DE19738779A1 - Umsteuerventil für eine Druckluftmembranpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Umsteuerventil für eine Druckluftmembranpumpe.

Steuerungen für Druckluftmembranpumpen bestehen in der Regel aus einem Hauptsteuersystem und einem Pilotsteuer­ system. Das Hauptsteuersystem bewirkt die wechselweise Beaufschlagung der Membranen, während das Pilotsteuersy­ stem in den Endlagen der Pumpe die Umsteuerung des Hauptsteuersystems bewirkt. Bekannt sind mechanische Pi­ lotsteuersysteme, wie beispielsweise in der europäischen Offenlegungsschrift 0 061 706 beschrieben oder magneti­ sche Pilotsteuersysteme, wie in der deutschen Offenle­ gungsschrift 41 06 180 beschrieben.

Pumpen mit derartigen Steuersystemen werden den hohen Anforderungen bei der Förderung von Reinstsäuren, -laugen und -lösungsmitteln in der Halbleiterindustrie nicht gerecht, da für diese Pumpen eine völlige Metall­ freiheit gefordert wird, die sich mit mechanisch oder magnetisch gesteuerten Pumpen nicht verwirklichen läßt. Die hohen Anforderungen an Pumpen, die in der Halblei­ terindustrie eingesetzt werden, ergeben sich daraus, daß eine Kontamination der Fördermedien durch Metallionen in jedem Falle auszuschließen ist, da bereits durch wenige Metallionen eine gesamte Charge, beispielsweise bei der Herstellung eines Computerchips, zerstört werden kann. Daraus ergibt sich, daß nicht nur diejenigen Bauteile der Pumpe, die mit den Fördermedien in Kontakt stehen, metallfrei sein müssen, sondern auch die Bauteile der Pumpe, die nicht in Medienkontakt gelangen, da heutzu­ tage von den Membranpumpen eine Lebensdauer von 80 bis 100 Mio. Schaltungen erwartet wird und beim Betrieb der Pumpe ein Membranbruch mit einkalkuliert werden muß, bei dem die Fördermedien in das Innere der Pumpe eindringen können.

Für die oben beschriebenen Einsatzbereiche lassen sich daher nur Membranpumpen einsetzen, deren Steuersysteme pneumatisch arbeiten, da sich nur solche Pumpen metall­ frei verwirklichen lassen.

Eine Pumpe mit einem derartigen Steuersystem ist in der deutschen Patentschrift 33 10 131 beschrieben. Das darin offenbarte Umsteuersystem besteht aus einem pneumatisch angetriebenen Hauptventilsteuerkolben mit einem inner­ halb des Kolbens angeordneten Pilotkolbensystem. Das Pilotkolbensystem wird über Anschlagstifte jeweils in der Endlage der Membranpumpe durch Längsverschiebung des Pilotkolbens umgesteuert.

Bekannten pneumatisch betriebenen Steuersystemen ist das Problem gemein, daß ein Betrieb der Pumpe mit geringer Geschwindigkeit dadurch zu deren Stillstand führen kann, daß das Umsteuersystem eine Neutralstellung einnimmt. Erreicht der durch die Membranbewegung angetriebene Kol­ ben des Pilotsystems seine Neutralstellung, ist die Be­ aufschlagung des Hauptsystemkolbens unterbrochen. Dieser wird dann nicht mehr in seiner Endlage fixiert. Da sich der Kolben des Hauptsystems zur Versorgung der Membranen mit Antriebsluft in seiner Endlage befinden muß, kommt die Pumpe zum Stillstand, wenn dieser infolge der Neu­ tralstellung des Pilotkolbens nicht mehr einseitig mit dem Druck beaufschlagt wird, und dann dem Druck aus dem Hauptkanal ausweichend ebenfalls eine Neutralposition einnimmt.

