, den der jeweilige erste und zweite Unterabschnitt der gleich großen Abschnitte zusammen abdecken, der Größe des Phasenwinkels um die Mittelachse entspricht, den der jeweilige dritte und vierte Unterabschnitt der gleich großen Abschnitte zusammen abdecken, und wobei die Größe des Phasenwinkel um die Mittelachse, den der jeweilige erste und dritte Unterabschnitt der gleich großen Abschnitte jeweils einzeln abdeckt, mindestens einem Drittel und maximal dem Dreifachen der Größe des Phasenwinkels entspricht, den der jeweilige zweite und vierte Unterabschnitt der gleich großen Abschnitte jeweils einzeln abdeckt.
Weiterhin ist bevorzugt, dass die Phasenwinkel um die Mittelachse, die die jeweiligen Unterabschnitte der gleich großen Abschnitte einzeln abdecken gleich groß, bevorzugt 30° groß oder 10° groß, sind.
Weiterhin ist bevorzugt, dass der Mittelpunkt des jeweiligen ersten Unterabschnittes der gleich großen Abschnitte der Bahnkurve der Förderelemente auf einer Linie mit der Mittelachse und dem Mittelpunkt des jeweiligen ersten Unterabschnittes der gleich großen Abschnitte der Bahnkurve der Ventilelemente liegt und der Mittelpunkt des jeweiligen dritten Unterabschnittes der gleich großen Abschnitte der Bahnkurve der Förderelemente auf einer Linie mit der Mittelachse und dem Mittelpunkt des jeweiligen dritten Unterabschnittes der gleich großen Abschnitte der Bahnkurve der Ventilelemente liegt. Alternativ hierzu kann auch der Mittelpunkt des jeweiligen ersten Unterabschnittes der gleich großen Abschnitte der Bahnkurve der Förderelemente auf einer Linie mit der Mittelachse und dem Mittelpunkt des jeweiligen dritten Unterabschnittes der gleich großen Abschnitte der Bahnkurve der Ven- tilelemente liegen und der Mittelpunkt des jeweiligen dritten Unterabschnittes der gleich großen Abschnitte der Bahnkurve der Förderelemente auf einer Linie mit der Mittelachse und dem Mittelpunkt des jeweiligen ersten Unterabschnittes der gleich großen Abschnitte der Bahnkurve der Ventilelemente liegen.
Diese zuletzt genannten Ausführungsformen, die sich auf die Unterteilung der Bahnkurven in Abschnitte beziehen, geben Möglichkeiten zur Gestaltung der Kurvenplatte an, bei denen eine Überdeckung der Steuerkanten vermieden wird und außerdem erreicht werden kann, dass die Abfolge der Abgabepha- sen der Fördereinheiten zeitlich exakt hintereinander erfolgt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membranpumpe ist die Bahnkurve der Förderelemente im jeweiligen ersten und dritten Unterabschnitt der gleichen Abschnitte so modifiziert, dass ein Fehlvolumen, welches durch die Auslenkung eines Ventilementes in der entsprechenden Vertiefung der Deckplatte entsteht, durch eine zusätzliche Auslenkung des Förderelementes der selben Fördereinheit kompensiert wird. Durch die Kompensierung solcher Fehlvolumina kann die Laminarität der erzeugten Strömung weiter erhöht werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Membranpumpe sieht vor, dass die Förderelemente sowie die Ventilelemente und die Steuerkanten der Kurvenscheibe so angeordnet sind, dass bei der Rotation der Kurvenscheibe entweder die Ventilelemente oder das Förderele- ment einer Fördereinheit parallel zur Mittelachse bewegt werden. Bei dieser
Ausführungsform wird folglich sicher gestellt, dass das Förderelement einer Fördereinheit nur dann parallel zur Mittelachse bewegt wird, wenn keines der beiden Ventilelemente parallel zur Mittelachse bewegt wird. Außerdem wird sichergestellt, dass nur dann eines der beiden oder beide Ventilelemente pa- rallel zur Mittelachse bewegt werden, wenn das Förderelement gerade nicht parallel zur Mittelachse bewegt wird. Weiterhin ist bevorzugt, dass die Deckplatte und/oder die Grundplatte aus Kunststoff, Keramik und/oder Glas, bevorzugt einem transparentem Kunststoff oder transparentem Glas, besteht und/oder die Membran aus einem Elastomer besteht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membranpumpe sind die Deckplatte und die Membran einstückig ausgebildet. Hierbei kann die Membran formschlüssig mit der Deckplatte verbunden bzw. in einem gemeinsamen Werkzeug extrudiert sein. Dies hat zur Folge, dass die bei dieser Ausführungsform in der Membranpumpe enthaltene Membran gleichzeitig Membran und Deckplatte ist. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch geringe Herstellungskosten und eine einfachere Handhabung, beispielsweise für sterile Anwendungen, aus. Alternativ zu dieser Aus- führungsform können die Deckplatte und die Membran natürlich auch mehrstückig ausgebildet sein.
Im Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Membranpumpe. Hierbei wird die Kurven- scheibe in Rotation um eine Mittelachse versetzt. Dadurch werden die Förderelemente und die Ventilelemente parallel zur Mittelachse ausgelenkt, wodurch die Membran an den Positionen der entsprechenden Förderkammern und Ventilkammern in Richtung der Deckplatte gedrückt wird. Die Förderkammern und Ventilkammern werden dabei durch die Auslenkung der ent- sprechenden Förderelemente und Ventilelemente ausgedrückt.
Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Membran Förderkammern und Ventilkammern sowie Medium-führende Kanäle aufweist, die Kurvenscheibe in Rotation um eine Mittelachse versetzt wird und dadurch die Förderelemente und die Ventilelemente parallel zur
Mittelachse ausgelenkt werden, wodurch die Förderkammern und Ventilkammern der Membran auf die Deckplatte ausgedrückt werden. Die Membran wird dabei an den Positionen der Förderkammern und Ventilkammern durch die Auslenkung der entsprechenden Förderelemente und Ventilelemen- te in Richtung der Deckplatte gedrückt. Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass jedes Förderelement eine sich wiederholende Förderperiode durchläuft, wobei eine Förderperiode eines Förderelementes in mindestens 4 hintereinander ablaufende Förderphasen unterteilt ist, umfassend mindestens eine Förderphase Fl, in welcher sich das Förderelement in einer oberen Endlage befindet, eine Förderphase F2, in welcher das Förderelement von der oberen Endlage gleichmäßig axial in eine untere Endlage geführt wird, eine Förderphase F3, in welcher sich das Förderelement in der unteren Endlage befindet, und eine Förderphase F4, in welcher das Förderelement von der unteren Endlage gleichmäßig axial in die obere Endlage geführt wird, und/oder jedes Ventilelement eine sich wiederholende Förderperiode durchläuft, wobei eine Förderperiode eines Ventilelementes in mindestens 4 hintereinander ablaufende Ventilphasen unterteilt ist, umfassend mindestens eine Ventilphase VI, in welcher sich das Ventilelement in einer oberen Endlage befindet, eine Ventilphase V2, in welcher das Ventilelement von der oberen Endlage gleichmäßig axial in eine untere Endlage geführt wird, eine Ventilphase V3, in welcher sich das Ventilelement in der unteren Endlage befindet, und eine Ventilphase V4, in welcher das Ventilelement von der unteren Endlage gleichmäßig axial in die obere Endlage geführt wird.
In einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens durchläuft bei einer vollen Umdrehung der rotierbaren Kurvenscheibe jede Fördereinheit mindestens drei, bevorzugt drei oder neun, Förderperioden.
Weiterhin ist bevorzugt, dass sich zu jedem Zeitpunkt, indem sich ein Förder- element einer Fördereinheit in der Förderphase F2 oder F4 befindet, die Ventilelemente derselben Fördereinheit in der Förderphase VI oder V3 befinden.
In einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Membranpumpe vier Fördereinheiten auf, wobei zu jedem Zeitpunkt des Verfahrens sich jeweils eines der Förderelemente in der Förderphase Fl, eines der Förderelemente in der Förderphase F2, eines der Förderelemente in der Förderphase F3 und eines der Förderelemente in der Förderphase F4 befindet.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass durch Umkehr der Drehrichtung der Kurvenscheibe die Richtung der erzeugten nahezu laminaren Strömung umgekehrt wird.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren und Beispiele näher erläutert ohne die Erfindung auf die speziell dargestellten Parameter zu beschränken.
Fig. la zeigt schematisch die vier Förder- und Ventilphasen in ihrer zeitlichen Abfolge über einen Bereich von 360° der Kurvenscheibe. Eine vollständige Umdrehung der Kurvenscheibe ist in drei Förderperioden zu je 120° mit je vier Förderphasen zu je 30° unterteilt. Die Förderelemente sind mit 5A, 5B, 5C, 5D, die zugehörigen Ventilelemente mit 6 AI, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2 bezeichnet.
Fig. 1b zeigt die Kurvenscheibe mit den schematisch auf den entsprechenden Bahnkurven 55, 65 angeordneten Förderelementen 5A, 5B, 5C, 5D. Eine Fördereinheit besteht aus einem Förderelement mit großem Verdrängungsvolumen für Abgabe- bzw. Ansaugfunktion, und zwei Ventilelementen mit kleinen Verdrängungsvolumina für das Absperren des Förderraumes auf der Ansaugbzw, der Abgabeseite. Förderelemente 5A, 5B, 5C, 5D und Ventilelemente 6A1, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2 werden über eine gemeinsame Kurvenscheibe beaufschlagt, auf der sich zwei verschiedene, konzentrisch zur Mittelachse angeordnete Kurvenbahnen 55, 65 befinden. Eine Förderperiode wird über eine Bahnkontur in die vier Förderphasen Ansaugen, Pause vor Abgabe, Abgeben, Pause vor Ansaugen unterteilt. Gleichfalls werden innerhalb einer Förderperiode die Ventilelemente 6A1, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2 über eine zweite Bahnkontur in die Phasen Pause vor Öffnen, Öffnen, Pause vor Schließen, Schließen unterteilt. Bei einer Vier-Phasen-Sequenz einer jeden Fördereinheit sind die Ventilelemente symmetrisch zum Förderelement um einen Phasenwinkel von je 30° versetzt angeordnet. Um einen Rückfluss sicher zu verhindern, muss sich der Kurvenabschnitt der Bahnkurve 65, indem ein Ventil geschlossen bleibt, über zwei Phasen (60°) erstrecken. Zu jedem Zeitpunkt einer Förderperiode befinden sich zwei der vier Förderelemente 5A, 5B, 5C, 5D in Ruhe, ein Förderelement im Ansaughub und ein Förderelement im Abgabehub. Es findet keine Überdeckung der Steuerkanten zwischen Saug- und Druckhub statt, da sich das entsprechende Förderelement während der Beaufschlagung seiner beiden Ventilelemente in Ruhe befindet. Die Querschnitte der zu- bzw. abführenden Kanäle zum Förderraum, bleiben über die gesamte Ansaug- bzw. Abgabephase erhalten. Dabei wird jeder Ventilhub kontinuierlich über den Winkel einer halben Förderphase von 15° ausgeführt.
