WO2023083419A1 - Membrankolbenpumpe - Google Patents

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WO2023083419A1
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Daniel NÄGEL
Peter KUGEL
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Feluwa Pumpen Gmbh
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    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/08—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having tubular flexible members
    • F04B43/10—Pumps having fluid drive
    • F04B43/107—Pumps having fluid drive the fluid being actuated directly by a piston
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04B43/0009—Special features
    • F04B43/0081—Special features systems, control, safety measures
    • F04B43/009—Special features systems, control, safety measures leakage control; pump systems with two flexible members; between the actuating element and the pumped fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/06—Pumps having fluid drive
    • F04B43/067—Pumps having fluid drive the fluid being actuated directly by a piston

Definitions

  • the invention relates to a diaphragm piston pump with a leakage control.
  • diaphragm pumps During the operation of a diaphragm piston pump, there are a number of operating conditions that can vary the amount of liquid in the pump. Due to their design, piston or plunger seals have certain residual leaks, which also change during the period of use. In order to achieve optimal efficiency, diaphragm pumps require permanent ventilation. Here, too, a quantity of quench liquid is vented into the oil reservoir with each stroke. Diaphragm pumps have pressure relief valves to ensure that the design pressure is not exceeded. If the pressure in the system rises above the desired value, which is usually preset by a spring, the valve opens and allows the quench liquid to flow into the oil tank, which also changes the defined amount of quench liquid.
  • the vacuum leakage flow supplement valve is used to compensate for leakage losses of hydraulic fluid in the event of negative pressure.
  • a disadvantage of the purely vacuum-controlled diaphragm position control by means of vacuum leakage flow supplementation valves Only vacuum-controlled leakage flow supplementation valves is that the leakage flow is supplemented uncontrolled.
  • the diaphragm moves so far forward that it ruptures when the vacuum on the medium side exceeds the opening pressure of the vacuum leakage flow supplementing valve, for example as a result of a blocked suction line and/or a closed suction slide.
  • DE 203 21 039 U1 discloses an operationally reliable, vacuum-insensitive leakage supplementary control for diaphragm piston pumps, which ensures that supply liquid is only topped up after the diaphragm has made contact with the control plate and a non-return valve has first opened mechanically.
  • the hose-diaphragm moves in the direction of the piston-hydraulic chamber. If the volume of hydraulic oil falls due to a leak in the hydraulic chamber, the membrane presses on the control plate, which in turn opens the refill valve via a lever.
  • the leakage flow supplement valve is actuated here in a controlled manner by the movement of the hose diaphragm, i. H. first the leakage valve (non-return valve) is opened mechanically. Only then does the vacuum-controlled supplementary valve become effective. As the piston moves back further, a vacuum is created in the reservoir because the membrane cannot move any further.
  • the supplementary valve opens and the quench liquid that is directed into the reserve chamber during the pressure stroke is drawn back by the stationary vacuum during the further piston suction stroke. In this way, the missing volume of hydraulic fluid in the hydraulic chamber is supplemented. Since the vacuum-activated refill valve can only open when it is mechanically actuated by a lever from the hose-diaphragm, it is ensured that the hose-diaphragms are not overstretched due to overfilling, even in the case of vacuum.
  • DE 40 36696 A1 discloses a diaphragm pump with a leakage supplement valve that is mechanically controlled by a diaphragm.
  • rocker arm is proving to be a regulatory component.
  • the rocker arm mechanically connects the control unit to the combined leakage and supplement valve.
  • the opening required for the installation of the rocker arm in the pump housing due to the design represents a limit in the structural-mechanical dimensioning, so that pressures > 1,000 bar can only be achieved with great effort.
  • the system limits the maximum number of pump strokes that can be implemented due to its inertia.
  • the object of the invention is to provide improved leakage control.
  • this object is achieved in that a control unit is provided in the area of the diaphragm, which control unit can be activated by the pressure of the diaphragm during the suction stroke, the control unit being hydraulically connected to a leakage compensation valve, via which the buffer liquid can be discharged into the piston chamber of the diaphragm piston pump.
  • the position of the membrane is not transmitted mechanically via a control rod and a rocker arm, but hydraulically.
  • the position of the supplemental valve is no longer tied directly to the axis of the control rod or to the tilting direction of a rocker arm. This makes it possible to carry out efficient leakage control without the spatial and mechanical limitations of the prior art.
  • a further development of the invention consists in the control unit being arranged between the piston of the diaphragm piston pump and the secondary hose diaphragm, with a control plate which can be acted upon by the secondary hose diaphragm having a control rod in the longitudinal direction against a restoring force is slidably guided, the control rod having an activation piston for the hydraulic connection to the leakage valve.
