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"Membranpumpe für den Transport von Flüssigkeiten"

Die Erfindung betrifft eine Membranpumpe für den Transport von Flüssig¬ keiten.

Eine Membranpumpe in einer Ausführung als Doppelmembranpumpe ist beispielsweise aus der DE 33 10 131 A1 bekannt.

Ein Pumpengehäuse weist zwei Produkt- und zwei Druckkammern auf, die jeweils über eine Membran voneinander getrennt werden. Die Membranen sind über eine gemeinsame Koppelstange miteinander verbunden, die durch die zwei Druckkammern geführt wird.

Für den Betrieb der Pumpe wird Druckluft abwechselnd in eine der beiden Druckkammern geleitet, wobei die Membran der beaufschlagten Druckkam¬ mer einen Förderhub in die angrenzende Produktkammer und die zweite Membran aufgrund der Koppelung über die Koppelstange einen Saughub ausführt. Das wechselseitige Beaufschlagen und Entlüften der Druckkammern wird über eine Steuerschiebervorrichtung erreicht, die parallel zu der Koppel¬ stange angeordnet ist, und zyklisch einzelne Steueröffnungen freigibt.

Derartige Membranpumpen werden häufig zum Fördern von hochreinen und/oder feuergefährlichen Flüssigkeiten verwendet. Zum einen weisen sie lediglich statische Dichtungen auf, die mit der Förderflüssigkeit in Berührung kommen, und zeichnen sich somit durch eine äußerst geringe Verunreinigung der Produktflüssigkeit durch Verschleißpartikel aus. Zum anderen erfolgt der Antrieb und die Umsteuerung der Pumpe auf rein mechanischer Basis, so daß von besonderen Sicherheitsmaßnahmen zum Feuerschutz, wie es bei elektrisch angetriebenen oder betätigten Pumpen erforderlich ist, abgesehen werden kann.

Besondere Anforderungen werden an (Membran-)Pumpen ferner dann gestellt, wenn diese im Sterilbereich, beispielsweise auf dem Pharmasektor oder in der Biochemie, eingesetzt werden sollen. Dabei wird neben den bereits angesprochenen Anforderungen hinsichtlich einer möglichen Pro¬ duktverunreinigung vorausgesetzt, daß die Pumpen vor dem Abschalten vollständig leerlaufen können, so daß keine Restmengen der Produktflüssig¬ keit in der Pumpe zurückbleiben. Ferner muß ein anforderungsgerechtes Spülen mittels einer Spülflüssigkeit möglich sein.

Der Erfindung liegt nun das Problem zugrunde, eine Membranpumpe, wie sie beispielsweise aus der DE 33 10 131 A1 bekannt ist, für das Fördern einer Flüssigkeit im Sterilbereich zu verbessern und insbesondere ein voll¬ ständiges Leerlaufen und Spülen der Pumpe zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprü¬ chen aufgeführt.

Erfindungsgemäß können sämtliche Flüssigkeit führenden Flächen der Pumpe geneigt angeordnet sein. Dadurch kann verhindert werden, daß es beim Leerlaufen der Pumpe zu Produktablagerungen auf nicht geneigten Flächen kommen kann.

Unter "sämtliche" Flächen wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Ausführung verstanden, die mindestens diejenigen Flächen betrifft, die es erlauben, die erfindungsgemäße Aufgabe im wesentlichen, d.h. vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik, zu lösen.

Unter "geneigt" wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Lage einer Fläche (in der Betriebsposition der Pumpe) verstanden, die nicht senkrecht zur Richtung der Schwerkraft oder einer resultierenden aus der Schwerkraft und einer weiteren Kraft ist.

Unter "Flüssigkeit führender Fläche" wird erfindungsgemäß eine Fläche ver- standen, die mit der Flüssigkeit aufgrund der Wirkung der Schwerkraft oder einer resultierenden aus der Schwerkraft und einer weiteren Kraft in Berüh¬ rung kommt, und folglich insbesondere die untere Begrenzungsfläche oder das untere Flächensegment (beispielsweise bei einem kreisförmigen Quer¬ schnitt) einer die Flüssigkeit leitenden Kammer oder Leitung darstellt.

