WO2018202790A1 - Pumpenanordnung zum fördern viskoser medien, vorrichtung mit selbiger und verfahren zur herstellung von oberflächenbeschichtungsmitteln, sowie verwendung einer pumpenanordnung - Google Patents

Pumpenanordnung zum fördern viskoser medien, vorrichtung mit selbiger und verfahren zur herstellung von oberflächenbeschichtungsmitteln, sowie verwendung einer pumpenanordnung Download PDF

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working chamber
medium
control valve
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Juergen EXLER
Markus WANJURA
Sergej GERTJE
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Basf Coatings Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a pump arrangement for conveying viscous media, comprising a diaphragm pump with a delivery chamber, a working chamber fluid-conductively connectable to a source of a pressurized working medium, and a membrane separating the working chamber from the delivery chamber.
  • the invention relates to a device for producing surface coating compositions, in particular coating compositions for metallic and plastic surfaces, comprising a delivery medium source of a viscous medium containing constituents to be dispersed, a dispersion device connected in a fluid-conducting manner to the delivery medium source for producing a dispersion from the viscous medium, and a pump assembly fluidly connected to the fluid source and the dispersing means for conveying the viscous medium from the fluid source to the dispenser.
  • the invention relates to a process for producing a surface coating agent, in particular a coating material for metallic and plastic surfaces, comprising the steps of conveying a viscous medium containing components to be dispersed from a fluid source to a disperser, and producing a dispersion from the viscous medium by means of the dispersing device.
  • the invention relates to the use of a pump arrangement for supplying a viscous medium containing constituents to be dispersed to a dispersing device.
  • Pump assemblies of the type described are used for conveying various media, according to the invention in particular for conveying viscous media with components to be dispersed.
  • viscous media according to the invention in particular liquids, flowable suspensions and dispersions understood.
  • the operating principle of these pump arrangements is based on the fact that in the working chamber, a pressure is built up and released repeatedly, which causes a movement of the membrane. In one section of the cycle of movement of this membrane viscous medium is sucked into the delivery chamber, and in another section, the viscous medium is expelled from the delivery chamber in an opposite movement of the membrane.
  • Pump assemblies of the type described are particularly suitable for promoting media that are highly risk of contamination or hazardous, the outlet from the pump assembly should therefore be avoided, or where entry of foreign matter into the medium to be prevented.
  • An essential feature of the delivery principle is that the mass flow delivered by the pump assemblies, which is based on displacement by means of the membrane, is dependent on the backpressure that the viscous medium itself opposes to the movement of the membrane in the delivery chamber. The higher the back pressure or the viscosity of the viscous medium in the delivery chamber and downstream of it, the lower is the throughput through the diaphragm pump in the normal case.
  • surface coating compositions are, in particular, paints, for example vehicle and automotive refinish paints, architectural paints and the like, so-called coatings products. These are based on material dispersions, are mostly solvent or water based sometimes have dispersed additives. Among such dispersed ingredients, in particular binders, pigments and other additives, e.g. Thickeners and fillers, understood.
  • the object of the invention was to specify a pump arrangement which overcomes the above-mentioned disadvantages as far as possible.
  • the invention has for its object to provide a pump assembly, which is low maintenance and contamination-proof, and at the same time can be used in devices and methods of the type described.
  • the invention was also the object of specifying a way of improving the initially described devices and methods.
  • the invention solves the underlying object in a first aspect by a control valve assembly is mounted between the working fluid source and the working chamber, and the membrane by means of control of the control valve assembly between the working chamber and the delivery chamber is movable back and forth, the pump assembly a signal-conducting having the control valve assembly connected electronic control member which is adapted to control the amount of compressed air in the working chamber by controlling the control valve assembly in dependence on the flow rate of the emerging from the feed chamber medium.
  • the electronic control element has a control behavior that has a reinforcing component, a time-integrated component and a differentiated component.
  • the invention is based on the approach that the design-related disadvantages of diaphragm pumps can be compensated by means of a targeted compressed air flow control of the working medium for driving the membrane, so that the controlled diaphragm pump is able to promote a substantially constant mass flow, and in particular mass flow fluctuations due to changed viscosities or compensate for a change in the back pressure of the pumped medium.
  • the higher the viscosity or the backpressure of the pumped medium in the delivery chamber and downstream thereof, the higher can be regulated by means of the control valve arrangement, the amount of compressed air in the working chamber to prevent a decrease in the mass flow.
  • the pump arrangements according to the invention can also be used on devices for the production of surface coating compositions which have dispersing devices and require closely defined residence times in the dispersing devices.
  • product damage can be avoided, since the residence times can always be met due to the regulatory intervention.
  • the pump arrangement according to the invention can also be used for contaminating or endangered environments.
  • the invention is advantageously further developed by a sensor for detecting the exiting from the delivery chamber flow rate is arranged downstream of the delivery chamber, the electronic controller member signal conducting connected to the sensor and is adapted to detect a deviation of the detected flow rate of a predetermined setpoint, and in case of falling below the target value to control the control valve arrangement for increasing the amount of compressed air in the working chamber, and to control the control valve arrangement for reducing the amount of compressed air in the working chamber when exceeding the target value.
  • the electronic controller member preferably comprises one or more processors, data storage and data interfaces, as well as program means configured to carry out the prescribed compressed air flow control.
  • the electronic control member may be designed as a separate structural unit, or arranged on the compressed air flow regulator or on the sensor or integrated therein.
  • the control valve arrangement preferably has a pneumatically, hydraulically or electromagnetically actuated control valve. 170062
  • the electronic controller member has a PID controller, or a controller that allows a comparable control behavior, such as a state controller, in particular with observer, or a fuzzy controller, which in particular by an integral component and a differentiating component has extended input channels.
  • the controller has three controller components connected in parallel: a P component Kp; an I-share Ki / s, as well as a D-share KD * s.
  • These three controller components are preferably configured so that they have a fast and at the same time stable control behavior.
  • TN is the integral time and defines the I-part of the controller.
  • Tv is the differential time and defines the influence of the D component of the controller.
  • Kp is a value constant as an offset of the input signal and defines the P-component of the controller.
  • Kp is selected in the range of 1 to 10, more preferably in the range of 2 to 5.
  • TN is selected in the range of 1 s to 10 s, more preferably in the range of 2 s to 6 s.
  • Tv is selected in the range of 0.1s to 2s, more preferably in the range of 0.2s to 1s.
  • the sensor for detecting the flow rate is designed as a mass flow sensor.
  • the mass flow sensor is designed as a Coriolis sensor, also referred to as Coriolis mass flow meter (CMDM).
  • CMDM Coriolis mass flow meter
  • the pump arrangement is advantageously further developed in that the diaphragm pump is designed as a double-diaphragm pump, and has a second delivery chamber, a second working chamber fluid-conductively connectable to the source of the pressurized working medium, and a membrane separating the second working chamber from the second delivery chamber.
  • the first and second membrane are driven in opposite directions, so that at the time when the first working chamber is sucked in the delivery medium, medium is ejected from the second working chamber, and vice versa.
  • a pulsation damper for smoothing the mass flow of the viscous medium is arranged downstream of the diaphragm pump.
  • the pulsation damper is preferably arranged upstream of the sensor for detecting the flow rate.
  • the pulsation damper is dimensioned large in relation to the delivery volume of the diaphragm pump.
  • the pulsation damper has a maximum fluid volume, which corresponds to twice to four times, in particular three times, the discharge rate of the diaphragm pump over a half delivery cycle.
  • the invention has been described above with reference to the pump arrangement itself.
  • the invention solves the above-mentioned object according to a further aspect also in a device of the type described, in that the device comprises a pump arrangement according to one of the preferred embodiments described above.
  • the invention therefore proposes an apparatus for producing surface coating compositions, in particular coating compositions for metallic surfaces, which comprises a delivery medium source of a viscous medium containing constituents to be dispersed, a dispersion medium for producing a dispersion of the viscous medium, preferably one, in fluid communication with the delivery medium source Agitator mill, and a pump arrangement fluid-conductively connected to the pumped medium source and the dispersing device for pumping the viscous medium from the pumped medium source to the dispersing device, the pumping arrangement comprising a diaphragm pump with a delivery chamber, a working chamber fluidically connectable to a source of pressurized working fluid, and a working chamber of of the I 170062 II
  • Delivery chamber separating diaphragm, wherein between the working medium source and the working chamber, a control valve assembly is mounted, and the membrane by means of actuation of the control valve assembly between the working chamber and the delivery chamber back and forth reciprocally, wherein the pump assembly has a signal conductively connected to the control valve assembly electronic control member, the is set to regulate the amount of compressed air in the working chamber by controlling the control valve assembly as a function of the flow rate of the emerging from the delivery chamber medium, wherein preferably the electronic controller member has a control behavior having a gain component, an integrating component, and a differentiating component.