  • control plate is acted upon by the diaphragm during the suction stroke and, together with the control rod, moves away from the diaphragm against the restoring force of a spring, for example, whereby the activation piston presses hydraulic fluid into an activation channel of the hydraulic connection between the control unit and the leakage valve. If the pump has only one diaphragm, this is equivalent to the secondary diaphragm.
  • the leakage valve has a control piston, when pressure is applied to it, the leakage valve opens, so that the pressure present in the hydraulic connection acts on a supplementary valve via a connecting channel, in order to press it against a pressure that is lower than the opening pressure of the supplementary valve opening restoring force.
  • the reserve liquid is supplemented by the opening supplementary valve. It is also possible to provide the control piston as a separate component on the valve.
  • FIG. 1 shows a sectional representation of the device according to the invention
  • FIG. 2 shows a detailed representation of the control unit
  • FIG. 3 shows a detailed representation of the leakage and supplementary valve.
  • Figures 1 to 3 show a double-diaphragm hose pump, the one inventive control unit (1) and an inventive leakage supplement valve (2).
  • the double diaphragm hose pump has a delivery valve (3) on the pressure side and a delivery valve (4) on the suction side, an intermediate pressure flange (5), an intermediate ring (6), a hose housing (7), a primary hose diaphragm (8) and a secondary hose diaphragm (9). on, wherein a coupling fluid (15) is arranged between the primary tubular membrane (8) and the secondary tubular membrane (9) and a tubular membrane status monitor (HDG) (13) is provided.
  • a coupling fluid (15) is arranged between the primary tubular membrane (8) and the secondary tubular membrane (9) and a tubular membrane status monitor (HDG) (13) is provided.
  • HDG tubular membrane status monitor
  • the secondary hose membrane (9) is pressurized by means of a piston (plunger) (10) sealed by means of piston seals (18), which exerts pressure on a receiver liquid (15), whereby the pumping chamber (17) is compressed, so that the pumping fluid is pumped out of the pumping chamber (17) through the delivery valve (3) on the pressure side of the pump.
  • a piston plunger
  • piston seals 18
  • the piston (10) is pulled back, the pressure on the liquid (15) is reduced, the double hose diaphragm (8, 9) moves back and fluid is pumped into the pumping chamber via the pumping valve (4) on the suction side.
  • the position of the double tubular membrane (8, 9) is not passed on by means of a control rod and rocker arm, as in the prior art, but hydraulically.
  • a control plate (20) is provided which is connected to a control rod (23) which has an activation piston (26).
  • the control rod (23) with the control plate (20) can be displaced in the longitudinal direction against the restoring force of a restoring spring (24).
  • the double hose diaphragm (8, 9) moves in the direction of the wall of the hose housing (7).
  • the double hose diaphragm (8, 9) presses the control plate (20) in the direction of the control housing (21), so that the activation piston (26) displaces buffer fluid (15) into the activation channel (25).
  • the combined leakage and supplementary valve (2) is shown in FIG.
  • the increased pressure in the activation channel (25) acts on the control piston (34), which opens the leakage valve (30) against the force of the spring (32).
  • the applied system pressure acts via the connection channel (36) on the supplementary valve (31), which is pressed against its seat by the spring (33). If there is now a pressure lower than the opening pressure of the supplementary valve (31), the supplementary valve (31) opens and supplements a predefined quantity of template liquid (15) from the oil reservoir (11) into the pump chamber via the connecting channel (36). If the applied pressure is greater than the opening pressure of the supplementary valve (31), the supplementary valve (31) remains closed.
  • the oil reservoir (11) has a pressure relief valve (12).

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Membrankolbenpumpe mit einer Leckagesteuerung. Um eine verbesserte Leckagesteuerung zu schaffen, wird im Rahmen der Erfindung vorgeschlagen, daß im Bereich der Membrane eine Steuereinheit vorgesehen ist, die durch den Druck der Membrane während des Saughubs aktivierbar ist, wobei die Steuereinheit hydraulisch mit einem Leckagergänzungsventil verbunden ist, über das Vorlageflüssigkeit in den Kolbenraum der Membrankolbenpumpe abgebbar ist. Erfindungsgemäß wird die Position der Membran nicht mechanisch über eine Steuerstange und einen Kipphebel übertragen, sondern hydraulisch. Dies ermöglicht es, ohne die räumlichen und mechanischen Beschränkungen des Standes der Technik eine effiziente Leckagesteuerung vorzunehmen.