Vorzugsweise sind nicht nur die Flüssigkeit führenden Flächen der Pumpe geneigt angeordnet, sondern sämtliche Flächen, die mit der Flüssigkeit in Berührung kommen.

Weiterhin kann/können die Produktkammer(n) der Pumpe von dem Zu- und/oder Ablauf der jeweiligen Produktkammer derart mit der zu fördernden Flüssigkeit angeströmt werden, daß eine Direktanströmung von zumindest einem Abschnitt der Membran und/oder eines Randbereichs der Produktkammer erzeugt wird.

Dadurch kann der Wirkungskreis des Spülprozesses beim Betrieb der Pumpe mit einer Spülflüssigkeit verbessert werden - A -

Unter "Direktanströmung" wird eine Strömung der Flüssigkeit verstanden, die insbesondere gezielt auf bestimmte Stellen innerhalb der Produktkammer, in denen der Flüssigkeitsaustausch beim Spülen eher gering ist, gerichtet ist. Diese Stellen befinden sich häufig in den Randbereichen der Produktkammer(n) und insbesondere an den Verbindungsstellen, an denen die Membran mit dem Gehäuse der Produktkammer(n) verbunden ist.

Die Direktanströmung unterscheidet sich somit von der bei derartigen Pumpen verwendeten Tangentialanströmung, bei der die Flüssigkeit in einem möglichst spitzen Winkel, bezogen auf die Membranfläche von dem Zu- und/oder Ablauf in die Arbeitskammer geleitet wird.

Die Tangentialanströmung der Produktkammer(n) einer Membranpumpe zeichnet sich durch eine möglichst gleichförmige Strömung aus, mit den Nachteilen, daß Problemzonen nicht optimal erreicht werden. Durch die erfindungsgemäße Direktanströmung wird das Reinigungsmedium (Spülmittel) zielgerichtet geleitet, um die vorgenannten Problemzonen zu eliminieren.

Vorzugsweise werden die relevanten Stellen innerhalb der Produktkammer in einem Winkel von 90° ± 20°, vorzugsweise von 90° ± 10° und besonders bevorzugt von 90° ± 5° (jeweils den gesamten Bereich umfassend) angeströmt. Dies kann für eine besonders gute Spülung dieser Stellen sorgen, indem Verwirbelungen innerhalb der Flüssigkeitsströmung erzeugt werden, die den Flüssigkeitsaustausch positiv beeinflussen.

Weiterhin kann vorgesehen sein, die Verbindung von zwei aneinandergren- zenden, Flüssigkeit führenden Flächen der Pumpe zumindest teilweise stufenlos auszubilden.

Unter "stufenlos" werden erfindungsgemäß insbesondere ebene Übergänge ohne erkennbare Stoßkante verstanden; jedoch kann hierunter auch ein Absatz fallen, der eine Bewegung entgegen der Schwerkraft der durch die Pumpe strömenden Flüssigkeit nicht erfordert. Hierdurch kann verhindert werden, daß sich beim Leerlaufen der Pumpe Reste der Flüssigkeit an vorhandenen Stufen anlagern und in der Pumpe verbleiben.

In konventionellen Pumpen zeigen sich insbesondere die Ventilsitze der Rückschlagventile als derartige Stufen.

Eine erfindungsgemäße Ausführung eines Rückschlagventils kann daher ein Ventilgehäuse aufweisen, das zwei Abschnitte mit unterschiedlichen Innen¬ maßen aufweist, wobei der Übergang zwischen den Abschnitten den Ventil¬ sitz darstellt, und die zwei Abschnitte derart versetzt zueinander angeordnet sind, daß der Übergang zwischen den Abschnitten des Ventilgehäuses in einem Bereich des Ventilsitzes stufenlos ist.