Umgekehrt befinden sich die beiden Ventilelemente während einer gesamten Ansaug bzw. Abgabephase ihres Förderelementes in Ruhe.
Fig. 1c bzw. Id zeigt schematisch wie die Geometrie der Bahnkurve für die Förderelemente 5A, 5B, 5C, 5D in den oberen und unteren Endlagen der Kurvenbahn 55 so gestaltet werden kann, dass sie die kleinen Fehlvolumen der beiden Ventile, die während der Beaufschlagung entstehen, exakt ausgleichen. In Fig. 1c befindet sich Förderelement 5B am Beginn seiner Abgabephase. Die beiden zugehörigen Ventilelemente 6B1 und 6B2 werden während dieser Phase von 30° nicht beaufschlagt. Ventilelement 6C2 schließt während der ersten 15° dieser Phase. Das entstehende zusätzliche Ventilvolumen wird kontinuierlich über einen Winkel von 15° zum Fördervolumen addiert (rechter unterer dunkler schraffierter Bereich in Fig. Id). Gleichzeitig führt Förderelement 5C über einen Winkel von 15° eine kleine Rückstellbewegung aus, die das zusätzliche Volumen von Ventil 6C2 ausgleicht (rechter oberer dunkler schraffierter Bereich in Fig. Id). Anschließend öffnet Ventilelement 6A2 während der zweiten 15° der Phase. Das entstehende Fehlvolumen wird kontinuierlich über einen Winkel von 15° vom Fördervolumen abgezogen (linker oberer dunkler schraffierter Bereich in Fig. Id). Gleichzeitig führt Förderelement 5A über einen Winkel von 15° eine kleine Aufwärtsbewegung aus, die das
Fehlvolumen von Ventil 6A2 ausgleicht (linker unterer dunkler schraffierter Bereich in Fig. Id). Alle übrigen Ventil- und Förderelemente befinden sich während dieser Phase entweder in Ruhe, oder sind während ihrer Beaufschlagung von der Förderseite abgetrennt. In Fig. 2a ist schematisch das Flussprofil einer Fördereinheit, ohne Ausgleich der Ventilvolumina und über eine Förderperiode von 120° dargestellt.
Fig. 2b zeigt das Flussprofil aus Fig. 2a mit den beschriebenen Maßnahmen zum Ausgleich der Ventilvolumina.
Fig. 2c zeigt die Überlagerung der vier Flussprofile der vier Fördereinheiten über eine Förderperiode von 120°.
Ausführungsbeispiel
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel in seiner Ansicht von oben. In Fig. 3a ist die Seitenansicht von vorne in einem vertikalen Schnitt AA durch das Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei ist die Schnittlinie A-A so gewählt, dass sie durch je Förderelement 5A und eines der Ventilelemente 6C2 verläuft, die beide in ihrer oberen Endlage dargestellt sind. Eine gehärtete Kurvenscheibe 4, ist auf einer Motorwelle 12 befestigt und beaufschlagt durch Rotation um die Motorachse die Förderelemente 5A, 5B, 5C, 5D und Ventilelemente 6 AI, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2. Die Kurvenscheibe 4 enthält eine äußere konzentrisch zur Motorwelle 12 angeordnete Bahnkurve 65, die periodisch die acht Ventilelemente 6A1, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2 in axialer Richtung auslenkt, und eine innere Bahnkurve 55, die periodisch die vier Förderelemente 5A, 5B, 5C, 5D in axialer Richtung auslenkt. Um die axialen Kräfte auf die Motorwelie 12 aufzufangen, ist die Kurvenscheibe 4 mit einem Nadel- lager 7 unterlegt. In Förder- und Ventilelemente sind gehärtete Stahlkugein 9 zentrisch gelagert, die auf den Bahnkurven 55, 56 der Kurvenscheibe 4 abrollen. Förderelemente 5A, 5B, 5C, 5D und Ventilelemente 6A1, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2 bestehen vorzugsweise aus einer Kupfer-Zinn Knetlegierung mit entsprechenden Gleiteigenschaften. Förderelemente 5A, 5B, 5C, 5D und Ventilelemente 6A1, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2 sind in einer gemeinsamen Grundplatte 3 axial geführt. Die Grundplatte 3 ist über vier Ab- standhülsen 8 mit der Stirnfläche des Motors verschraubt. Die Membran 2 wird zwischen Deckplatte 1 und Grundplatte 3 in der Weise eingespannt, dass alle Medium-führenden Konturen auf der Deckplatte 1 gegeneinander abgedichtet sind. Durch die periodische Bewegung der Förderelemente 5A, 5B, 5C, 5D, wird die Membran 2 in der Weise in die entsprechenden Vertiefungen der Förderkammern 50, 51, 52, 53 der Deckplatte 1 gedrückt, dass sich