Description

BESCHREIBUNG
Membrankolbenpumpe
Die Erfindung betrifft eine Membrankolbenpumpe mit einer Leckagesteuerung.
Eine der Grundvoraussetzungen für den sicheren Betrieb bei Membrankolbenpumpen ist das Vorhandensein einer definierten Menge an Vorlageflüssigkeit zwischen dem Kolben und der Membrane/Schlauchmembrane. Ist die Menge an Vorlageflüssigkeit zu gering, so besteht das Risiko, dass die Membrane in das Pumpengehäuse hineingezogen wird, überdehnt und final perforiert wird. Ist die Menge an Vorlageflüssigkeit zu hoch, besteht das Risiko, dass die Membrane den Förderraum blockiert.
Während des Betriebes einer Membrankolbenpumpe gibt es eine Vielzahl an Betriebszuständen, die die Menge an Vorlageflüssigkeit variieren können. Kolben- bzw. Plunger-Dichtungen weisen bauartbedingt gewisse Restleckagen auf, die sich zudem während der Einsatzdauer verändern. Um einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen, benötigen Membranpumpen eine Dauerentlüftung. Auch hier wird bei jedem Hub eine Menge an Vorlageflüssigkeit in den Ölbehälter entlüftet. Um sicherzustellen, dass der Auslegungsdruck nicht überschritten wird, besitzen Membranpumpen Druckbegrenzungsventile. Steigt der Druck im System über den gewünschten, in der Regel durch eine Feder voreingestellten Wert an, dann öffnet das Ventil und lässt die Vorlageflüssigkeit in den Ölbehälter strömen, welches ebenfalls die definierte Menge an Vorlageflüssigkeit verändert.
Herkömmliche Membran-Kolbenpumpen sind mit einer kombinierten Membranhubbegrenzung und Stützplatte versehen, die mit einer Lagensteuerung auf der Basis eines Vakuum-Leckstrom-Ergänzungsventils kombiniert ist
Das Vakuum-Leckstrom-Ergänzungsventil dient bei Unterdrück dem Ausgleich von Leckverlusten an Hydraulikflüssigkeit. Ein Nachteil der rein vakuumgesteuerten Membranlagensteuerung durch Vakuum-Leckstrom-Ergänzungsventile bei ausschließlich vakuumgesteuerten Leckstrom-Ergänzungsventilen ist, dass der Leckstrom unkontrolliert ergänzt wird. Zudem bewegt sich die Membrane so weit nach vorne, dass sie bricht, wenn auf der Mediumseite das Vakuum den Öffnungsdruck des Vakuum-Leckstrom-Ergänzungsventils, beispielsweise infolge einer blockierten Saugleitung und/oder eines geschlossenen Saugschiebers, überschreitet.
Aus der DE 203 21 039 U1 ist eine betriebssichere, gegen Vakuum unempfindliche Leckage- Ergänzungssteuerung für Membrankolbenpumpen bekannt, die sicherstellt, dass nur dann Vorlageflüssigkeit ergänzt wird, nachdem sich die Membrane an dem Steuerteller angelegt und zunächst ein Rückschlagventil mechanisch geöffnet hat.
Beim Saughub bewegt sich die Schlauchmembrane zwangsläufig in Richtung Kolben-Hydraulikraum. Wenn das Volumen des Hydrauliköls durch Leckage im Hydraulikraum absinkt, drückt die Membrane auf den Steuerteller, der wiederum über einen Hebel das Nachfüllventil öffnet. Das Leckstrom-Ergänzungsventil wird hier kontrolliert durch die Schlauchmembranbewegung betätigt, d. h. zunächst wird das Leckageventil (Rückschlagventil) mechanisch geöffnet. Erst dann wird das vakuumgesteuerte Ergänzungsventil wirksam. Durch das weitere Zurückfahren des Kolbens entsteht in dem Vorlageraum ein Vakuum, da sich die Membrane nicht weiterbewegen kann. Überschreitet dieses Vakuum den Einstellbereich des Nachfüllventils (Ergänzungsventil), öffnet sich das Ergänzungsventil und die während des Druckhubs in den Reserveraum ausgesteuerte Vorlageflüssigkeit wird im Verlauf des weiteren Kolben-Saughubes durch das stationäre Vakuum wieder zurückgeholt. Auf diese Weise wird das fehlende Volumen an Hydraulikflüssigkeit im Hydraulikraum ergänzt. Da das durch Vakuum aktivierte Nachfüllventil erst öffnen kann, wenn es von der Schlauchmembrane durch einen Hebel mechanisch betätigt wird, ist sichergestellt, dass die Schlauchmembranen auch bei Vakuum nicht durch Überfüllung überdehnt werden.