Insbesondere eignen sich hierzu Gehäuseabschnitte eines Kugel-Rück¬ schlagventils mit einem (inneren) kreisförmigen Querschnitt.

Um ein Abfließen der gesamten Flüssigkeit beim Leerlaufen der Pumpe zu gewährleisten, ist der stufenlose Abschnitt des Ventilsitzes vorzugsweise auf derjenigen Seite des Rückschlagventils angeordnet, auf der die Flüssigkeit aufgrund der Schwerkraft abfließt (Schwerkraftseite).

Ferner kann eine Einrichtung vorgesehen sein, die es erlaubt, die Sperrkör- per der Rückschlagventile der Pumpe, z.B. durch Erzeugen eines magneti¬ schen Felds, unabhängig von den durch die Pumpe erzeugten Druckverhält¬ nissen aus ihrem Ventilsitz abzuheben.

Rückschlagventile, die sich für den Einsatz in der erfindungsgemäßen Pumpe eignen, weisen ein Ventilgehäuse und ein darin beweglich gelagertes Sperrelement auf. Mindestens ein Abschnitt des Sperrelements weist (ferro)magnetische oder entsprechend magnetisierbare Eigenschaften auf und kann durch Aufbringen einer äußeren Magnetkraft aus seinem Ventilsitz gehoben werden. Das bedarfsweise Öffnen der Ventile über eine magnetische Kraft ist insbe¬ sondere aus dem Grund vorteilhaft, daß auf mechanische Ventilheber ver¬ zichtet werden kann, die häufig von außen durch das Ventilgehäuse zu dem Sperrkörper geführt werden und somit mit den Nachteilen behaftet sind, daß sie weitere (bewegliche) Bauteile innerhalb der Pumpe darstellen und ferner eine zusätzliche Dichtung in dem Ventilgehäuse bedingen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform werden zur Erzeugung des magneti- sehen Felds Permanentmagnete verwendet, die temporär, d.h. lediglich zum Öffnen der Ventile unabhängig von den Druckverhältnissen, an den Ventilen angeordnet werden. Bei metallischen Ventilgehäusen mit magnetischen Eigenschaften haften die Permanentmagnete an den vorgesehenen Stellen dann in der Regel selbständig, so daß auf weitere Haltevorrichtungen häufig verzichtet werden kann.

Der Einsatz von Permanentmagneten hat insbesondere den Vorteil, daß der Einsatz von Elektrizität nicht erforderlich ist, was die Verwendung derartiger Ventile für den Transport von beispielsweise feuergefährlichen Flüssigkeiten ermöglicht bzw. erleichtert.

Vorzugsweise weist das Ventilgehäuse im Bereich des Ventilsitzes einen kreisförmigen Querschnitt auf wobei das Sperrelement in Form einer Kugel ausgeführt ist. Derartige Kugel-Rückschlagventile zeichnen sich durch ein sicheres Verschließen aus, so daß auf eine besondere Führung des Sperr¬ elements verzichtet werden kann.

Der (ferro)mag netische Abschnitt des Kugel-Rückschlagventils kann insbe¬ sondere als Kugelkern ausgebildet sein. Dadurch kann das Material des Kugelmantels bedarfsgerecht, beispielsweise entsprechend der zu fördern¬ den Flüssigkeit ausgewählt werden. Ferner kann durch die Verwendung von elastischen Werkstoffen als Mantel die Dichtwirkung der Kugel in ihrem Ven¬ tilsitz verbessert werden. Vorzugsweise wird PTFE als Werkstoff für den Kugelmantel verwendet. Insbesondere ferromagnetische Werkstoffe (hiervon insbesondere Eisen) eignen sich für die Ausbildung des Kugelkerns.

Ein weiterer Vorteil eines Eisenkerns kann die Erhöhung des spezifischen Gewichts der Kugel sein, die unter anderem zu einer Verbesserung der Saugwirkung führen kann. Über eine Dimensionierung des Eisenkerns kann dies beeinflußt werden.