  • the device according to the invention makes use of the advantages and preferred embodiments of the pump arrangement described above. Reference is made in this regard to the above statements. With the device according to the invention, coating compositions for metallic and plastic surfaces, in particular vehicle and automotive refinish paints, building paints and other paints, can be produced economically and at the same time safely. In particular, the prejudice is overcome that a diaphragm pump is not suitable for supplying viscous media to a dispersing device such as an agitator mill.
  • the invention further relates to a process for producing a surface coating agent, in particular a coating agent for metallic surfaces as described above.
  • the method achieves the object described at the outset with the following steps: conveying a viscous medium containing constituents to be dispersed from a pumped medium source to a dispersing device, preferably an agitator mill, and producing a dispersion from the viscous medium by means of the dispersing device, wherein the conveying step of the viscous medium comprises: conveying the viscous medium by means of a diaphragm pump having a viscous medium conveying chamber and a working chamber for moving a membrane with which the viscous medium is conveyed through the conveying chamber, detecting a mass flow of the viscous fluid emerging from the conveying chamber Medium, and regulating the amount of compressed air in the working chamber in dependence of the detected mass flow.
  • the method is in particular practiced by means of a pump arrangement or a device according to one of the preferred embodiments described above. The method also makes
  • the method is further advantageously developed by the steps of: detecting a deviation of the detected flow rate from a predetermined setpoint, increasing the amount of compressed air in the working chamber falls below the setpoint, and reducing the amount of compressed air in the working chamber when exceeding the setpoint. More preferably, the method comprises the step of smoothing the mass flow of the viscous medium downstream of the membrane, and preferably upstream of a sensor used to detect the flow rate.
  • the invention in another aspect, relates to a use of a pump assembly.
  • a pump arrangement is used for supplying a viscous medium containing constituents to be dispersed to a dispersing unit, preferably an agitator mill, wherein the pump arrangement is designed according to one of the preferred embodiments described above.
  • the invention relates to the use of a membrane pump, in particular in a pump arrangement for supplying a viscous medium containing constituents to be dispersed, to a dispersing means, preferably an agitator mill, for the purpose of producing a surface coating agent as described above.
  • FIG. 1 shows an R & I flow chart of a pump arrangement and apparatus according to a preferred exemplary embodiment
  • Figure 2 is a schematic representation of a diaphragm pump for the
  • FIG. 1 shows the schematic structure of a pump arrangement 1.
  • the pump arrangement 1 has a first connection 2 via which the pump arrangement 1 is supplied with a viscous medium to be conveyed, in particular with constituents to be dispersed.
  • the pump assembly 1 further comprises a diaphragm pump 7, by means of which the viscous medium is sucked from the first port 2 and further promoted.
  • the diaphragm pump 7 in a generally known manner on a (more detail in Figure 2) delivery chamber and a working chamber, wherein the delivery chamber and the working chamber are separated by a membrane.
  • the diaphragm pump is preferably designed as a double diaphragm pump
  • Diaphragm pump 7 is connected in a fluid-conducting manner to a second connection 4 of the pump arrangement 1 and is supplied with a pressurized working medium, for example compressed air, via the second connection 4.
  • a pressurized working medium for example compressed air
  • an oscillating pressure is pre-controlled by the working medium supply into the second connection 4.
  • FIG The diaphragm in the diaphragm pump 7 is reciprocated between the pumping chamber and the working chamber to achieve suction into the pumping chamber and further feeding of the viscous medium from the pumping chamber.
  • a pulsation damper 9 Downstream of the diaphragm pump 7, a pulsation damper 9 is arranged, which is adapted to smooth the mass flow of the viscous medium emerging from the delivery chamber of the diaphragm pump 7.
  • the maximum fluid volume of the pulsation damper 9 is greater than the delivery volume of the diaphragm pump 7 over half a delivery cycle, preferably two to 4 times as large, more preferably three times as large.
  • the pulsation damper 9 is likewise connected in a fluid-conducting manner to the second connection 4 by means of a distributor 19.
  • a sensor 1 1 Downstream of the pulsation damper, a sensor 1 1 is provided for detecting the flow rate of the exiting from the diaphragm pump 7 viscous medium.
  • the sensor 11 is preferably designed as a mass flow meter, particularly preferably as a Coriolis mass flow sensor.
  • the pump assembly 1 further comprises an electronic regulator member I 170062 II
  • the electronic controller member 23 which has a controller, preferably a PID controller or other controller type with similar control behavior, by means of which the maximum pressure of the working fluid in the diaphragm pump 7 is controlled in dependence on the flow rate of the emerging from the diaphragm pump 7 viscous medium.
  • the control behavior of the electronic controller member particularly preferably comprises a reinforcing component, an integrating component, and a differentiating component.
  • the electronic control member 23 is signal-conducting connected both to the control valve assembly 21 and to the sensor 1 1 for detecting the flow rate.
  • the electronic controller member 23 has a data interface, by means of which a predetermined desired value w s can be input, which is to be based on the regulation as a reference greetings.
  • the sensor 1 1 provides the electronic controller member 23 an actual size Wi.
  • the controller provided in the electronic controller member 23 detects a deviation from wi relative to the target value ws. If w, ⁇ w s , the electronic regulator member 23 controls the control valve assembly 21 so that the amount of compressed air in the working chamber of the diaphragm pump 7 is increased. If w,> w s , controls the electronic controller member 23, the valve assembly 21 such that the amount of compressed air in the working chamber of the diaphragm pump 7 is reduced.
  • Kp 3 for the P component of the controller
  • TN 4s for the I component of the controller
  • Tv 0.5s for the D Part of the controller.
  • other controller types it is also possible according to the invention for other controller types to be used which simulate the control behavior described above.
  • a state controller could be used which generates a corresponding control behavior based on mathematical models.
  • the basic mode of operation of the diaphragm pump 7 is shown in FIG.
  • the diaphragm pump 7 is in this embodiment, a double diaphragm pump and has a first delivery chamber 8a and a second delivery chamber 8b. Furthermore, the diaphragm pump 7 has a first working chamber 10a, which is separated from the first conveying chamber 8a by means of a first diaphragm 20a. The diaphragm pump 7 further has a second working chamber 10b, which is separated from the second conveying chamber 8b by means of a second diaphragm 20b.
  • the first and second diaphragms 20a, b are mechanically connected by means of a connecting rod 12 and thus are moved such that movement of the first diaphragm 20a into the delivery chamber 8a is accompanied by movement of the second diaphragm 20b out of the delivery chamber 8b.
  • a connecting rod 12 moves such that movement of the first diaphragm 20a into the delivery chamber 8a is accompanied by movement of the second diaphragm 20b out of the delivery chamber 8b.
  • an increase in volume or volume reduction of the respective chambers is generated.
  • An increase in volume of the delivery chamber is accompanied by a simultaneous reduction in volume of the adjacent working chamber and vice versa.
  • the working chambers are fluid-conductively connected to a control chamber 14, which in turn (not shown) in fluid communication with the second port 4 of the pump assembly is in communication and is supplied by this with pressurized air.
  • a control element 16 alternately establishes a fluid-conducting connection between the first working chamber 10a and the control chamber 14, or between the second working chamber 10b and the control chamber 14, while the other working chamber is separated from the control chamber 14. In the state where the working chamber is separated from the control chamber, air in the respective working chamber is exhausted through an outlet (not shown). Depending on the position of the control element 16, therefore, the pressure of the working medium is applied to the first or second membrane 20a, b and ensures a displacement of the viscous medium from the respective delivery chamber 8a, b.
  • the working medium is introduced into the first working chamber 10a.
  • the first diaphragm 20a reduces the volume in the first delivery chamber 8a, bringing a first sealing element 18a into a closed position, and a second sealing element 18b into an open position, so that viscous medium can be removed from the first delivery chamber 8a in the direction of the outlet.