Diese Leckagesteuerung mit getrenntem Leckage- und Ergänzungsventil gilt noch heute als Maßstab. Aus der DE 40 36696 A1 ist eine Membranpumpe mit einer von einer Membran mechanisch angesteuertem Leckageergänzungsventil bekannt.
Bei zunehmender Erweiterung der Einsatzbereiche zeigt sich der Kipphebel allerdings als reglementierendes Bauteil. Der Kipphebel verbindet die Steuereinheit mit dem kombinierten Leckage- und Ergänzungsventil mechanisch. Die konstruktionsbedingt notwendige Öffnung zur Installation des Kipphebels im Pumpengehäuse stellt bei der strukturmechanischen Dimensionierung eine Grenze dar, sodaß Drücke > 1.000 bar nur mit sehr großem Aufwand zu realisieren sind. Zudem stellt das System eine Begrenzung bei der maximal zu realisierenden Hubzahl der Pumpe aufgrund seiner Trägheit dar.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Leckagesteuerung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Bereich der Membrane eine Steuereinheit vorgesehen ist, die durch den Druck der Membrane während des Saughubs aktivierbar ist, wobei die Steuereinheit hydraulisch mit einem Leckagergänzungsventil verbunden ist, über das Vorlageflüssigkeit in den Kolbenraum der Membrankolbenpumpe abgebbar ist.
Erfindungsgemäß wird die Position der Membran nicht mechanisch über eine Steuerstange und einen Kipphebel übertragen, sondern hydraulisch. Somit ist die Lage des Ergänzungsventils nicht mehr direkt an die Achse der Steuerstange oder an die Kipprichtung eines Kipphebels gebunden. Dies ermöglicht es, ohne die räumlichen und mechanischen Beschränkungen des Standes der Technik eine effiziente Leckagesteuerung vorzunehmen.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Steuereinheit zwischen dem Kolben der Membrankolbenpumpe und der sekundären Schlauchmembrane angeordnet ist, wobei ein von der sekundären Schlauchmembrane beaufschlagbarer Steuerteller mit einer Steuerstange in Längsrichtung gegen eine Rückstellkraft verschiebbar geführt ist, wobei die Steuerstange einen Aktivierungskolben für die hydraulische Verbindung mit dem Leckageventil aufweist.
Der Steuerteller wird während des Saughubes von der Membrane beaufschlagt, und bewegt sich zusammen mit der Steuerstange gegen die Rückstellkraft beispielsweise einer Feder von der Membrane weg, wodurch der Aktivierungskolben Hydraulikflüssigkeit in einen Aktivierungskanal der hydraulischen Verbindung zwischen der Steuereinheit und dem Leckageventil drückt. Sofern die Pumpe nur eine Membrane aufweist, ist diese mit der sekundären Membrane gleichzusetzen.
Es erfolgt somit eine hydraulische Aktivierung des Leckageventils.
Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Leckageventil einen Steuerkolben aufweist, bei dessen Druckbeaufschlagung das Leckageventil öffnet, so daß der anliegende Druck in der hydraulischen Verbindung über einen Verbindungskanal auf ein Ergänzungsventil wirkt, um dieses bei Anliegen eines kleineren Drucks als dem Öffnungsdruck des Ergänzungsventils gegen eine Rückstellkraft zu öffnen.
Durch das sich öffnende Ergänzungsventil wird Vorlageflüssigkeit ergänzt. Es ist auch möglich, den Steuerkolben als separates Bauteil am Ventil vorzusehen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen
Figur 1 eine geschnittene Darstellung der erfindunsgemäßen Vorrichtung,
Figur 2 eine Detaildarstellung der Steuereinheit,
Figur 3 eine Detaildarstellung des Leckage- und Ergänzungsventils.
Die Figuren 1 bis 3 zeigen eine Doppel-Membranschlauchpumpe, die eine erfindungsgemäße Steuereinheit (1 ) und ein erfindungsgemäßes Leckageergänzungsventil (2) aufweist. Die Doppel-Membranschlauchpumpe weist ein druckseitiges Förderventil (3) und ein saugseitiges Förderventil (4), einen Druckzwischenflansch (5), einen Zwischenring (6), ein Schlauchgehäuse (7), eine primäre Schlauchmembrane (8) und einen sekundäre Schlauchmembrane (9) auf, wobei zwischen der primären Schlauchmembrane (8) und der sekundären Schlauchmembrane (9) ein Kopplungsfluid (15) angeordnet ist und eine Schlauchmembranzustandsüberwachung (HDG) (13) vorgesehen ist.