Ein erfindungsgemäßes Rückschlagventil kann ferner eine Form des Ventil¬ sitzes aufweisen, die zu der Kontur des Sperrelements in dem Kontaktbe¬ reich korrespondiert.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform als Kugelventil würde dieses somit einen Ventilsitz aufweisen, dessen Ringfläche flächig konkav mit einem dem Kugelradius entsprechenden Radius ausgeformt ist.

Die Anpassung der Ringfläche des Ventilsitzes an die Kontur des Sperrele¬ ments bewirkt, daß die effektive Dichtfläche und somit die Dichtwirkung ver- größert wird, wohingegen konventionelle Kugelventile in der Regel lediglich einen Ventilsitz in Form einer (Dicht-)Kante aufweisen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen darge¬ stellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Doppelmembran¬ pumpe;

Fig. 2 eine Seitenansicht der Doppelmembranpumpe der Fig. 1 ;

Fig. 3 eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dop¬ pelmembranpumpe; Fig. 4 eine perspektivische Detailansicht eines Gehäuses eines erfindungsgemäßen Rückschlagventils;

Fig. 5 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Doppelmembran¬ pumpe in einer dritten Ausführungsform;

Fig. 6 eine Seitenansicht der Doppelmembranpumpe der Fig. 5;

Fig. 7 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Doppelmembran¬ pumpe in einer vierten Ausführungsform und

Fig. 8 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Doppelmembran¬ pumpe in einer fünften Ausführungsform.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemä¬ ßen Doppelmembranpumpe weist ein Pumpengehäuse 1 mit zwei in den Außenbereichen des Pumpengehäuses 1 liegenden Produktkammern 2, 3 auf, durch die über außerhalb des Gehäuses liegende Zuleitungen 4 die Produktflüssigkeit gefördert wird.

Die zwei Produktkammern 2, 3 sind jeweils über eine Membran 5, 6 von ent¬ sprechenden Druckkammern 7, 8 getrennt. Es kommen vollständig glatte, durchgehende Membranen, beispielsweise aus PTFE oder EPDM oder einem anderen geeigneten Werkstoff, ohne Membranteller und weiteren Dichtungen zum Einsatz.

Im Betrieb wird der Pumpe über eine (nicht dargestellte) Zuleitung Druckluft zugeführt. Diese wird über die Steuerschiebervorrichtung 9 abwechselnd entweder der linken (8) oder rechten (7) Druckkammer zugeleitet. Während der Beaufschlagung einer Druckkammer wird die jeweils andere Druckkam¬ mer entlüftet. Das Füllen einer Druckkammer 7, 8 mit Druckluft führt zu einem Arbeitshub, den die entsprechende Membran 5, 6 in die Produktkammer 2, 3 hinein ausführt (in Fig. 1 die rechte Kammer 2). Der Arbeitshub der rechten Mem¬ bran 5 verringert somit das effektive Volumen der Produktkammer 2 und för- dert die Produktflüssigkeit durch das rechte Auslaßventil 10 zu dem Pum¬ penauslaß 11.

Gleichzeitig wird die linke Membran 6 durch eine Koppelung der zwei Mem¬ branen 5, 6 mittels einer Koppelstange 12 in die entsprechende Druckkam- mer 8 zurückgezogen, wobei diese entlüftet wird. Durch diesen Saughub wird das effektive Volumen der linken Produktkammer 3 erhöht und Flüssigkeit durch das linke Einlaßventil 13 angesaugt, wobei dessen Sperrkörper in Form einer Kugel 14 von dem Ventilsitz 15 abgehoben wird und somit einen Durchfluß freigibt. Die Bewegung der Kugeln 14 der Rückschlagventile wird durch einen Hubbegrenzer 16 eingeschränkt. Gleichzeitig wird die Kugel 14 des linken Auslaßventils 17 in den Ventilsitz 15 gezogen, wodurch es den Auslaß verschließt.