  • a third sealing element 18c is brought into an open position by a negative pressure arising in the second delivery chamber 8b, and a fourth sealing element 18d is brought into a closed position, so that viscous medium, which is supplied from the first port 2, can flow into the second delivery chamber 8b.
  • the pump assembly 1 is part of a device 100 for producing surface coating agents such as paints for metallic and plastic surfaces.
  • the device 100 has a source 103 of a viscous medium to be delivered with constituents to be dispersed, which is fluid-conductively connected to the first port 2 of the pump arrangement 1 by means of a hose line 105.
  • the apparatus 100 has a source 1 15 of a pressurized working medium, for example compressed air, for the diaphragm pump 7, which is fluidly connected by means of a hose line 1 17 with the second port 4 of the pump assembly.
  • a pressurized working medium for example compressed air
  • the apparatus 100 further comprises a dispersing device 125, for example an agitating mill, which is fluid-conductively connected to the third connection 6 of the pump line 1 and into which the pump arrangement 1 transfers the viscous medium. 170062
  • the viscous medium is provided in the source 103, which is added either there or already in an upstream step with components to be dispersed.
  • the diaphragm pump 7 of the pump assembly is pneumatically driven by means of the working fluid from the source 1 15 and sucks the viscous medium from the source 103 at.
  • the pulsation damper 9 smoothes the mass flow of the viscous medium emerging from the diaphragm pump 7.
  • the preferably permanently running during operation of the pump assembly 1 sensor 1 1 detects the emerging from the diaphragm pump 7 flow rate of the viscous medium and reports this as actual value w, to the electronic controller member 23.
  • the electronic controller member 23 calculates the deviation of w, to a previously entered setpoint w s and controls in response to a detected deviation, the open position of the control valve assembly 21 to either increase or decrease the amount of compressed air in the working chamber of the diaphragm pump 7.
  • the control mechanism responds with a corresponding increase in the amount of compressed air in the working chamber to ensure a constant mass flow at the third port 6, from where the viscous medium is transferred to the disperser 125 to there To generate dispersion of the viscous medium and its components.
  • Plants such as that shown in FIG. 1 are often run in a circle, indicated by the broken line in FIG. In these systems, due to the continuously changing viscosity of the pumped medium in the course of the circle promotion, the advantages according to the invention are particularly significant.
  • a diaphragm pump for example, a 1, 5 “or 2" compressed air diaphragm pump manufacturer WP-ARO, type PD15A-BSS-STT (or PD20A-BSS-STT) is used.
  • the pulsation damper used is, for example, a 3 "pulsation damper of the manufacturer WP-ARO, type SP30A-BSS-T.
  • the sensor 1 1 is preferably a mass flowmeter manufacturer Micro Motion, type CMFS075.
  • a typical application of a pump arrangement according to the invention is the production of surface coating agents such as paints. I 170062 II
  • Paint formulations contain, in addition to color pigments and binders, a multiplicity of further constituents to be dispersed, such as fillers, additives, auxiliaries and additives.
  • fillers are calcium carbonate (chalk), barium sulfate (baryte) and kaolin.
  • chalk calcium carbonate
  • barium sulfate baryte
  • kaolin a group consisting of calcium carbonate (chalk), barium sulfate (baryte) and kaolin.
  • Paint formulations typically contain additives and / or auxiliaries, by the addition of which properties of the paint formulation or of a paint film formed therefrom are influenced. By adding wetting and dispersing aids, siccatives, antioxidants, etc. the processability of coating formulations is influenced. Hardening accelerators lead to a faster curing of the paint film. Plasticizers reduce the softening range of the binder and provide better elasticity of the paint films. Antimicrobial additives or biocidal substances improve the shelf life of paint formulations by preventing paint from being rendered unusable by microorganisms. Additives increase the shelf life and make processing easier.
  • biocidal substances are intended to prevent the paint in the container from becoming unusable due to microorganisms.
  • an aqueous test-conveying medium to which a typical for the formulation to be delivered viscosity, a thickener is metered in
  • commercially available thickeners can be used , eg Thickening agents available under the trade name "Acrysol" can be reproduced here by continuously metering in the thickener as an example of the change in viscosity of a coating formulation to be dispersed on a stirred-mill mill.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pumpenanordnung (1) zum Fördern viskoser Medien, mit einer Membranpumpe (7) mit einer Förderkammer (8a,b), einer mit einer Quelle (115) eines druckbeaufschlagten Arbeitsmediums fluidleitend verbindbaren Arbeitskammer (10a,b), und einer die Arbeitskammer (10a,b) von der Förderkammer (8a,b) trennenden Membran (20a,b). Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass zwischen der Arbeitsmedienquelle (115) und der Arbeitskammer (10a,b) eine Regelventilanordnung (21) montiert ist, und die Membran (20a,b) mittels Ansteuerung der Regelventilanordnung (21) zwischen der Arbeitskammer (10a,b) und der Förderkammer (8a,b) hin-und herbewegbar ist, wobei die Pumpenanordnung (1) ein signalleitend mit der Regelventilanordnung (21) verbundenes elektronisches Reglerglied (23) aufweist, das dazu eingerichtet ist, die Druckluftmenge in der Arbeitskammer (10a,b) mittels Ansteuerung der Regelventilanordnung (21) in Abhängigkeit der Durchflussmenge des aus der Förderkammer (8a,b) austretenden Mediums zu regeln.

Description

Pumpenanordnung zum Fördern viskoser Medien, Vorrichtung mit selbiger
und Verfahren zur Herstellung von Oberflächenbeschichtungsmitteln, sowie
Verwendung einer Pumpenanordnung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pumpenanordnung zum Fördern viskoser Medien, mit einer Membranpumpe mit einer Förderkammer, einer mit einer Quelle eines druckbeaufschlagten Arbeitsmediums fluidleitend verbindbaren Arbeitskammer, und einer die Arbeitskammer von der Förderkammer trennenden Membran.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt eine Vorrichtung zur Herstellung von Oberflächenbeschichtungsmitteln, insbesondere von Beschichtungsmitteln für metallische und Kunststoff-Oberflächen, mit einer Fördermedienquelle eines viskosen Mediums, welches zu dispergierende Bestandteile enthält, einer fluidleitend mit der Fördermedienquelle verbundenen Dispergiereinrichtung zum Erzeugen einer Dispersion aus dem viskosen Medium, und einer mit der Fördermedienquelle und der Dispergiereinrichtung fluidleitend verbundenen Pumpenanordnung zum Fördern des viskosen Mediums von der Fördermedienquelle zu der Dispergiereinrichtung.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt ein Verfahren zur Herstellung eines Oberflächenbeschichtungsmittels, insbesondere eines Beschichtungsmittels für metallische umd Kunststoff-Oberflächen, umfassend die Schritte: Fördern eines viskosen Mediums, welches zu dispergierende Bestandteile enthält, aus einer Fördermedienquelle zu einer Dispergiereinrichtung, und Erzeugen einer Dispersion aus dem viskosen Medium mittels der Dispergiereinrichtung. I 170062 I I
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung einer Pumpenanordnung zum Zuführen eines viskosen Mediums, welches zu dispergierende Bestandteile enthält, zu einer Dispergiereinrichtung.
Pumpenanordnungen der eingangs bezeichneten Art werden zum Fördern verschiedenster Medien verwendet, erfindungsgemäß insbesondere zum Fördern viskoser Medien mit zu dispergierenden Bestandteilen. Unter viskosen Medien werden erfindungsgemäß insbesondere Flüssigkeiten, fließfähige Suspensionen und Dispersionen verstanden. Das Funktionsprinzip dieser Pumpenanordnungen basiert darauf, dass in der Arbeitskammer wiederkehrend ein Druck aufgebaut und abgebaut wird, der eine Bewegung der Membran verursacht. In einem Abschnitt des Bewegungszyklus dieser Membran wird viskoses Medium in die Förderkammer eingesogen, und in einem weiteren Abschnitt wird bei einer gegenläufigen Bewegung der Membran das viskose Medium aus der Förderkammer ausgetrieben.
