DE19738779C2 - Umsteuersystem für eine druckgetriebene Membranpumpe - Google Patents
Umsteuersystem für eine druckgetriebene MembranpumpeInfo
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Description
Die Erfindung, betrifft ein Umsteuersystem für eine
druckgetriebene Membranpumpe.
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 Aufwand in Kauf, um die Gefahr eines
Pumpenstillstands aufgrund einer Neutralstellung der Steuersysteme zu
vermeiden. Dennoch ist auch bei diesem System ein Pumpenstillstand unter
bestimmten Bedingungen nicht ausgeschlossen.
So kann beispielsweise bei plötzlichem Druckabfall der Antriebsluft der
Hauptkolben in seiner Mittenstellung zum Stehen kommen und die Druck
luftversorgung 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 End
stellung zurückschwingen und ebenfalls eine Neutralstellung einnehmen. In
diesem Zustand ist die Pumpe dann vollständig blockiert, da die Neutral
stellung des Hauptkolbens eine Pumpenbewegung verhindert, während die
Neutralstellung des Pilotkolbens eine Bewegung des Hauptkolbens aus sei
ner Neutralstellung verhindert. Die Tendenz des Pilotkolbens, eine Neu
tralstellung einzunehmen und in dieser Stellung zu verharren, 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.
Aus der US-Patentschrift 3 652 187 ist ein Umsteuersystem für eine Druck
luftmembranpumpe bekannt, das auf einer Zwangskupplung des axial
beweglichen Membrankolbens an dem Hauptkolben beruht. Der Membran
kolben ist endseitig über eine Verbindungsstange mit jeweils einem Mem
bransystem mechanisch verbunden. Ein Verschieben des Membrankolbens
verändert die Führung der in das System eingebrachten Druckluft, die
Druckräume zur Umsteuerung sind aber nicht durchgehend mit Druckluft
beaufschlagt, wodurch insbesondere bei langen Schaltwegen die Gefahr
einer Neutralstellung gegeben ist.
Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, eine Umsteuerung für
pneumatisch getriebene Druckluftmembranpumpen zu schaffen, die einen
zum Stillstand der Pumpe führenden Gleichgewichtszustand des Hauptkol
bens in der Neutralposition vermeidet.
Das Problem wird gelöst durch ein Umsteuersystem gemäß Anspruch 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Lösung des Problems liegt der Gedanke zugrunde, die Umsteuerung
konstruktiv so zu gestalten, daß eine Gleichgewichtslage des Hauptkolbens
oder des Pilotkolbens in der Neutralstellung ausgeschlossen ist, indem der
jeweilige Druckraum zur Verschiebung des Hauptsystemkolbens nach der
Umsteuerung im wesentlichen durchgehend bis zur nächsten Umsteuerung
mit Druckluft beaufschlagt wird.
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:
Ultrahochmolekulares Niederdruck-Polyethylen
(PE UHMW (
1000
))
Polyethylenterephthalat (PETP),
Polybutylenterephthalat (PBTP)
oder
Polybutylenterephthalat (PBTP)
oder
Polytetrafluorethylen mit 15% Polyphenylensulfid
(PTFE + 15 PPS)
Polyetylenterephthalat (PETP),
Polybutylenterephthalat (PBTP),
Polyaryletheretheketon (PEEK),
Polyaryletherketon (PEK).
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
aggresiver Fördermedien gegeben ist.
Claims (7)
1. Umsteuersystem für eine druckgetriebene Membranpumpe, welches die
Membrane wechselseitig über einen im wesentlichen zwischen zwei
Positionen hin- und herschwingenden und über ein Pilotsystem gesteu
erten Hauptsystemkolben mit Druckluft beaufschlagt, wobei der Haupt
systemkolben (2) und der Pilotsystemkolben (3) unmittelbar aneinan
derliegend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Stel
lung des Hauptsteuerkolbens (2) durch die Druckluftführung über
Kanäle (11, 12, 13) des Pilotsystemkolbens gesteuert wird, wobei diese
Kanäle den jeweiligen Druckraum (9a, 9b) zur Verschiebung des Haupt
systemkolbens nach der Umsteuerung durchgehend bis zur nächsten
Umsteuerung mit Druckluft beaufschlagen.
2. Umsteuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kanäle (11, 12, 13) je nach Stellung des Pilotsystemkolbens zum Ab
leiten der Druckluft dienen.
3. Umsteuersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerluft zum Umsteuern des Hauptsystemkolbens (2) dem
Pilotsystem (3) über einen Kanal (14) im Hauptsystemkolben zugeführt
wird.
4. Umsteuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Pilotfunktion von dem Membrankolben (3) ausgeübt
wird.
5. Umsteuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß Kanäle (11, 12, 13) als Taillierungen ausgebildet
sind.
6. Pneumatische Pumpe mit einem Umsteuersystem nach einem der
Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Material
paarungen 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).
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 Verpressung von 5-12% aufweisen.
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ID=7841246
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