Das aus der deutschen Patentschrift 33 10 131 bekannte Umsteuersystem nimmt einen erheblichen technischen Auf­ wand in Kauf, um die Gefahr eines Pumpenstillstands auf­ grund einer Neutralstellung der Steuersysteme zu vermei­ den. Dennoch ist auch bei diesem System ein Pumpenstill­ stand unter bestimmten Bedingungen nicht ausgeschlossen.

So kann beispielsweise bei plötzlichem Druckabfall der Antriebsluft der Hauptkolben in seiner Mittenstellung zum Stehen kommen und die Druckluftversorgung der beiden Membranen blockieren. Da der Pilotkolben nur während der letzten Wegstrecke der Membranen bzw. des Membrankolbens bewegt wird, ist er in der übrigen Zeit frei beweglich, kann aus seiner Endstellung zurückschwingen und eben­ falls eine Neutralstellung einnehmen. In diesem Zustand ist die Pumpe dann vollständig blockiert, da die Neu­ tralstellung des Hauptkolbens eine Pumpenbewegung ver­ hindert, während die Neutralstellung des Pilotkolbens eine Bewegung des Hauptkolbens aus seiner Neutralstel­ lung verhindert. Die Tendenz des Pilotkolbens, eine Neu­ tralstellung einzunehmen und in dieser Stellung zu ver­ harren, wird dadurch verstärkt, daß sich zwischen dem Pilotsystem und dem Hauptsteuerkolben eine starre Hülse befindet, die an den jeweiligen Verschiebungen der Kol­ ben nicht teilnimmt.

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, eine Um­ steuerung für pneumatisch getriebene Druckluftmembran­ pumpen zu schaffen, die einen zum Stillstand der Pumpe führenden Gleichgewichtszustand des Hauptkolbens in der Neutralposition vermeidet.

Der Lösung des Problems liegt der Gedanke zugrunde, die Umsteuerung konstruktiv so zu gestalten, daß eine Gleichgewichtslage des Hauptkolbens oder des Pilotkol­ bens in der Neutralstellung ausgeschlossen ist, indem das Pilotsystem und das Hauptsteuersystem direkt zusam­ menwirken, d. h. eine Lageänderung des einen Kolbens di­ rekt die Relativlage des anderen Kolbens ändert und sich dadurch die physikalischen Verhältnisse beider Kolben nie unabhängig voneinander einstellen. Im Ergebnis bedeutet dies, daß ein in der Neutralstellung befindli­ cher Kolben bereits dadurch wieder aus seiner Neutral­ stellung herausgebracht wird, daß der zweite Kolben die Neutralstellung einnehmen will.

Das Problem wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß An­ spruch 1, bei der die Pilotsteuerung und der Hauptsteu­ erkolben unmittelbar aneinander anliegen und jeweils Kanäle besitzen, die so ausgestattet sind, daß der Hauptsteuerkolben in jeder Endlage des Pilotsteuerkol­ bens jeweils einseitig so mit Luft beaufschlagt wird, daß der Hauptsteuerkolben jeweils in seine entgegenge­ setzte Endlage verschoben wird.

Das Problem der Erfindung wird ferner dadurch gelöst, daß die Funktion der Pilotsteuerung von einem Kolben übernommen wird, der zumindest über den überwiegenden Verschiebungsweg des Memorankolben mit diesem gekoppelt ist.

Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß der Mem­ brankolben so gestaltet ist, daß er im Laufe seiner Querverschiebung einen Wechsel der Druckluftbeaufschla­ gung des Hauptsystemkolbens und damit dessen schlagar­ tige Verschiebung von einer Endlage in die andere be­ wirkt.