Pumpenanordnungen der eingangs bezeichneten Art sind in besonderem Maße dafür geeignet, Medien zu fördern, die stark kontaminationsgefährdet oder -gefährdend sind, deren Austritt aus der Pumpenanordnung also vermieden werden soll, oder bei denen Eintritt von Fremdmaterie ins Medium verhindert werden soll. Ein Wesenszug des Förderprinzips ist es aber, dass der von den Pumpenanordnungen geförderte Massenstrom, der auf ein Verdrängen mittels der Membran aufbaut, abhängig vom Gegendruck ist, den das viskose Medium selbst der Bewegung der Membran in der Förderkammer entgegensetzt. Je höher der Gegendruck bzw. die Viskosität des viskosen Mediums in der Förderkammer und stromabwärts davon ist, desto geringer ist im Normalfall der Durchsatz durch die Membranpumpe.
Die Vermeidung von Kontamination wird insbesondere für Vorrichtungen und Verfahren zur Herstellung von Oberflächenbeschichtungsmitteln der eingangs bezeichneten Art angestrebt. Unter Oberflächenbeschichtungsmitteln werden insbesondere Lacke, beispielsweise Fahrzeug- und Autoreparaturlacke, Bautenanstrichmittel und dergleichen verstanden, sogenannte Coatings-Produkte. Diese basieren auf Materialdispersionen, sind zumeist Lösungsmittel- oder wasserbasiert weisen mitunter dispergierte Additive auf. Unter solchen dispergierten Bestandteilen werden insbesondere Bindemittel, Pigmente und sonstige Additive, z.B. Verdickungsmittel und Füllstoffe, verstanden.
Vorrichtungen und Verfahren der eingangs bezeichneten Art werden insbesondere zur Herstellung von Lacken im Batchbetrieb betrieben und somit häufig An- und Abfahrvorgängen unterzogen. Diese Art der Anlagenbelastung führt zu einer zumindest 170062 abstrakten Gefahr, dass Brennstoffe oder Gase, beispielsweise Sauerstoff, in den Förderstrom des viskosen Mediums eindringen können. Besondere Herausforderungen ergeben sich demzufolge auch in Bereichen, wo die Vorrichtungen und Verfahren den Anforderungen des Explosionsschutzes genügen müssen. Im Stand der Technik wurden zur Herstellung der vorbezeichneten Oberflächenbeschichtungsmittel, insbesondere Lacke, in der Pumpenanordnung bislang vorrangig Zahnradpumpen, d.h. Innen- und Außenzahnradpumpen eingesetzt. Diese Pumpensind dazu ausgebildet, konstante Massenströme zu fördern. Da sie konstruktionsbedingt keine Gasphase in nachfolgend angeordnete Aggregate fördern können, soll durch sie gewährleistet werden, dass beispielsweise die Dispergiereinrichtung, die der Pumpenanordnung nachgeschaltet ist, im Betrieb permanent vollständig gefüllt werden kann und vor Trockenlaufen geschützt ist.
Die Verfügbarkeit solcher Pumpen am Markt und der in der Praxis hohe Wartungsaufwand werden bei diesen Pumpen als nachteilig empfunden. Davon ausgehend lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Pumpenanordnung anzugeben, welche die vorstehend angeführten Nachteile möglichst weitgehend überwindet. Insbesondere lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Pumpenanordnung anzugeben, welche wartungsarm und kontaminationssicher ist, und gleichzeitig in Vorrichtungen und Verfahren der eingangs bezeichneten Art eingesetzt werden kann. Somit lag der Erfindung insbesondere auch die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit der Verbesserung der eingangs bezeichneten Vorrichtungen und Verfahren anzugeben.
Die Erfindung löst die ihr zugrunde liegende Aufgabe in einem ersten Aspekt, indem zwischen der Arbeitsmedienquelle und der Arbeitskammer eine Regelventilanordnung montiert ist, und die Membran mittels Ansteuerung der Regelventilanordnung zwischen der Arbeitskammer und der Förderkammer hin- und her bewegbar ist, wobei die Pumpenanordnung ein signalleitend mit der Regelventilanordnung verbundenes elektronisches Reglerglied aufweist, das dazu eingerichtet ist, die Druckluftmenge in der Arbeitskammer mittels Ansteuerung der Regelventilanordnung in Abhängigkeit der Durchflussmenge des aus der Förderkammer austretenden Mediums zu regeln. Vorzugsweise weist das elektronische Regelglied ein Regelverhalten auf, das einen verstärkenden Anteil, einen zeitlich integrierten Anteil und einen differenzierten Anteil aufweist. 170062
Die Erfindung beruht auf dem Ansatz, dass mittels einer gezielten Druckluftmengenregelung des Arbeitsmediums zum Antrieb der Membran die konstruktionsbedingten Nachteile von Membranpumpen ausgeglichen werden können, sodass die geregelte Membranpumpe in der Lage ist, einen im wesentlichen konstanten Massenstrom zu fördern, und insbesondere Massenstromschwankungen infolge geänderter Viskositäten beziehungsweise eines geänderten Gegendrucks des geförderten Mediums auszugleichen. Je höher die Viskosität beziehungsweise der Gegendruck des Fördermediums in der Förderkammer und stromabwärts davon ist, desto höher kann mittels der Regelventilanordnung die Druckluftmenge in der Arbeitskammer geregelt werden, um ein Absinken des Massenstroms zu verhindern. Dadurch, dass dem Absinken des Massenstroms entgegengewirkt wird, können die erfindungsgemäßen Pumpenanordnungen auch an Vorrichtungen zur Herstellung von Oberflächenbeschichtungsmitteln eingesetzt werden, die Dispergiereinrichtungen aufweisen und in den Dispergiereinrichtungen eng definierte Verweilzeiten erfordern. So können auch Produktschädigungen vermieden werden, da die Verweilzeiten aufgrund der Regelungseingriffe stets eingehalten werden können. Zugleich ist die erfindungsgemäße Pumpenanordnung auch für kontaminationsgefährdete oder -gefährdende Umgebungen einsetzbar.
Die Erfindung wird vorteilhaft weitergebildet, indem stromabwärts der Förderkammer ein Sensor zur Erfassung der aus der Förderkammer austretenden Durchflussmenge angeordnet ist, wobei das elektronische Reglerglied signalleitend mit dem Sensor verbunden und dazu eingerichtet ist, eine Abweichung der erfassten Durchflussmenge von einem vorbestimmten Sollwert zu erkennen, und bei Unterschreitung des Sollwertes die Regelventilanordnung zur Erhöhung der Druckluftmenge in der Arbeitskammer anzusteuern, sowie bei Überschreitung des Sollwertes die Regelventilanordnung zur Minderung der Druckluftmenge in der Arbeitskammer anzusteuern.
Das elektronische Reglerglied weist vorzugsweise einen oder mehrere Prozessoren, Datenspeicher und Datenschnittstellen auf, sowie Programmmittel, die zum Ausführen der vorgeschriebenen Druckluftmengenregelung ausgestaltet sind. Das elektronische Reglerglied kann als separate bauliche Einheit ausgeführt sein, oder am Druckluftmengenregler oder am Sensor angeordnet beziehungsweise darin integriert sein.
Vorzugsweise weist die Regelventilanordnung ein pneumatisch, hydraulisch oder elektromagnetisch betätigtes Stellventil auf. 170062
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das elektronische Reglerglied einen PID-Regler, oder einen Regler, der ein vergleichbares Regelverhalten erlaubt, wie beispielsweise einen Zustandsregler, insbesondere mit Beobachter, oder einen Fuzzy- Regler, wobei jener insbesondere um einen integralen Anteil und einen differenzierenden Anteil erweitert Eingangskanäle aufweist.
Der Regler weist insbesondere drei parallel geschaltete Regleranteile auf: einen P-Anteil Kp; einen I-Anteil Ki / s, sowie einen D-Anteil KD * s. Diese drei Regleranteile sind vorzugsweise so konfiguriert, dass sie ein zügiges und zugleich stabiles Regelverhalten aufweisen. Das Regelverhalten ergibt sich aus folgender Übertragungsfunktion: KPID (s) = Kp + Ki / s + KD s = Kp (1 + 1/TN S + TV S),
mit
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Hierin steht TN für die Integralzeit und definiert den I-Anteil des Reglers. Tv ist die Differentialzeit und definiert den Einfluss des D-Anteils des Reglers. Kp ist eine Wertkonstante als Offset des Eingangssignals und definiert den P-Anteil des Reglers.