Sobald die rechte Membran 5 ihren Arbeitshub beendet hat, wird die Druck- luft in die linke Druckkammer 8 umgeleitet. Die linke Membran 6 beginnt dementsprechend ihren Arbeitshub, während die rechte Membran 5 einen Saughub ausführt.

Vielfach ist es nun nötig, die Pumpe vor dem Abschalten oder einem Wech- sei der zu fördernden Flüssigkeit leerlaufen zu lassen.

Hierzu werden auf alle Ventile - dargestellt in Fig. 1 lediglich für die rechte Pumpenhälfte - Permanentmagnete 18 aufgesetzt. Die Permanentmagnete 18 erzeugen ein magnetisches Feld, das die Kugeln der Rückschlagventile, die einen (nicht dargestellten) ferromagnetischen Eisenkern aufweisen, von den Ventilsitzen 15 abhebt. Somit sind sämtliche Zu- und Abläufe, unabhän¬ gig von der Hubstellung der Membrane 5, 6 geöffnet. Die Flüssigkeit kann - der Schwerkraft folgend, entgegengesetzt der Förderrichtung - aus der Pumpe laufen. Ein fortdauernder Betrieb der Pumpe mit gegebenenfalls reduzierter Schlag¬ zahl kann dabei das Leerlaufen der Pumpe noch unterstützen.

Um ein Zurückbleiben von Produktresten zu verhindern, sind sämtliche Flächen der Pumpe, die mit der Flüssigkeit in Berührung kommen, erkennbar geneigt, d.h. nicht waagerecht ausgeführt.

Das Abfließen der Flüssigkeit kann ferner durch eine Behandlung der Ober- flächen mit dem Ziel, die mittlere Rautiefe zu verringern, unterstützt werden.

Weiterhin sind keine Absätze zwischen Flächen vorgesehen, die eine Bewe¬ gung der während des Leerlaufens abfließenden Produktflüssigkeit entgegen der Schwerkraft nötig machen würden.

Insbesondere sind die Ventilgehäuse derart ausgeführt, daß die abfließende Flüssigkeit keinen Absatz überwinden muß. Die Ventilgehäuse bestehen dazu aus zwei kreisförmigen Abschnitten, die einen unterschiedlichen Durchmesser aufweisen und derart versetzt zueinander angeordnet sind, daß sie im unteren Bereich absatzlos und geradlinig ineinander übergehen.

Um dabei einen sicheren und dichten Sitz der Kugeln 14 zu gewährleisten, ist der ringförmige Ventilsitz 15 bzw. die hierdurch gebildete Ebene nicht senkrecht zu den Mittelachsen der zwei Abschnitte angeordnet, sondern befindet sich in einer hierzu geneigten Stellung.

Weiterhin sind die Ventilsitze 15 flächig konkav ausgebildet mit einem Radius, der demjenigen der Kugel im wesentlichen entspricht. Dadurch wer¬ den Dichtflächen zwischen den Ventilsitzen 15 und den Kugeln 14 erreicht, die im Vergleich zu Dichtkanten die Abdichtung verbessern können (vgl. auch Fig. 4).

Derartige Ventilsitze können vorteilhaft durch die Verwendung eines Kugel¬ fräsers erzeugt werden. Dieser würde im vorliegenden Ausführungsbeispiel parallel, jedoch leicht versetzt zu der Mittellängsachse des kleineren Ventil¬ gehäuseabschnitts auf diesen zugeführt werden und dem Ventilsitz, der sich bereits durch die Durchdringung der zwei Ventilgehäuseabschnitte gebildet hat, die konkave Form einprägen.

Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Pumpe, die sich von derjenigen der Fig. 1 lediglich durch ihre Ausführung als Doppelmembranpumpe mit Tandemmembranen 5a, b, 6a, b unterscheidet. Diese können aufgrund der Sperrkammern 19, 20 innerhalb einer Tandem- membran 5a, b, 6a, b auch extremen Sicherheitsanforderungen genügen.