Über einen mittels Kolbendichtungen (18) abgedichteten Kolben (Plunger) (10), der Druck auf eine Vorlageflüssigkeit (15) ausübt, wird die sekundäre Schlauchmembran (9) mit Druck beaufschlagt, wodurch der Förderraum (17) komprimiert wird, so daß das zu pumpende Fluid aus dem Förderraum (17) durch das druckseitige Förderventil (3) aus der Pumpe gefördert wird. Beim Zurückziehen des Kolbens (10) reduziert sich der Druck auf die Vorlagefllüssigkeit (15), die Doppel- Schlauchmembrane (8, 9) bewegt sich zurück und es wird über das saugseitige Förderventil (4) Fluid in den Förderraum hineingefördert.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Position der Doppel- Schlauchmembrane (8, 9) nicht wie im Stand der Technik mittels Steuerstange und Kipphebel weitergegeben, sondern hydraulisch. Um dies zu erreichen, ist - wie in Figur 2 dargestellt - ein Steuerteller (20) vorgesehen, der mit einer Steuerstange (23) verbunden ist, welche einen Aktivierungskolben (26) aufweist. Die Steuerstange (23) mit dem Steuerteller (20) ist gegen die Rückstellkraft einer Rückstellfeder (24) in Längsrichtung verschiebbar.
Während des Saughubes bewegt sich die Doppel-Schlauchmembrane (8, 9) in Richtung der Wandung des Schlauchgehäuses (7). Die Doppel-Schlauchmembrane (8, 9) drückt infolgedessen den Steuerteller (20) in die Richtung des Steuergehäuses (21 ), sodass der Aktivierungskolben (26) Vorlageflüssigkeit (15) in den Aktivierungskanal (25) verdrängt. Infolgedessen kommt es innerhalb des Aktivierungskanals (25) zu einer Druckerhöhung. Das kombinierte Leckage- und Ergänzungsventil (2) ist in Figur 3 dargestellt. Der erhöhte Druck im Aktivierungskanal (25) wirkt auf den Steuerkolben (34), welcher das Leckageventil (30) gegen die Kraft der Feder (32) öffnet. Nun wirkt der anliegende Systemdruck über den Verbindungskanal (36) auf das Ergänzungsventil (31 ), das durch die Feder (33) gegen seinen Sitz gedrückt wird. Liegt hier nun ein Druck kleiner des Öffnungsdrucks des Ergänzungsventil (31 ) an, öffnet das Ergänzungsventil (31 ) und ergänzt über den Verbindungskanal (36) eine vordefinierte Menge an Vorlageflüssigkeit (15) aus dem Öl-Reservoir (11) in den Pumpenraum. Ist der anliegende Druck größer als der Öffnungsdrucks des Ergänzungsventil (31 ), bleibt das Ergänzungsventil (31 ) geschlossen. Das Öl-Reservoir (11 ) weist ein Druckbegrenzungsventil (12) auf.

Claims

7
ANSPRÜCHE Membrankolbenpumpe mit einer Leckagesteuerung, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Membrane eine Steuereinheit (1 ) vorgesehen ist, die durch den Druck der Membrane (8, 9) während des Saughubs aktivierbar ist, wobei die Steuereinheit (1 ) hydraulisch mit einem Leckageergänzungsventil (2) verbunden ist, über das Vorlageflüssigkeit (15) in den Kolbenraum der Membrankolbenpumpe abgebbar ist. Membrankolbenpumpe gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (1 ) zwischen dem Kolben (10) der Membrankolbenpumpe und der sekundären Schlauchmembrane (9) angeordnet ist, wobei ein von der sekundären Schlauchmembrane (9) beaufschlagbarer Steuerteller (20) mit einer Steuerstange (23) in Längsrichtung gegen eine Rückstellkraft verschiebbar geführt ist, wobei die Steuerstange (23) einen Aktivierungskolben (26) für die hydraulische Verbindung mit dem Leckageventil (30) aufweist. Membrankolbenpumpe gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Leckageventil (30) einen Steuerkolben (34) aufweist, bei dessen Druckbeaufschlagung das Leckageventil (30) öffnet, so daß der anliegende Druck in der hydraulischen Verbindung über einen Verbindungskanal (36) auf ein Ergänzungsventil (31 ) wirkt, um dieses bei Anliegen eines kleineren Drucks als dem Öffnungsdruck des Ergänzungsventils (31 ) gegen eine Rückstellkraft zu öffnen.
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