Vorzugsweise ist Kp im Bereich von 1 bis 10 ausgewählt, besonders bevorzugt im Bereich von 2 bis 5.
Weiter vorzugsweise ist TN im Bereich von 1 s bis 10s ausgewählt, besonderes bevorzugt im Bereich von 2s bis 6s.
Weiter vorzugsweise ist Tv im Bereich von 0,1s bis 2s ausgewählt, besonders bevorzugt im Bereich von 0,2s bis 1 s.
Es hat sich herausgestellt, dass die vorstehenden bevorzugten Parameterkombinationen für TN, TV und Kp zusammen einen überraschend guten Kompromiss hinsichtlich des Reglerverhaltens für einen sehr breiten Anwendungsbereich unterschiedlicher zu fördernder Fluide und Betriebsgrößen aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor zur Erfassung der Durchflussmenge als Massenstromsensor ausgebildet. Besonders bevorzugt ist der Massenstromsensor als Coriolis-Messaufnehmer ausgebildet, auch bezeichnet als Coriolis- Massendurchflussmesser (CMDM). I 170062 I I
Die Pumpenanordnung wird dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass die Membranpumpe als Doppelmembranpumpe ausgebildet ist, und eine zweite Förderkammer, eine mit der Quelle des druckbeaufschlagten Arbeitsmediums fluidleitend verbindbare zweite Arbeitskammer, und eine die zweite Arbeitskammer von der zweiten Förderkammer trennende Membran aufweist. Vorzugsweise werden die erste und zweite Membran gegenläufig angesteuert, sodass zu dem Zeitpunkt, wenn in die erste Arbeitskammer Fördermedium eingesogen wird, aus der zweiten Arbeitskammer Fördermedium ausgestoßen wird, und umgekehrt.
Vorzugsweise wird stromabwärts der Membranpumpe ein Pulsationsdämpfer zum Glätten des Massenstroms des viskosen Mediums angeordnet. Der Pulsationsdämpfer ist vorzugsweise stromaufwärts des Sensors zur Erfassung der Durchflussmenge angeordnet. In einer bevorzugten Weiterbildung ist der Pulsationsdämpfer im Verhältnis zum Fördervolumen der Membranpumpe groß dimensioniert. Besonders bevorzugt weist der Pulsationsdämpfer ein maximales Fluidvolumen auf, das dem zweifachen bis vierfachen, insbesondere dem dreifachen, der Austragsmenge der Membranpumpe über einen halben Förderzyklus entspricht. Durch eine derartige Überdimensionierung des Pulsationsdämpfers werden die prinzipbedingten Massenstromschwankungen der Membranpumpe so gut wie vollständig ausgeglichen. Gemeinsam mit der Positionierung des Pulsationsdämpfers stromaufwärts des Sensors zur Erfassung der Durchflussmenge führt dies zu einem sehr stabilen und gut kontrollierten Regelverhalten der Pumpenanordnung.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand der Pumpenanordnung selbst beschrieben. Die Erfindung löst die vorstehend angegebene Aufgabe gemäß einem weiteren Aspekt zudem bei einer Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art, indem die Vorrichtung eine Pumpenanordnung nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen aufweist. Die Erfindung schlägt also eine Vorrichtung zur Herstellung von Oberflächenbeschichtungsmitteln, insbesondere von Beschichtungsmitteln für metallische Oberflächen vor, welche eine Fördermedienquelle eines viskosen Mediums aufweist, welches zu dispergierende Bestandteile enthält, eine fluidleitend mit der Fördermedienquelle Dispergiereinrichtung zum Erzeugen einer Dispersion aus dem viskosem Medium, vorzugsweise einer Rührwerksmühle, und einer mit der Fördermedienquelle und der Dispergiereinrichtung fluidleitend verbundene Pumpenanordnung zum Fördern des viskosen Mediums von der Fördermedienquelle zur Dispergiereinrichtung, wobei die Pumpenanordnung eine Membranpumpe mit einer Förderkammer aufweist, eine mit einer Quelle eines druckbeaufschlagten Arbeitsmediums fluidleitend verbindbare Arbeitskammer, und eine die Arbeitskammer von der I 170062 I I
Förderkammer trennende Membran, wobei zwischen der Arbeitsmedienquelle und der Arbeitskammer eine Regelventilanordnung montiert ist, und die Membran mittels Ansteuerung der Regelventilanordnung zwischen der Arbeitskammer und der Förderkammer hin- und herbewegbar ist, wobei die Pumpenanordnung ein signalleitend mit der Regelventilanordnung verbundenes elektronisches Reglerglied aufweist, das dazu eingerichtet ist, die Druckluftmenge in der Arbeitskammer mittels Ansteuerung der Regelventilanordnung in Abhängigkeit der Durchflussmenge des aus der Förderkammer austretenden Mediums zu regeln, wobei vorzugsweise das elektronische Reglerglied ein Regelverhalten aufweist, das einen Verstärkungsanteil, einen integrierenden Anteil, und einen differenzierenden Anteil aufweist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung macht sich die Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen der vorstehend beschriebenen Pumpenanordnung zu eigen. Es wird diesbezüglich auf die obigen Ausführungen verwiesen. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können Beschichtungsmittel für metallische und Kunststoff-Oberflächen, wie insbesondere Fahrzeug- und Autoreparaturlacke, Bauanstrichmittel und andere Lacke wirtschaftlich und zugleich sicher hergestellt werden. Insbesondere wird das Vorurteil überwunden, dass eine Membranpumpe nicht zum Zuführen viskoser Medien zu einer Dispergiereinrichtung wie beispielsweise einer Rührwerksmühle geeignet sei.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines Oberflächenbeschichtungsmittels, insbesondere eines Beschichtungsmittels für metallische Oberflächen wie vorstehend beschrieben. Das Verfahren löst die eingangs bezeichnete Aufgabe mit den Schritten: Fördern eines viskosen Mediums, welches zu dispergierende Bestandteile enthält, aus einer Fördermedienquelle zu einer Dispergiereinrichtung, vorzugsweise einer Rührwerksmühle, und Erzeugen einer Dispersion aus dem viskosen Medium mittels der Dispergiereinrichtung, wobei der Schritt des Förderns des viskosen Mediums umfasst: Fördern des viskosen Mediums mittels einer Membranpumpe, die eine Förderkammer für das viskose Medium und eine Arbeitskammer zum Bewegen einer Membran aufweist, mit welcher das viskose Medium durch die Förderkammer hindurch gefördert wird, Erfassen eines Massenstroms des aus der Förderkammer austretenden viskosen Mediums, und Regeln der Druckluftmenge in der Arbeitskammer in der Abhängigkeit des erfassten Massenstroms. Das Verfahren wird insbesondere ausgeübt mittels einer Pumpenanordnung beziehungsweise einer Vorrichtung gemäß einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen. Auch das Verfahren macht sich die Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen der vorstehend beschriebenen Aspekte zu eigen, so dass diesbezüglich auf die obigen Ausführungen verwiesen wird. 170062
Das Verfahren wird ferner vorteilhaft weitergebildet durch die Schritte: Erkennen einer Abweichung der erfassten Durchflussmenge von einem vorbestimmten Sollwert, Erhöhen der Druckluftmenge in der Arbeitskammer bei Unterschreitung des Sollwertes, und Mindern der Druckluftmenge in der Arbeitskammer bei Überschreitung des Sollwerts. Weiter vorzugsweise umfasst das Verfahren den Schritt: Glätten des Massenstroms des viskosen Mediums stromabwärts der Membran, und vorzugsweise stromaufwärts eines zur Erfassung der Durchflussmenge verwendeten Sensors.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Verwendung einer Pumpenanordnung. Erfindungsgemäß wird eine Pumpenanordnung zum Zuführen eines viskosen Mediums verwendet, welches zu dispergierende Bestandteile enthält, zu einer Dispergiereinnchtung, vorzugsweise einer Rührwerksmühle, wobei die Pumpenanordnung nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ausgebildet ist.