Durch den modularen Aufbau kann eine erfindungsgemäße Doppelmem¬ branpumpe auf einfache Weise zu einer Tandempumpe aufgerüstet werden.

Die Membranpumpe gemäß der dritten Ausführungsform (Fig. 5 und 6) unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen Ausführungsformen insbesondere hinsichtlich der Form der Produktkammern 102, 103 sowie des Verlaufs der Zuleitungen 104.

Bei der Membranpumpe der ersten und zweiten Ausführungsform sind die Zuleitungen (Zufluß / Abfluß) 4 als durchgehende Rohrleitung ausgebildet, die lediglich einseitig eine Verbindung zu den Arbeitskammern 2, 3 aufweisen. Dadurch kann eine geradlinige, im wesentlichen laminare Strömung der Flüssigkeit zwischen Zu- und Abfluß erreicht werden, die vorteilhaft hinsichtlich des Strömungswiderstands ist.

Im Gegensatz dazu münden die Zuleitungen 104 bei der dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Membranpumpe (wie auch bei der vierten und fünften Ausführungsform) mit ihrem vollen Querschnitt in die Produktkammern 102, 103. Weiterhin werden die Zuleitungen kurz vor der Mündung in die Produktkammern 102, 103 abgeknickt geführt, wodurch die Strömung der Flüssigkeit in einem relativ großen, nahezu senkrechten Winkel auf die Vertikalebenen der Membranen 105, 106 auftrifft. Dies sorgt für erhöhte Verwirbelungen innerhalb der Flüssigkeitsströmungen und somit für einen guten Flüssigkeitsaustausch im Bereich der Mündungsstellen der Produktkammern 102, 103.

In Fig. 5 ist erkennbar, daß die Strömung in der unteren Zuleitung 104 einer Produktkammer 102, 103 stärker umgelenkt wird, als dies bei der oberen Zuleitung 104 der Fall ist: Da die Gefahr, daß sich beim Entleeren der Pumpe Flüssigkeit festsetzt, an der in Gravitationsrichtung unteren Mündung größer ist, kann bei der in Gravitationsrichtung oberen Zuleitung 104 eine geringe Umlenkung mit einer daraus folgenden geringeren Entwicklung von Verwirbelungen gewählt werden, was sich vorteilhaft auf den Strömungswiderstand der Pumpe auswirken kann.

Bei der unteren Zuleitung 104 beträgt die Umlenkung ca. 89°. Durch eine Zuleitung in einem Winkel ungleich 90° (zur Horizontalen) wird sichergestellt, daß auch der einmündende Abschnitt der Zuleitung 104 (leicht) geneigt ausgeführt ist, um ein Abfließen der Flüssigkeit beim Entleeren der Pumpe zu unterstützen.

Die Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform, bei der die untere Zuleitung 204 in demselben Maße abgewinkelt ausgeführt ist, wie die obere Zuleitung 204. Dies zeigt, daß erfindungsgemäß unterschiedliche Strömungsumlenkungen und daraus folgend eine unterschiedliche Erzeugung von Verwirbelungen vorgesehen sein können. Eine Auswahl der Größe der Strömungsumlenkung sowie des Anströmwinkels der entsprechenden Stellen innerhalb der Produktkammern kann folglich beliebig unter Abwägung der erforderlichen Spülwirkung und unter Berücksichtigung der damit einhergehenden Erhöhung des Strömungswiderstands getroffen werden.

Die Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform der Pumpe, die sich von derjenigen der Fig. 5 und 6 lediglich durch die Verwendung einer Doppelmembran 105a, b, 106a, b (mit eingeschlossener Sperrkammer 119, 120) je Produktkammer 102, 103 unterscheidet. Durch die erfindungsgemäße Verbesserung einer Membranpumpe ist diese nunmehr geeignet, auch für das Fördern von Flüssigkeiten im Sterilbereich, beispielsweise auf dem Pharmasektor oder im Bereich der Biochemie einge¬ setzt zu werden. Hierzu wurden bisher ausschließlich rotierende Pumpen verwendet.