in ihrer oberen Endlage kein Totraum zwischen Membran 2 und Deckplatte 1 befindet. Gleichermaßen drücken die Ventilelemente 6A1, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2 die Membran 2 in der Weise gegen die entsprechende Form in der Deckplatte 1, dass sich in ihrer oberen Endlage kein Totraum zwischen Membran 2 und Deckplatte 1 befindet. Um eine günstige Geometrie für die Dehnung der Membran 2 zu erhalten, sind die oberen Stirnseiten der Förderelemente 5A, 5B, 5C, 5D und Ventilelemente 6A1, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2 bzw. die entsprechenden Vertiefungen 50, 51, 52, 53, 60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b in der Deckplatte 1 verrundet. Die Rückstelikräfte der elastischen Membran 2 und damit das Ansaugvermögen der Pumpe werden durch die Dehnungsspannung der Membran 2, in der jeweiligen Position der Förderelemente 5A, 5B, 5C, 5D bestimmt. Bei nicht zu kleinen Bauformen, kann die Rückstelibewegung der Membran 2 durch Federn 10, 11 entsprechender Vorspannung, die die Förderelemente 5A, 5B, 5C, 5D und Ventilelemente 6A1, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2 während ihrer periodischen Auf- und Abbewegung auf die entsprechende Bahnkurve 55, 65 ziehen, unterstützt werden. Fig. 3c zeigt wie die Membran 2 für ein höheres Ansaugvermögen, mit dem
Förderelement 5A formschlüssig verbunden werden kann, und durch die Feder 10 während der Ansaugbewegung zurückgestellt wird.
Fig. 3b zeigt das Förderelement 5A und das Ventiielement 6C2 in ihrer unteren Endlage der Bahnkurve. Ensprechend ihrer Gesamtauslenkung sind hier der Querschnitt des wirksamen Fördervolumens 53 bzw. der Querschnitt des Ventilvolumens 61b sichtbar. Die beiden Schlauchverschraubungen 14,15 stellen die Anschlüsse der Mediumzuleitungen 16, 17 für Saug- und Druckseite, entsprechend der Drehrichtung der Kurvenscheibe 4 bereit. In Fig.4 sind alle Medium-führenden Flusswege der Deckplatte 1 dargestellt. Die Deckplatte 1 wird über die vier Bohrungen 25a, 25b, 25c, 25d mit der Grundplatte 3 und der dazwischenliegenden Membrane 2 verschraubt. Die Bereiche 50, 51, 52, 53 stellen die förderwirksamen Räume (Förderkammern) der Pumpe dar, während die Bereiche 60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b die Räume für die Ventilfunktionen (Ventilkammern) darstellen. Je eine Förderkammer ist mit zwei Ventilkammern verbunden. Entsprechend der Drehrichtung der Kurvenscheibe 4 sind dabei die vier Ventilkammern 60a, 61a, 62a, 63a mit der Ansaugseite 18, bzw. die vier Ventilkammern 60b, 61b, 62b, 63b mit der Druckseite 19 der Pumpe verbunden. Die beiden Bohrungen 20, 21 verbinden die jeweils vier im Saug- oder Druckmodus arbeitenden Ventilkammern 60a, 61a, 62a, 63a bzw. 60b, 61b, 62b, 63b mit den Schlauchver- schraubungen 14, 15. Ventilkammern 60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b und Förderkammern 50, 51, 52, 53 sind konzentrisch zur Mittelachse und kreisförmig in einem Winkel von 30° (Fig.4a) angeordnet. Dabei liegen die Förderkammern 50, 51, 52, 53 auf einem inneren Bahnkreis 55, und die Ventilkammern 60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b auf einem äußeren Bahnkreis 65.
Fig. 4a zeigt die beiden Bahnkreise 55, 65 der Kurvenscheibe 4, auf denen d Förderkammern 50, 51, 52, 53 und Ventilkammern 60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b der Deckplatte 1 angeordnet sind.
Fig. 4b zeigt die Deckplatte 1 in einer erweiterten Ausgestaltung ihrer Stirnflä- che. Hier sind alle Medium-führenden Flächen der Deckplatte 1 von einem schmalen Steg 22 vollständig umschlossen. Die Abstufung der Stirnfläche 23 gegenüber der Stegfläche 22 hat die Aufgabe der sicheren Fixierung der Membran 2 auf der Deckplatte 1. Ein Durchrutschen der Membrane in Richtung der gedehnten Bereiche 50, 51, 52, 53) wird dadurch verhindert, der Druck auf die Membran stark verringert und die Dichtwirkung bei höheren
Gegendrücken verbessert. Diese Eigenschaften lassen sich weiter verbessern, in dem die Geometrie der Membranoberfläche entsprechend der Geometrie der Stegfläche 22 angepasst wird.