Insbesondere betrifft die Erfindung die Verwendung einer Membranpumpe, insbesondere in einer Pumpenanordnung zum Zuführen eines viskosen Mediums, welches zu dispergierende Bestandteile enthält, zu einer Dispergiereinnchtung, vorzugsweise einer Rührwerksmühle, zum Zwecke der Herstellung eines Oberflächenbeschichtungsmittels wie weiter oben beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Hierbei zeigt Figur 1 ein R&l-Fließbild einer Pumpenanordnung und Vorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, und
Figur 2 eine schematische Darstellung einer Membranpumpe für die
Pumpenanordnung gemäß Figur 1.
Figur 1 stellt den schematischen Aufbau einer Pumpenanordnung 1 dar. Die Pumpenanordnung 1 weist einen ersten Anschluss 2 auf, über den die Pumpenanordnung 1 mit einem zu fördernden viskosen Medium, insbesondere mit zu dispergierenden Bestandteilen, versorgt wird. Die Pumpenanordnung 1 weist ferner eine Membranpumpe 7 auf, mittels derer das viskose Medium vom ersten Anschluss 2 angesaugt und weiter gefördert wird. Hierzu weist die Membranpumpe 7 in allgemein bekannter Art eine (in Figur 2 näher dargestellte) Förderkammer sowie eine Arbeitskammer auf, wobei die Förderkammer und die Arbeitskammer mittels einer Membran voneinander getrennt sind. 170062
Solche Membranpumpen sind beispielsweise beschrieben in „Leckfreie Pumpen, Verdichtung und Vakuumpumpen", Gerhard Vetter (Hrsg.) - Essen, Vulkanverlag, 1998 (ISBN: 3-827-2185-3). Vorzugsweise ist die Membranpumpe als Doppelmembranpumpe ausgebildet. Die Arbeitskammer der Membranpumpe 7 ist fluidleitend mit einem zweiten Anschluss 4 der Pumpenanordnung 1 verbunden und wird über den zweiten Anschluss 4 mit einem druckbeaufschlagten Arbeitsmedium, beispielsweise Druckluft, versorgt. Vorzugsweise wird von Seiten der Arbeitsmedienversorgung bereits vorgesteuert ein oszillierender Druck in den zweiten Anschluss 4 eingegeben. Alternativ wird die Druckoszillation unmittelbar an der Membranpumpe gesteuert. Die Membran in der Membranpumpe 7 wird zwischen der Förderkammer und der Arbeitskammer hin- und her bewegt, um ein Einsaugen in die Förderkammer und ein Weiterfördern des viskosen Mediums aus der Förderkammer zu erzielen.
Stromabwärts der Membranpumpe 7 ist ein Pulsationsdämpfer 9 angeordnet, der dazu eingerichtet ist, den aus der Förderkammer der Membranpumpe 7 austretenden Massenstrom des viskosen Mediums zu glätten. Hierbei ist vorzugsweise das maximale Fluidvolumen des Pulsationsdämpfers 9 größer als das Fördervolumen der Membranpumpe 7 über einen halben Förderzyklus, vorzugsweise zwei bis 4 Mal so groß, besonders bevorzugt dreimal so groß. Der Pulsationsdämpfer 9 ist mittels eines Verteilers 19 ebenfalls fluidleitend mit dem zweiten Anschluss 4 verbunden.
Stromabwärts des Pulsationsdämpfers ist ein Sensor 1 1 zur Erfassung der Durchflussmenge des aus der Membranpumpe 7 austretenden viskosen Mediums vorgesehen. Der Sensor 1 1 ist vorzugsweise als Massenstrommesser, besonders bevorzugt als Coriolis-Massenstromsensor ausgebildet.
Stromabwärts des Sensors 1 1 ist vorzugsweise ein Druckmessaufnehmer 13 angeordnet, um eine manuelle Inspektion des Förderdrucks zu ermöglichen. Stromabwärts davon ist ein dritter Anschluss 6 vorgesehen, über welchen das viskose Medium aus der Pumpenanordnung 1 abgegeben wird. Zwischen den zweiten Anschluss 4 und die Membranpumpe 7 beziehungsweise den Verteiler 19 ist eine Regelventilanordnung 21 , vorzugsweise mit einem KV-Wert = 1 , zwischengeschaltet. Die Pumpenanordnung 1 weist ferner ein elektronisches Reglerglied I 170062 I I
23 auf, welches einen Regler, vorzugsweise einen PID-Regler oder anderen Reglertyp mit ähnlichem Regelverhalten, aufweist, mittels dessen der maximale Druck des Arbeitsmittels in der Membranpumpe 7 in Abhängigkeit der Durchflussmenge des aus der Membranpumpe 7 austretenden viskosen Mediums geregelt wird. Das Regelverhalten des elektronischen Reglergliedes umfasst besonders bevorzugt einen verstärkenden Anteil, einen integrierenden Anteil, und einen differenzierenden Anteil. Hierzu ist das elektronische Reglerglied 23 signalleitend sowohl mit der Regelventilanordnung 21 als auch mit dem Sensor 1 1 zur Erfassung der Durchflussmenge verbunden. Zusätzlich weist das elektronische Reglerglied 23 eine Datenschnittstelle auf, mittels derer ein vorbestimmter Sollwert ws eingegeben werden kann, der der Regelung als Referenzgrüße zugrunde zu legen ist. Der Sensor 1 1 liefert dem elektronischen Reglerglied 23 eine Ist- Größe Wi. Der in dem elektronischen Reglerglied 23 vorgesehene Regler erfasst eine Abweichung von wi relativ zum Sollwert ws. Ist w, < ws, regelt das elektronische Reglerglied 23 die Regelventilanordnung 21 derart, dass die Druckluftmenge in der Arbeitskammer der Membranpumpe 7 erhöht wird. Ist w, > ws, regelt das elektronische Reglerglied 23 die Ventilanordnung 21 derart, dass die Druckluftmenge in der Arbeitskammer der Membranpumpe 7 verringert wird. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird als Regler ein PID-Regler verwendet mit einer Wertkonstante Kp = 3 für den P-Anteil des Reglers, einer Integralzeit TN = 4s für den I-Anteil des Reglers, sowie einer Differenzialzeit Tv = 0,5s für den D-Anteil des Reglers. Alternativ zu einem klassischen PID-Regler können erfindungsgemäß aber auch andere Reglertypen eingesetzt werden, die das vorstehend beschriebene Regelverhalten nachbilden. Beispielsweise könnte anstelle eines PID- Reglers ein Zustandsregler verwendet werden, der auf Grundlage mathematischer Modelle ein entsprechendes Regelverhalten erzeugt. Die grundsätzliche Funktionsweise der Membranpumpe 7 ist in Figur 2 dargestellt. Die Membranpumpe 7 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Doppelmembranpumpe und weist eine erste Förderkammer 8a sowie eine zweite Förderkammer 8b auf. Ferner weist die Membranpumpe 7 eine erste Arbeitskammer 10a auf, die von der ersten Förderkammer 8a mittels einer ersten Membran 20a getrennt ist. Die Membranpumpe 7 weist ferner eine zweite Arbeitskammer 10b auf, die von der zweiten Förderkammer 8b mittels einer zweiten Membran 20b getrennt ist. Die erste und zweite Membran 20a, b sind mittels einer Pleuelstange 12 mechanisch verbunden und werden somit derart bewegt, dass eine Bewegung der ersten Membran 20a in die Förderkammer 8a hinein einhergeht mit einer Bewegung der zweiten Membran 20b aus der Förderkammer 8b hinaus. Dadurch wird eine Volumenvergrößerung beziehungsweise Volumenverkleinerung der jeweiligen Kammern erzeugt. Eine Volumenvergrößerung der Förderkammer geht einher mit einer simultanen Volumenverkleinerung der benachbarten Arbeitskammer und umgekehrt. 170062
Die Arbeitskammern sind fluidleitend mit einer Steuerkammer 14 verbunden, die ihrerseits (auf nicht dargestellte Weise) fluidleitend mit dem zweiten Anschluss 4 der Pumpenanordnung in Verbindung steht und von diesem mit druckbeaufschlagter Luft versorgt wird. Ein Steuerelement 16 stellt abwechselnd eine fluidleitende Verbindung zwischen der ersten Arbeitskammer 10a und der Steuerkammer 14, oder zwischen der zweiten Arbeitskammer 10b und der Steuerkammer 14 her, während die jeweils andere Arbeitskammer von der Steuerkammer 14 getrennt wird. In dem Zustand, in dem die Arbeitskammer von der Steuerkammer getrennt ist, wird in der jeweiligen Arbeitskammer befindliche Luft durch einen (nicht dargestellten) Auslass abgeführt. Je nach Stellung des Steuerelements 16 liegt also der Druck des Arbeitsmediums an der ersten oder zweiten Membran 20a, b an und sorgt für eine Verdrängung des viskosen Mediums aus der jeweiligen Förderkammer 8a, b.