Dadurch, daß die Funktion des Pilotsystems von dem Mem­ brankolben übernommen wird, d. h. ein getrenntes Pilotsy­ stem vermieden wird, welches nur während der letzten Wegstrecke der Membranen betätigt wird und/oder das Pi­ lotsystem unmittelbar an den Hauptsteuerkolben anliegt, ist eine unkontrollierte Neutralstellung des Pilotsy­ stems, wie sie im Stande der Technik beispielsweise durch Zurückschwingen des Pilotkolbens oder kurzzeitigem Druckabfall zum Stillstand der Pumpe führt, ausgeschlos­ sen. Befindet sich einer der Kolben in seiner Neutral­ stellung wird dieser, sobald der zweite Kolben sich in seine Neutralstellung bewegt, sofort veränderten Druck­ verhältnissen ausgesetzt, so daß sich der erste Kolben wieder in seine Endlage zurückbewegt. In jedem Falle führt die direkte Kopplung der Steuerkolben dazu, daß das Einnehmen der Neutralstellung durch einen Kolben den anderen Kolben aus der Neutralstellung herausbringt.

Der erfindungsgemäße Membrankolben ist vorzugsweise so ausgestaltet, daß er in drei Bereichen eine Taillierung besitzt. In einer bestimmten Position des Membrankolbens liefert die Taillierung des ansonsten in seiner Führung luftdicht gelagerten Kolbens eine Verbindung zwischen verschiedenen Kanälen des Hauptkolbens und des Pumpenge­ häuses.

So wird die Druckluft in der Endstellung des Membrankol­ bens über einen Steuerkanal im Hauptsteuerkolben über die Taillierung des Membrankolbens, die sich in dieser Position direkt unter der Kanalöffnung des Hauptsteuer­ kolbens befindet, beispielsweise einer Seitenfläche des Hauptsteuerkolbens zugeleitet, so daß dieser schlagartig seine Endlage wechselt und dabei einer anderen Membrane einen Druckluftkanal eröffnet. In dieser Position liegt dann der Steuerkanal des Hauptsteuerkolbens, der zuvor mit der Taillierung des Membrankolbens in Verbindung stand auf der nicht taillierten Außenfläche des Membran­ kolbens auf, was eine Weiterleitung der Druckluft ver­ hindert, bis durch die Längsverschiebung des Membrankol­ bens die Taillierung wiederum eine Verbindung zwischen der zweiten Seitenfläche des Hauptsteuerkolbens und dem druckbeaufschlagten Steuerkanal im Hauptsteuerkolben herstellt.

Weitere Taillierungen erlauben ein Abfließen der Luft aus den verschiedenen nicht mit Druck beaufschlagten Räumen, damit die druckbeaufschlagten Räume sich ohne Widerstand durch Verschiebung der einzelnen Bauteile vergrößern können.

Dadurch, das Hauptsystemkolben und Pilotsystemkolben nicht zwei unabhängig von der Membranstellung verschieb­ bare Bauteile darstellen, sondern eine Verschiebung des Hauptsystemkolbens zwangsläufig auch seine relative Lage zum Pilotsystem bzw. zum Membrankolben verändert, wird der Hauptsystemkolben, wenn er sich auf dem Weg in seine bezüglich der Membranbeaufschlagung gegebene Neutral­ stellung befindet, durch die relative Lageänderung zum Membrankolben bzw. Pilotsystem sofort wieder in die sta­ bile Endlage gebracht, in der die Membranbeaufschlagung unbeeinträchtigt ist. Ein Stillstand der Pumpe aufgrund einer neutralen Mittenstellung des Hauptsystemkolbens ist somit ausgeschlossen.

Genauso ist es ausgeschlossen, daß das Pilotsystem in seine Neutralstellung aus einer Endlage zurückschwingt, da es mit der Position der Membrane zwangsgekoppelt ist. Das erfindungsgemäße System liefert somit eine in allen Betriebszuständen totpunktfreie Umsteuerung.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Doppelmembranpumpe mit dem erfindungsgemäßen Umsteuersystem;

Fig. 2 einen Teilschnitt durch das Umsteuersystem der Fig. 1 kurz vor dem Lagenwechsel des Hauptsy­ stemkolbens;

Fig. 3 den Teilschnitt der Fig. 2 nach dem Lagenwech­ sel des Hauptsteuerkolbens;

Fig. 4 den Teilschnitt der Fig. 2 nach einer Längsver­ schiebung des Membrankolbens kurz vor dem er­ neuten Lagenwechsel des Hauptsystemkolbens;

Fig. 5 der Teilschnitt der Fig. 2 nach dem zweiten La­ genwechsel des Hauptsystemkolbens.