Fig. 4c zeigt den Querschnitt der Medium-führenden Kanäle mit der abgesetz ten Stirnfläche 23. In Fig. 5 ist die Seitenansicht der Kurvenscheibe 4 im Schnitt dargestellt. In der linken Hälfte der Schnittansicht sind die untere Endlage der Bahnkurve 65 der Ventile und der Bahnkurve 55 der Fördereiemente sichtbar. Die maximale Auslenkung von Ventilelementen 6A1, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2 und
Förderelementen 5A, 5B, 5C, 5D wird durch den Abstand zwischen der Stirnfläche 4s der Kurvenscheibe 4 und der unteren Endlage der jeweiligen Bahnkurve 55, 65 bestimmt. Fig. 5a zeigt die Stirnfläche 4s der Kurvenscheibe 4 mit den Konturen der beiden Bahnkurven 55, 65. Die Bahnkurven werden sinnvolierweise mit einem Radiuswerkzeug desselben Durchmessers, der auf der Bahnkurve abrollenden Kugel 14 gefertigt. Dadurch beginnt die abrollende Kugel 14, beim Übergang von der unteren Endlage der entsprechenden Bahnkurve, in die sich anschlie- ßende Steigung, exakt an dem definierten Winkel. Um konzentrische Unge- nauigkeiten zwischen den Bahnkurven 55, 65 auf der Kurvenscheibe 4 und den Bahnen auf der Deckplatte auszugleichen, wird bei der Erstellung der Bahnkurven, das Radiuswerkzeug nach jedem 360° Umlauf, zu beiden Seiten der Bahndurchmesser leicht versetzt. Es entsteht eine schmale Fläche entlang der Vertiefungen der Bahnkurven auf der Stirnseite der Kurvenscheibe 4, die kleine horizontale Abweichungen der Positionen der abrollenden Kugeln 14 toleriert.
In Fig. 5a sind in der äußeren Bahnkurve, die Winkel der vier Phasen der Ven- tilelemente 6 AI, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2 bemaßt. Dabei bedeuten:
VI: Pause vor Öffnen (Ventilelement bleibt über einen Winkel von 60° in der oberen Endlage) V2: Öffnen (Ventilelement wird gleichmäßig axial, über einen Winkel von 15°, in die untere Endlage geführt)
V3: Pause vor Schließen (Ventilelement bleibt über einen Winkel von 30° in der unteren Endlage) V4: Schliessen (Ventilelement wird gleichmäßig axial, über einen Winkel von 15°, in die obere Endlage geführt)
In Fig. 5b sind in der inneren Bahnkurve, die Winkel der einzelnen Phasen der Förderelemente 5A, 5B, 5C, 5D bemaßt. Dabei bedeuten:
Fl: Pause vor Ansaugen (Förderelement bleibt über einen Winkel von 30° in der oberen Endlage)
F2: Ansaugen (Förderelement wird gleichmässig axial, über einen Winkel von 30°, in die untere Endlage geführt)
F3: Pause vor Abgeben (Fördereiement bleibt über einen Winkel von 30° in der unteren Endlage)
F4: Abgeben (Förderelement wird gleichmässig axial, über einen Winkel von 30", in die obere Endlage geführt)
Die Phasenwinkel (30°) der Ansaug- bzw. Abgabephasen können ohne Überschneidungen der zugehörigen Ventilbewegungen, in einem Bereich von +/- 15° variiert werden. Dadurch kann die Zeit zwischen den aufeinanderfolgenden Ansaug- bzw. Abgabephasen variiert, bzw. eine Überschneidung dieser Förderphasen definiert werden.
Fig. 5c zeigt eine modifizierte Ausführung der Bahnkurve 55 der Förderelemente dieser Art. Hier werden die Winkel der Förderphasen um 1° vergrößert, während die Winkel der Pausenphasen um 1° verkleinert werden, so dass die vier Phasen einer Förderperiode wieder einen Winkel von 120° einnehmen. Durch diese Überschneidung der aufeinanderfolgenden Förderphasen wird eine kurze Erhöhung der Fördermenge bewirkt, die eine zeitweise geringere Fördermenge im Bereich der oberen Endlage der Förderelemente ausgleicht. Die kurzfristig geringere Fördermenge kommt dadurch zustande, dass die Membran 2 kurz vor dem Erreichen ihrer oberen Endlage die Aufgabe hat, den verbleibenden Förderraum 53 vollständig und daher ohne verbleibenden Totraum auszufüllen. Zusätzlich kann das auszugleichende Fördervolumen, durch Veränderung der Steigungswinkel, in dem sich überschneidenden Winkelbereich eingestellt werden.
Fig. 5d zeigt, dass die Bahngeometrien der Ventilelemente zu den
Bahngeometrien der Förderelemente ohne Auswirkung auf die Funktionseigenschaften um einen Winkel von 60° versetzt zueinander angeordnet werden können.
Fig. 6 zeigt eine Membran 2 eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemä- ßen Membranpumpe, bei welchem die Förderkammern 50, 51, 52, 53, Ventilkammern 60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b sowie Medium-führenden Kanäle in die Membran 2 integriert sind.
In Fig. 6a und 6b ist die Membran aus Fig. 6 in einer Ansicht von schräg vorne (Fig. 6a) sowie von schräg hinten (Fig. 6b) gezeigt.