In der in Figur 2 gezeigten Stellung wird das Arbeitsmedium in die erste Arbeitskammer 10a eingeleitet. Die erste Membran 20a verkleinert das Volumen in der ersten Förderkammer 8a, wodurch ein erstes Dichtelement 18a in eine Schließstellung gebracht wird, und ein zweites Dichtelement 18b in eine Offenstellung, sodass viskoses Medium aus der ersten Förderkammer 8a in Richtung des Auslasses abgeführt werden kann. Gleichzeitig wird durch einen in der zweiten Förderkammer 8b entstehenden Unterdruck ein drittes Dichtelement 18c in eine Offenstellung gebracht, und ein viertes Dichtelement 18d in eine Schließstellung, sodass viskoses Medium, welches vom ersten Anschluss 2 zugeführt wird, in die zweite Förderkammer 8b nachströmen kann.
Die Pumpenanordnung 1 ist Teil einer Vorrichtung 100 zum Herstellen von Oberflächenbeschichtungsmitteln wie beispielsweise Lacken für metallische und Kunststoff-Oberflächen. Die Vorrichtung 100 weist eine Quelle 103 eines zu fördernden viskosen Mediums mit zu dispergierenden Bestandteilen auf, welcher mittels einer Schlauchleitung 105 mit dem ersten Anschluss 2 der Pumpenanordnung 1 fluidleitend verbunden ist. Ferner weist die Vorrichtung 100 eine Quelle 1 15 eines druckbeaufschlagten Arbeitsmediums, beispielsweise Druckluft, für die Membranpumpe 7 auf, die mittels einer Schlauchleitung 1 17 mit dem zweiten Anschluss 4 der Pumpenanordnung fluidleitend verbunden ist.
Die Vorrichtung 100 weist ferner eine Dispergiereinrichtung 125, beispielsweise eine Rührwerksmühle, auf, die fluidleitend mit dem dritten Anschluss 6 der Pumpenleitung 1 verbunden ist, und in welche die Pumpenanordnung 1 das viskose Medium überführt. 170062
Im Betrieb der Vorrichtung 100 wird in der Quelle 103 das viskose Medium bereitgestellt, welches entweder dort oder bereits in einem vorgelagerten Schritt mit zu dispergierenden Bestandteilen versetzt wird. Die Membranpumpe 7 der Pumpenanordnung wird mittels des Arbeitsmittels aus der Quelle 1 15 pneumatisch angetrieben und saugt das Viskosemedium aus der Quelle 103 an. Der Pulsationsdämpfer 9 glättet den aus der Membranpumpe 7 austretenden Massenstrom des viskosen Mediums.
Der im Betrieb der Pumpenanordnung 1 vorzugsweise permanent laufende Sensor 1 1 erfasst die aus der Membranpumpe 7 austretende Durchflussmenge des viskosen Mediums und meldet diese als Ist-Wert w, an das elektronische Reglerglied 23. Das elektronische Reglerglied 23 rechnet die Abweichung von w, zu einem zuvor eingegebenen Sollwert ws und regelt in Abhängigkeit einer festgestellten Abweichung die Öffnungsstellung der Regelventilanordnung 21 , um die Druckluftmenge in der Arbeitskammer der Membranpumpe 7 entweder zu erhöhen oder zu mindern.
Steigt der Gegendruck in der Förderkammer der Membranpumpe beispielsweise an, antwortet der Regelmechanismus mit einer entsprechenden Erhöhung der Druckluftmenge in der Arbeitskammer, um einen gleichbleibenden Massenstrom am dritten Anschluss 6 sicherzustellen, von wo aus das viskose Medium in die Dispergiereinrichtung 125 überführt wird, um dort die Dispersion aus dem viskosen Medium und seinen Bestandteilen zu erzeugen. Anlagen wie diejenige, die in Figur 1 dargestellt ist, werden häufig im Kreisbetrieb gefahren, angedeutet in Figur durch die Strichlinie, welche die Dispergiereinrichtung 125 mit der Quelle 103 des viskosen Mediums verbindet. In diesen Anlagen kommen aufgrund der sich im Laufe der Kreisförderung fortwährend ändernden Viskosität des geförderten Mediums die erfindungsgemäßen Vorteile besonders zum Tragen. Als Membranpumpe wird beispielsweise eine 1 ,5" oder 2" Druckluft-Membranpumpe des Herstellers WP-ARO, Typ PD15A-BSS-STT (oder PD20A-BSS-STT) verwendet. Als Pulsationsdämpfer wird beispielsweise ein 3"-Pulsationsdämpfer des Herstellers WP-ARO, Typ SP30A-BSS-T verwendet. Die Regelventilanordnung 21 weist vorzugsweise ein Regelventil, vorzugsweise mit einem KV-Wert = 1 , des Herstellers Samson auf, Typ 3241 . Der Sensor 1 1 ist vorzugsweise ein Massendurchflussmesser des Herstellers Micro Motion, Typ CMFS075.
Ein typisches Einsatzgebiet einer erfindungsgemäßen Pumpenanordnung ist das Herstellen von Oberflächenbeschichtungsmitteln wie beispielsweise Lacken. I 170062 I I
Lackformulierungen enthalten neben Farbpigmenten und Bindemitteln eine Vielzahl weiterer zu dispergierender Bestandteile wie Füllstoffe, Additive, Hilfsstoffe und Zusatzstoffe.
Häufig in Lackformulierungen eingesetzte Füllstoffe sind Calciumcarbonat (Kreide), Bariumsulfat (Schwerspat) und Kaolin. Neben der Reduzierung der erforderlichen Pigmentmenge dienen Füllstoffe der Einstellung des Glanzgrades, einer definierten Oberflächenstruktur und der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften.
Lackformulierungen enthalten typischerweise Additive und/oder Hilfsstoffe, durch deren Zusatz Eigenschaften der Lackformulierung bzw. eines daraus gebildeten Lackfilms beeinflusst werden. Durch Zusatz von Netz- und Dispergierhilfsmitteln, Sikkativen, Antioxidantien u.ä. wird die Verarbeitbarkeit von Lackformulierungen beeinflusst. Härtungsbeschleuniger führen zu einer schnelleren Aushärtung des Lackfilms. Weichmacher setzen den Erweichungsbereich des Bindemittels herab und sorgen für eine bessere Elastizität der Lackfilme. Antimikrobelle Additive bzw. biozide Stoffe verbessern die Lagerfähigkeit von Lackformulierungen, indem sie verhindern, dass Anstrichstoffe durch Mikroorganismen unbrauchbar werden. Zusatzstoffe steigern die Haltbarkeit und erleichtern die Verarbeitung. Sie konservieren, sorgen für Filmbildung oder eine bestimmte Elastizität oder Weichheit, verhindern„Hautbildung" im Gebinde (Dose, Topf) und bewirken eine bestimmte Viskosität, die das Anstrichmittel tropffrei machen, oder beschleunigen das Trocknen (Sikkative). Konservierungsmittel (Topfkonservierer), erforderlich bei wasserverdünnbaren Lacken und Lasuren, sind biozide Stoffe, die verhindern sollen, dass der Anstrichstoff im Gebinde durch Mikroorganismen unbrauchbar wird.
Für einen Funktionstest der erfindungsgemäßen Pumpenanordnung bietet es sich an, anstelle einer Lack- oder sonstigen Oberflächenbeschichtungs-Formulierung ein wässrigen Test-Fördermedium zu verwenden, dem zur Einstellung einer für die zu fördernde Formulierung typischen Viskosität ein Verdickungsmittel zudosiert wird, Dafür können handelsübliche Verdickungsmittel eingesetzt werden, z.B. unter dem Handelsnamen„Acrysol" erhältliche Verdickungsmittel. Hierbei kann durch kontinuierliches Zu dosieren des Verdickungsmittels die Viskositätsänderung einer auf einer Rührwerksmühle zu dispergierenden Lackformulierung exemplarisch nachgestellt werden.