Die Umsteuerung 1 besteht aus einem Hauptsteuerkolben 2, einem Membrankolben 3 und Leitungen 4, 5, 6, 7, 8. Der Hauptsteuerkolben 2 befindet sich längsverschiebbar in einem Kolbenraum, der durch den Hauptsteuerkolben je nach dessen Stellung in einen links oder rechts des Kol­ bens befindlichen Druckraum 9 und einen Abluftraum 10 aufgeteilt ist. Der Druckraum 9 verhindert ein Heraus­ treten des Hauptsteuerkolbens aus einer Endlage, während der Abluftraum 10 eine Verbindung zwischen der luftge­ füllten Membrane und der Umgebung liefert. Der Druckraum 9 und der Abluftraum 10 verlagern sich bei der Längs­ verschiebung des Hauptsteuerkolbens 2 von einer Seite des Kolbenraumes auf die entgegengesetzte Seite. Der Hautsteuerkolben besitzt an jeder Seite Zungen 2a und 2b. Der ursprüngliche Abluftraum und der ursprüngliche Druckraum sind nach der Verschiebung des Hauptsteuerkol­ bens von den Zungen ausgefüllt. Die Zungen 2a und 2b dichten ferner den Abluftraum gegen den Druckraum ab.

Der Membrankolben befindet sich in einem weiteren in der Umsteuerung vorgesehenen Kolbenraum und weist Taillie­ rungen 11, 12 und 13 auf.

Über die Bohrung 6 wird die Druckluft je nach Stellung des Hauptsteuerkolbens 2 der Bohrung 5 oder der Bohrung 7 über den Hauptkanal 14 und damit den jeweiligen Mem­ branen 15 zugeführt.

Der Hauptsteuerkolben 2 besitzt einen zentralen Kanal 16 für die Zufuhr der Druckluft vom Druckluftkanal 6 zum Druckraum 9 über die Taillierung 12 im Membrankolben 3, wenn dieser die entsprechende Stellung einnimmt. Die Umsteuerung besitzt ferner Druckraumentlüftungskanäle 17, 18 für die Entlüftung des Druckraums 9 über die Tail­ lierung 11, 13. Die Kanäle 17, 18 stehen mit dem Abluft­ raum 10 und folglich mit den Entlüftungskanälen 4 bzw. 8 in Verbindung.

Im folgenden wird der Ablauf des Umsteuervorgangs anhand der Fig. 2 bis 5 erläutert.