Berechnung der Fördergeometrien In den nachfolgenden Berechnungen sind :
A Vom Kreisbogen umschlossener Winkel des Kreisabschnittes der
gedehnten Membran
b Dicke der Membran
Im Gestreckte Länge der gedehnten Membran
bm M ittlere Dicke der gedehnten Membran im Förderraum
hm Höhe des Kugelabschnittes der Membran
hh Hubhöhe bzw. Höhe des zylindrischen Abschnittes des Förderraumes hk Höhe des Kugelabschnittes des Förderraumes
df Durchmesser des Förderelements
dk Durchmesser des Kugelabschnitts des Förderelements
rz Radius des Zylinderabschnitts
V Fördervolumen pro Umdrehung
Vk Volumen des Kugelabschnitts des Förderraumes
Vm Volumen des Kugelabschnitts der Membran
Vz Volumen des Zylinderabschnitts des Förderraumes Die Dicke der gedehnten Membran lässt sich in guter Näherung im Schnitt durch den Förderraum bestimmen. Der Winkel des Kreisabschnittes der Membran berechnet sich dann zu: a = 2 x aresin
Figure imgf000024_0001
und daraus die mittlere gestreckte Länge der Mer π x (df/2 + b/2) x a
lm = Tw> und die Dicke der gedehnten Membran mit: (df + b) x b
bm
Im -i- (2 x b) + (2 x hh)
Im Nenner müssen zur gestreckten Länge der Membran, die beiden linear gedehnten Bereiche durch Hubhöhe und Membrandicke berücksichtigt werden. Eine genaue Berechnung der Membrangeometrie wird dadurch erschwert, dass beim Einspannen der Membran zwischen Grund und Deckplatte Membranmaterial in Richtung der Förderräume ausgedehnt wird und sich die Membran nicht vollständig linear dehnt. Die exakten Geometrien für ein totraumfreies Anlegen der Membran an die Flächen des Förderraumes wurden im Ausführungsbeispiel daher experimentell ermittelt.
Berechnung der Förderrate
Die Höhen der Kugelabschnitte berechnen sich mit:
, , dk eck , , dk+bm am
hk = — x tan— bzw. hm = x tan—
2 4 2 4 und daraus die Volumina:
(dk + 2 x bm hk\
Vk = π x hk2 x ί ~J Vz = π x rz2 x hh dk + 2 x bm hm\
Vm = π x hm2 x
2 3 /
Für eine volle Umdrehung der Kurvenscheibe berechnet sich dann das Fördervolumen zu:
V = (Vk + Vz — Vm) x 3 Förderperioden x 4 Fördereinheiten
Ein lückenloses Anschließen der vier Abgabe- bzw. Ansaugphasen der Fördereinheiten hängt von einer kleinen konzentrischen Abweichung der Mittelpunktsymmetrien der Bahnkreise zwischen Deckplatte 1 und Kurvenscheibe 4 ab. Der entstehende Winkelfehler berechnet sich hier zu:
Konzentrische Abweichung
af = arctan
Bahndurchmesser
Ergebnis
Das Ausführungsbeispiel zeigt, dass eine Unterteilung der Bahnkurven auf der Kurvenscheibe in drei Förderperioden zu je 120° eine besonders günstige Anordnung der Förder- und Ventilelemente zuiässt. Werden dabei die Bahnkurve für die Ventilelemente auf einer äußeren und die Bahnkurve der Förderelemente auf einer inneren Kreisbahn angelegt, können die Ventilelemente zu ihrem Förderelement in idealer Weise angeordnet werden. Zudem ist dann von Vorteil, dass die äußere Bahnkurve größere Weglängen für die 15° einschließenden Steigungen der Ventilelemente ergibt. In einer weiteren Ausführung können die Bahnkurven der Förder- und Ventiielemente, in neun Förderperioden zu je 40° für einen vollen Umlauf der Kurvenscheibe aufgeteilt werden. Es lassen sich alle Medium-führenden Räume der Pumpe in einer Ebene, konzentrisch und symmetrisch um die Mittelachse anordnen, was eine sehr kleine Bauform und eine einfache Herstellung ermöglicht. Die beschriebenen Maßnahmen zur Pulsationsminimierung benötigen keine zusätzlichen Bauelemente und führen zu keiner Erhöhung der Herstellungskosten. Als Totraum sind einzig die kleinen Verbindungkanäle zwischen Ventil- und Förderelementen anzuführen, was eine einfache Entlüftung der Förder- wege und ein hohes Maß an Ansaugvermögen gewährleistet. Bei entsprechender Dicke der Membran, kann eine totraumfreie Ausführung dadurch erreicht werden, dass sich die Förderraume mit den Ventilräumen leicht überschneiden, was die Verbindungskanäle zwischen Ventilräumen und Förderräumen überflüssig machen kann. Da die Membran durch die Förderelemente nahezu vollständig hinterstützt wird, befinden sich keine kompressiblen Bereiche in den Förderräumen. Die Pumpe zeigt daher ein in einem weiten Förderbereich vom Gegendruck unabhängiges Förderverhalten. Es entstehen bauartbedingt keine Saug- und Druckeffekte durch das Förderprinzip. Durch den weiten Drehzahlbereich und die sehr geringe Restpulsation konnte eine hohe Förder- und Reproduziergenauigkeit von < 1 %, im Besonderen bei niedrigen
Drehzahlen der Kurvenscheibe von < 1 U/min erzielt werden, was einen großen Förderbereich von > 1: 1000 möglich macht. Durch die freie Zugänglichkeit der Medien-berührenden Flächen können diese sehr einfach gereinigt oder bei entsprechenden Anforderungen poliert bzw. beschichtet werden. Die verwendete Silikonmembran zeigte als einziges Verschleißteil auch bei höheren Gegendrücken von > 5 bar ein gutes Langzeitverhalten. Da die Hubbewegungen von der Kurvenscheibe auf die Ventil- und Förderelemente bzw. der Membran spielfrei übertragen werden, ist bauartbedingt, bei entsprechender Auslegung des Antriebssystems, ein verzögerungsfreies Starten, Stoppen bzw. Umschalten der Förderrichtung zu erreichen. Da die Medien-führenden
Geometrien der Pumpe keine Hinterschnitte enthalten, lässt sich der Pumpenkopf sehr einfach im Sinter oder Spritzgussverfahren und in den verschiedensten Materialien wie Kunststoff, Keramik oder Glas herstellen. Bei entsprechender Auslegung des Pumpenkopfes in einem transparenten Material, sind sämtliche Flusswege während des Betriebes einsehbar. Aufgrund des einfachen kompakten Aufbaus, der hohen Förderpräzision und des weiten Förderbereiches ergeben sich eine breite Anwendbarkeit der Pumpe mit Einsatzmöglichkeiten in den verschiedensten Bereichen des Transfers von Flüssigkeiten und Gasen. Da der Pumpenkopf mit der Membran aus nur zwei ein- fachen Bauteilen besteht, kann er beispielsweise für sterile Anwendungen in der Medizin, als Einwegbauteil konzipiert werden. Das vorgestellte Verfahren zur Pulsationsminimierung kann vorteilhaft in Ausführungen von Kolbenpumpen und bei Mikropumpen Anwendung finden.