Claims

170062 Ansprüche
1. Pumpenanordnung (1 ) zum Fördern viskoser Medien, mit
einer Membranpumpe (7) mit einer Förderkammer (8a, b), einer mit einer Quelle (1 15) eines druckbeaufschlagten Arbeitsmediums fluidleitend verbindbaren Arbeitskammer (10a, b), und einer die Arbeitskammer (10a,b) von der Förderkammer (8a, b) trennenden Membran (20a,b),
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Arbeitsmedienquelle (1 15) und der Arbeitskammer (10a, b) eine Regelventilanordnung (21 ) montiert ist, und die Membran (20a, b) mittels Ansteuerung der Regelventilanordnung (21 ) zwischen der Arbeitskammer (10a, b) und der Förderkammer (8a, b) hin- und herbewegbar ist,
wobei die Pumpenanordnung (1 ) ein signalleitend mit der Regelventilanordnung (21 ) verbundenes elektronisches Reglerglied (23) aufweist, das dazu eingerichtet ist, die Druckluftmenge in der Arbeitskammer (10a, b) mittels Ansteuerung der Regelventilanordnung (21 ) in Abhängigkeit der Durchflussmenge des aus der Förderkammer (8a, b) austretenden Mediums zu regeln, wobei das elektronische Reglerglied (23) ein Regelverhalten aufweist, das einen Verstärkungsanteil, einen integrierenden Anteil, und einen differenzierenden Anteil aufweist.
2. Pumpenanordnung (1 ) nach Anspruch 1 ,
mit einem stromabwärts der Förderkammer (8a, b) angeordneten Sensor (1 1 ) zur Erfassung der aus der Förderkammer (8a, b) austretenden Durchflussmenge, wobei das elektronische Reglerglied (23) signalleitend mit dem Sensor (1 1 ) verbunden und dazu eingerichtet ist, eine Abweichung der erfassten Durchflussmenge von einem vorbestimmten Sollwert (ws) zu erkennen,
- bei Unterschreitung des Sollwertes (ws) die Regelventilanordnung (21 ) zur Erhöhung der Druckluftmenge in der Arbeitskammer (10a, b) anzusteuern, sowie
- bei Überschreitung des Sollwertes (ws) die Regelventilanordnung (21 ) zur Minderung der Druckluftmenge in der Arbeitskammer (10a, b) anzusteuern.
3. Pumpenanordnung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Regelventilanordnung (21 ) ein pneumatisch, hydraulisch oder elektromagnetisch betätigtes Stellventil aufweist.
4. Pumpenanordnung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei das elektronische Reglerglied (23) ausgewählt ist aus der Liste bestehend aus:
- PID-Regler;
- Zustandsregler, insbesondere mit Beobachter; oder 170062
-Fuzzy-Regler, insbesondere mit um einen integralen Anteil und einen differenzierenden Anteil erweiterten Eingangskanälen.
5. Pumpenanordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
wobei der Sensor (1 1 ) zur Erfassung der Durchflussmenge als Massenstromsensor ausgebildet ist.
6. Pumpenanordnung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei die Membranpumpe (7) als Doppelmembranpumpe ausgebildet ist, und eine zweite Förderkammer (8b), eine mit der Quelle des druckbeaufschlagten Arbeitsmediums fluidleitend verbindbare zweite Arbeitskammer (10b), und eine die zweite Arbeitskammer (10b) von der zweiten Förderkammer (8b) trennende Membran (20b) aufweist.
7. Pumpenanordnung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
mit einem stromabwärts der Membranpumpe (7) angeordneten Pulsationsdämpfer (9) zum Glätten des Massenstroms des viskosen Mediums.
8. Pumpenanordnung (1 ) nach Anspruch 7,
wobei der Pulsationsdämpfer (9) ein maximales Fluidvolumen aufweist, das dem zwei- bis vierfachen, vorzugsweise dem dreifachen, der Fördermenge der Membranpumpe (7) über einen halben Förderzyklus entspricht.
9. Vorrichtung (100) zur Herstellung von Oberflächenbeschichtungsmitteln, insbesondere von Beschichtungsmitteln für metallische Oberflächen, mit
einer Fördermedienquelle (103) eines viskosen Mediums, welches zu dispergierende Bestandteile enthält,
einer fluidleitend mit der Fördermedienquelle (103) verbundenen Dispergiereinrichtung (125) zum Erzeugen einer Dispersion aus dem viskosen Medium, vorzugsweise einer Rührwerksmühle, und
einer mit der Fördermedienquelle (103) und der Dispergiereinrichtung (125) fluidleitend verbundenen Pumpenanordnung (1 ), zum Fördern des viskosen Medium von der Fördermedienquelle zu der Dispergiereinrichtung,
dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpenanordnung (1 ) eine Membranpumpe (7) mit einer Förderkammer (8a, b), einer mit einer Quelle (1 15) eines druckbeaufschlagten Arbeitsmediums fluidleitend verbindbaren Arbeitskammer (10a, b), und einer die Arbeitskammer (10a, b) von der Förderkammer (8a, b) trennenden Membran (20a, b) aufweist, wobei zwischen der Arbeitsmedienquelle (1 15) und der Arbeitskammer (10a, b) eine Regelventilanordnung (21 ) montiert ist, und die Membran (20a, b) mittels Ansteuerung 170062 der Regelventilanordnung (21 ) zwischen der Arbeitskammer (10a, b) und der Förderkammer (8a, b) hin- und herbewegbar ist, wobei die Pumpenanordnung (1 ) ein signalleitend mit der Regelventilanordnung (21 ) verbundenes elektronisches Reglergleid (23) aufweist, das dazu eingerichtet ist, die Druckluftmenge in der Arbeitskammer (10a, b) mittels Ansteuerung der Regelventilanordnung (21 ) in Abhängigkeit der Durchflussmenge des aus der Förderkammer (8a, b) austretenden Mediums zu regeln.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
wobei das elektronische Reglerglied (23) ein Regelverhalten aufweist, das einen Verstärkungsanteil, einen integrierenden Anteil, und einen differenzierenden Anteil aufweist.
1 1. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10,
wobei die Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 8 ausgebildet ist.
12. Verfahren zur Herstellung eines Oberflächenbeschichtungsmittels, insbesondere eines Beschichtungsmittels für metallische und Kunststoff-Oberflächen, umfassend die Schritte:
Fördern eines viskosen Mediums, welches zu dispergierende Bestandteile enthält, aus einer Fördermedienquelle (103) zu einer Dispergiereinrichtung (125), vorzugsweise einer Rührwerksmühle, und
Erzeugen einer Dispersion aus dem viskosen Medium mittels der Dispergiereinrichtung (125),
dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Förderns des viskosen Mediums umfasst: - Fördern des viskosen Mediums mittels einer Membranpumpe (7), die eine Förderkammer (8a, b) für das viskose Medium und eine Arbeitskammer (10a, b) zum Bewegen einer Membran (20a, b) aufweist, mittels welcher das viskose Medium durch die Förderkammer (8a, b) hindurch gefördert wird,
Erfassen eines Massenstroms des aus der Förderkammer (8a, b) austretenden viskosen Mediums, und
Regeln der Druckluftmenge in der Arbeitskammer (10a, b) in Abhängigkeit des erfassten Massenstroms.
13. Verfahren nach Anspruch 12,
umfassend die Schritte:
Erkennen einer Abweichung der erfassten Durchflussmenge von einem vorbestimmten Sollwert (ws), 170062
Erhöhen der Druckluftmenge in der Arbeitskammer (10a, b) bei Unterschreitung des Sollwertes (ws), und
Mindern der Druckluftmenge in der Arbeitskammer (10a, b) bei Überschreitung des Sollwertes (ws).
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13,
umfassend den Schritt:
Glätten des Massenstroms des viskosen Mediums stromabwärts der Membranpumpe (7), und vorzugsweise stromaufwärts eines zur Erfassung der Durchflussmenge verwendeten Sensors (1 1 ).
15. Verwendung einer Pumpenanordnung (1 ) zum Zuführen eines viskosen Mediums, welches zu dispergierende Bestandteile enthält, zu einer Dispergiereinrichtung (125), vorzugsweise einer Rührwerksmühle, wobei die Pumpenanordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.
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