In der Fig. 2 befindet sich der Hauptsteuerkolben 2 in seiner linken Endlage. Druckraum 9b und Abluftraum 10b sind in dieser Stellung auf der rechten Seite des Haupt­ steuerkolbens 2 ausgebildet und durch die Zunge 2a des Hauptsteuerkolbens gegeneinander abgedichtet. Bei dieser Stellung des Hauptsteuerkolbens 2 verläuft die über den Druckluftkanal 6 zugeführte Druckluft über Kanal 14 zum Membrankanal 5 und in die Luftkammer 26, über die die Membrane 25 mit Druckluft beaufschlagt wird. Eine Ver­ größerung der Luftkammer 26 führt zu einer Verkleinerung der Pumpenkammer 27, wodurch das Fördermedium über druckseitigen Produktkanal 23 bewegt wird. Dabei wird die gegenüberliegende Luftkammer 26 verkleinert, was zu einer Vergrößerung der entsprechenden Pumpenkammer 27 und einem Ansaugen des Mediums über den saugseiten Pro­ duktkanal 24 führt. Über den Membrankanal 7, den Abluft­ raum 10b und den Entlüftungskanal 8 kann die Luft aus der sich verkleinernden Membranluftkammer 26 bei der gegebenen Stellung des Hauptsteuerkolbens 2 entweichen. Bei der gegebenen Endlage des Membrankolbens 3 besteht ferner eine Verbindung vom Druckluftkanal 6 über Kanal 14 und Zentralkanal 16 zur Taillierung 12 des Membran­ kolbens 3. Über die Taillierung 12 wird der in der End­ lage des Hauptsteuerkolbens 2 verbleibende Restraum des Druckraums 9a mit Druckluft beaufschlagt. Die in Fig. 2 dargestellte Situation ist folglich instabil und stellt den Hauptsteuerkolben kurz vor der Umsteuerung bzw. Ver­ schiebung in seine andere Endlage dar. Bei der Verschie­ bung des Hauptsteuerkolbens 2 in seine rechte Endlage vergrößert sich der Druckraum 9a, während sich der Druckraum 9b in seinem Volumen verringert und die über­ schüssige Luft über die Taillierung 11, den Druck­ raumentlüftungskanal 18 und den Abluftraum 10b dem Ent­ lüftungskanal 8 zugeführt wird. Über den Entlüftungska­ nal 8 können so sowohl die Luft aus dem Raum 9b als auch aus dem Raum 10b bei der Längsverschiebung des Haupt­ steuerkolbens 2 entweichen.

In Fig. 3 ist der Hauptsteuerkolben 2 in seiner rechten Endlage dargestellt. Nun wird die Druckluft aus dem Druckluftkanal 6 über den Kanal 14 dem Membrankanal 7 zugeführt, während die Abluft aus dem Membrankanal 5 über den Abluftraum 10a und den Entlüftungskanal 4 ent­ weichen kann. Da der Zentralkanal 16 in dieser Lage blockiert ist und der Druckraum 9a keine Verbindung zum Kanal 17 besitzt, ist die abgebildete Endlage des Haupt­ steuerkolbens 2 bei der gegebenen Position des Membran­ kolbens 3 stabil.

Fig. 4 und 5 zeigen den Hauptsteuerkolben kurz vor und nach der Verschiebung von der rechten Endlage in die linke Endlage entsprechend dem oben dargestellten Ablauf. Über die Maße der Taillierungen des Membrankol­ bens 3 läßt sich der Umsteuerzeitpunkt genau einstellen.

Da die beschriebene Ausführungsform der erfindungsgemä­ ßen Umsteuerung vorzugsweise mit heißen Reinstmedien eingesetzt wird, ist der Membrankolben 3, um den Wärme­ transport zu unterbrechen, mehrstückig ausgebildet, wobei der die Pilotfunktion ausübende Kolbenteil 3a über einen Bolzen 19 mit dem membranseitigen Kolbenteil 3b verbunden ist.

Die Umsteuerung ist so in der Pumpe angeordnet, daß ein Zugriff von der Außenseite der Pumpe ohne weiteres mög­ lich ist, indem lediglich der Schraubendeckel 20 aus dem Pumpengehäuse herausgedreht wird.

Sowohl die Umsteuerung als auch alle anderen Bauteile der Pumpe bestehen aus verschiedenen Kunststoffen und sind so völlig metallfrei, wie dies bei der Förderung von Reinstmedien erforderlich ist.

Die einzelnen Bauteile unterliegen daher aber vielfach einer höheren Wärmeausdehnung. Durch die Verwendung von Kolbenringen 21 mit darunterliegenden O-Ringen 22 ist die erforderliche Dichtigkeit gewährleistet. Beide Ringe bestehen wiederum aus Kunststoff.