Claims

Patentansprüche
1. Membranpumpe zur Erzeugung einer nahezu laminaren Strömung enthaltend
• mindestens vier Fördereinheiten mit jeweils einem Förderelement (5) und zwei Ventilelementen (6),
• eine Deckplatte (1),
• eine Grundplatte (3) mit Aussparungen für die Förderelemente (5) und die Ventilelemente (6),
• eine zwischen der Deckplatte (1) und der Grundplatte (3) angeordnete Membran (2) und
• eine rotierbare Kurvenscheibe (4) mit zwei Bahnkurven (55, 65) mit Vertiefungen und Steuerkanten, wobei die Bahnkurven (55, 65), die Vertiefungen und die Steuerkanten so angeordnet sind, dass sich bei einer Rotation der Kurvenscheibe (4) um eine Mittelachse die Förderelemente (5) entlang der einen Bahnkurve (55) und die Ventilelemente (6) entlang der anderen Bahnkurve (65) bewegen und dabei die Förderelemente (5) und Ventilelemente (6) parallel zur Mittelachse periodisch ausgelenkt werden, wobei die Deckplatte (1) oder die Membran (2) Förderkammern (50, 51, 52, 53) und Ventilkammern (60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b) sowie Medium-führende Kanäle aufweist und die Förderkammern (50, 51, 52, 53) und Ventilkammern (60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b) in einer Position angeordnet sind, dass bei einer Rotation der Kurvenscheibe (4) um die Mittelachse die Membran (2) an den Positionen der entsprechenden Förderkammern (50, 51, 52, 53) und Ventilkammern (60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b) durch die Auslenkung der För- derelemente (5) und Ventilelemente (6) in Richtung der Deckplatte (1) gedrückt wird, und wobei die Grundplatte (3) in mindestens vier Abschnitte unterteilt ist, die alle einen gleich großen Phasenwinkel um die Mittelachse abdecken und in jedem der mindestens vier Abschnitte eine der mindestens vier Fördereinheiten angeordnet ist, außerdem die Förderelemente (5) auf einer Kreisbahn punktsymmetrisch um die Mittelachse angeordnet sind, die Ventilelemente (6) auf einer weiteren Kreisbahn punktsymmetrisch um die Mittelachse angeordnet sind und die zwei Ventilelemente (6) einer Fördereinheit den gleichen Abstand zum Förderelement (5) derselben Fördereinheit aufweisen.
Membranpumpe nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (2) Förderkammern (50, 51, 52, 53) und Ventilkammern (60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b) sowie Medium-führende Kanäle aufweist und die Förderkammern (50, 51, 52, 53) und Ventilkammern (60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b) in einer Position angeordnet sind, dass bei einer Rotation der Kurvenscheibe (4) um die Mittelachse die entsprechenden Förderkammern (50, 51, 52, 53) und Ventilkammern (60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b) der Membran (2) durch die Auslenkung der Förderelemente (5) und Ventilelemente (6) gegen die Deckplatte (1) ausgedrückt werden.
Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreisbahn, auf der die Ventilelemente (6) angeordnet sind, weiter von der Mittelachse entfernt ist als die Kreisbahn, auf der die Förderelemente (5) angeordnet sind.
Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranpumpe vier Fördereinheiten enthält.
Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer maximalen Auslenkung eines der Förderelemente (5) bzw. eines der Ventilelemente (6) die Membran (2) an der Position einer entsprechenden Förderkammer (50, 51, 52, 53) bzw. Ventilkammer (60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b), so in Richtung der Deckplatte (1) gedrückt wird, dass an dieser Position kein Totraum zwischen Membran (2) und Deckplatte (1) besteht.
Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnkurven und/oder die Vertiefungen der Bahnkurven so angeordnet sind, dass sich die Steuerkanten nicht überdecken.
Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtheit der Förderkammern (50, 51, 52, 53), Ventilkammern (60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b) und Medium-führenden Kanälen von einem Steg umschlossen ist.
Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnkurven (55, 65) jeweils in mindestens drei gleich große Abschnitte, bevorzugt drei oder neun gleich große Abschnitte, unterteilt sind, die jeweils einen Phasenwinkel gleicher Größe um die Mittelachse abdecken und die gleich großen Abschnitte jeweils in vier Unterabschnitte unterteilt sind, wobei der erste der vier Unterabschnitte ausschließlich eine plane Fläche ohne Vertiefungen aufweist, der dritte der vier Unterabschnitte ausschließlich eine Vertiefung mit Bahnkanten aufweist und der zweite und vierte der vier Unterabschnitte einen Übergang mit Bahnkanten zwischen der planen Fläche ohne Vertiefungen und der Vertiefung mit Bahnkanten aufweist.
Membranpumpe nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnkurve (55) der Förderelemente im jeweiligen ersten und dritten Unterabschnitt der gleichen Abschnitte so modifiziert ist, dass ein Fehlvolumen, welches durch die Auslenkung eines Ventilementes in der entsprechenden Vertiefung der Deckplatte (1) entsteht, durch eine zusätzliche Auslenkung des Förderelementes der selben Fördereinheit kompensiert wird.
Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderelemente (5) sowie die Ventilelemente (6) und die Steuerkanten der Kurvenscheibe (4) so angeordnet sind, dass bei der Rotation der Kurvenscheibe (4) entweder die Ventilelemente (6) oder das Förderelement (5) einer Fördereinheit parallel zur Mittelachse bewegt werden.
Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckplatte (1) und/oder die Grundplatte (3) aus Kunststoff, Keramik und/oder Glas, bevorzugt einem transparentem Kunststoff oder transparentem Glas, besteht und/oder die Membran (2) aus einem Elastomer besteht.
Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckplatte (1) und die Membran (2) einstückig ausgebildet sind.
Verfahren zum Betrieb einer Membranpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Kurvenscheibe (4) in Rotation um eine Mittelachse versetzt wird und dadurch die Förderelemente (5) und die Ventilelemente (6) parallel zur Mittelachse ausgelenkt werden, wodurch die Membran (2) an den Positionen der entsprechenden Förderkammern (50, 51, 52, 53) und Ventilkammern (60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b) in Richtung der Deckplatte (1) gedrückt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (2) Förderkammern (50, 51, 52, 53) und Ventilkammern (60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b) sowie Medium-führende Kanäle aufweist, die Kurvenscheibe (4) in Rotation um eine Mittelachse versetzt wird und dadurch die Förderelemente (5) und die Ventilelemente (6) parallel zur Mittelachse ausgelenkt werden, wodurch die Förderkammern (50, 51, 52, 53) und Ventilkammern (60a, 60b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b) der Membran (2) auf die Deckplatte (1) ausgedrückt werden.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Förderelement (5) eine sich wiederholende Förderperiode durchläuft, wobei eine Förderperiode eines Förderelementes (5) in mindestens 4 hintereinander ablaufende Förderphasen unterteilt ist, umfassend mindestens eine Förderphase Fl, in welcher sich das Förderelement (5) in einer oberen Endlage befindet, eine Förderphase F2, in welcher das Förderelement (5) von der oberen Endlage gleichmäßig axial in eine untere Endlage geführt wird, eine Förderphase F3, in welcher sich das Förderelement (5) in der unteren Endlage befindet, und eine Förderphase F4, in welcher das Förderelement (5) von der unteren Endlage gleichmäßig axial in die obere Endlage geführt wird, und/oder jedes Ventilelement (6) eine sich wiederholende Förderperiode durchläuft, wobei eine Förderperiode eines Ventilelementes (6) in mindestens 4 hintereinander ablaufende Ventilphasen unterteilt ist, umfassend mindestens eine Ventilphase VI, in welcher sich das Ventilelement (6) in einer oberen Endlage befindet, eine Ventilphase V2, in welcher das Ventilelement (6) von der oberen Endlage gleichmäßig axial in eine untere Endlage geführt wird, eine Ventilphase V3, in welcher sich das Ventilelement (6) in der unteren Endlage befindet, und eine Ventilphase V4, in welcher das Ventilelement (6) von der unteren Endlage gleichmäßig axial in die obere Endlage geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeich net, dass bei einer vollen Umdrehung der rotierbaren Kurvenscheibe (4) jede Fördereinheit mindestens drei, bevorzugt drei oder neun, Förderperioden durchläuft.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sich zu jedem Zeitpunkt, indem sich ein Förderelement (5) einer Fördereinheit in der Förderphase F2 oder F4 befindet, die Ventilelemente (6) derselben Fördereinheit in der Förderphase VI oder V3 befinden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranpumpe vier Fördereinheiten aufweist und zu jedem Zeitpunkt des Verfahrens sich jeweils eines der Förderelemente
(5) in der Förderphase Fl, eines der Förderelemente (5) in der Förderphase F2, eines der Förderelemente (5) in der Förderphase F3 und eines der Förderelemente (5) in der Förderphase F4 befindet.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass durch Umkehr der Drehrichtung der Kurvenscheibe (4) die Richtung der erzeugten nahezu laminaren Strömung umgekehrt wird.
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