Besondere Bedeutung kommt bei einer metallfreien Pumpe der Auswahl geeigneter Kunststoffpaarungen zu. Folgende Materialpaarungen sind hinsichtlich ihrer Gleit- und Verschleißeigenschaften bei einer Verpressung der O- Ringe unter den Kolbenringen von 5 bis 12% vorzugsweise 7 bis 10% geeignet:
Kolbenring:
Ultrahochmolekulares Niederdruck- Polyethylen (PE UHMW (1000))
Gegenlaufpartner:
Polyethylenterephthalat (PETP),
Polybutylenterephthalat (PBTP)
oder
Kolbenring:
Polytetrafluorethylen mit 15% Polyphenylensulfid (PTFE + 15 PPS)
Gegenlaufpartner:
Polyetylenterephthalat (PETP),
Polybutylenterephthalat (PBTP),
Polyaryletheretheketon (PEEK),
Polyaryletherketon (PEK).

Der Verpressung der O-Ringe kommt eine besondere Bedeu­ tung hinsichtlich einer möglichst geringen Reibung bei gleichzeitiger Dichtigkeit zu. Bekannt ist es, O-Ringe mit einer Verpressung von 25% einzusetzen. Erfindungsge­ mäß weisen die O-Ringe der Kunststoffpumpe eine Ver­ pressung von 5-12%, vorzugsweise 7-10% auf, die eine optimale Kombination von Dichtigkeit und geringer Rei­ bung unter den gegebenen Umständen liefern.

Die Verwendung von Fluorthermoplasten bietet den Vor­ teil, daß eine Resistenz gegen die überwiegende Zahl aggressiver Fördermedien gegeben ist.

Claims (7)

1. Pneumatisches Umsteuersystem für eine druckgetriebe­ ne Membranpumpe, welches die Membrane wechselseitig über einen im wesentlichen zwischen zwei Positionen hin- und herschwingenden und über ein Pilotsystem gesteuerten Hauptsystemkolben mit Druckluft beauf­ schlagt, dadurch gekennzeichnet, daß Hauptsystemkol­ ben (2) und Pilotsystemkolben (3) unmittelbar anein­ anderliegend angeordnet sind.

2. Pneumatisches Umsteuersystem für eine druckgetriebe­ ne Membranpumpe, welches die Membrane wechselseitig über einen im wesentlichen zwischen zwei Positionen hin- und herschwingenden und über ein Pilotsystem gesteuerten Hauptsystemkolben mit Druckluft beauf­ schlagt, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsteuer­ funktion des Pilotsystems durch ein mit der Membran­ bewegung weitgehend zwangsgekoppeltes Bauteil (3) ausgeübt wird, das Kanäle (11, 12, 13) aufweist, die bei einer Längsverschiebung des Bauteils (3) eine Umleitung der Druckluft mit anschließender Verschie­ bung des Hauptsystemkolbens (2) bewirken.

3. Umsteuersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pilotfunktion von dem Mem­ brankolben (3) ausgeübt wird.

4. Umsteuersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Membrankolben Taillierungen (11, 12, 13) aufweist, die je nach Stellung des Membrankolbens als Kanal zur Steuerung des Hauptsystemkolbens (2) und/oder zum Ableiten der Abluft dienen.

5. Umsteuersystem nach einem oder mehreren der Ansprü­ che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer­ luft zum Umsteuern des Hauptsystemkolbens (2) dem Pilotsystem (3) über einen Kanal (14) im Hauptsy­ stemkolben zugeführt wird.

6. Pneumatische Pumpe mit einem Umsteuersystem, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Materialpaarungen als Gegenlaufpartner verwendet werden:
Kolbenring:
Ultrahochmolekulares Niederdruck-Polyethylen (PE UHMW (1000))
Gegenlaufpartner:
Polyethylenterephthalat (PETP),
Polybutylenterephthalat (PBTP)
oder
Kolbenring:
Polytetrafluorethylen mit 15% Polyphenylensulfid (PTFE + 15 PPS)
Gegenlaufpartner:
Polyetylenterephthalat (PETP),
Polybutylenterephthalat (PBTP),
Polyaryletheretheketon (PEEK),
Polyaryletherketon (PEK).

7. Pumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die O-Ringe (22) der Kolbenringe (21) eine Verpres­ sung von 5-12% aufweisen.