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Dokumentenidentifikation DE19548949C2 07.09.2000
Titel Kolbenmembranpumpe
Anmelder ABEL GmbH & Co Handels- und Verwaltungsgesellschaft, 21514 Büchen, DE
Erfinder Wehrhahn, Rodolfo, Dipl.-Ing., 22415 Hamburg, DE;
Bramer, Peter, Dipl.-Ing., 06128 Halle, DE;
Pape, Hans-Henning, Dipl.-Ing., 06132 Halle, DE
Vertreter Patentanwälte Hauck, Graalfs, Wehnert, Döring, Siemons, 20354 Hamburg
DE-Anmeldedatum 28.12.1995
DE-Aktenzeichen 19548949
Offenlegungstag 03.07.1997
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 07.09.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.09.2000
IPC-Hauptklasse F04B 43/067
IPC-Nebenklasse G01B 21/00   G01B 7/00   G01D 5/12   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenmembranpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Kolbenmembranpumpen dienen der Förderung mechanisch oder chemisch aggressiven fließfähigen Fördergutes. Die Verdrängerwirkung eines Kolbens wird mit Hilfe einer Hydraulikflüssigkeit (z. B. Wasser, Öl, Wasser-Ölsuspensionen) auf eine bewegliche, in das Gehäuse eingespannte Membran (z. B. kreisscheiben- bzw. kugelförmig, zylindrisch) übertragen, deren Werkstoff (z. B. Kunststoff oder Gummi) dem Fördergut angepaßt werden kann. Die Verdrängung der Membran bewirkt im Zusammenspiel mit einem Saugventil und einem Druckventil die Förderung des Fördergutes. Dabei schützt die Membran das hydraulische Antriebssystem vor dem Fördergut.

Entscheidend für die Zuverlässigkeit von Kolbenmembranpumpen ist die Lebensdauer der Membran. Diese kann insbesondere durch Änderungen der Hydraulikflüssigkeitsmenge beeinträchtigt werden, die sich in Primärkammer und Kolbenarbeitsraum befindet. Diese Mengenänderungen können auf Undichtigkeiten des Kolbenantriebes und von Ventilen zum Zuführen und Ablassen von Hydraulikflüssigkeit beruhen. Flüssigkeitsverlust kann zu einer besonderen Beanspruchung der Membran durch heftiges Schlagen gegen Begrenzungen im Gehäuse und überdies zu Dampfbildung in der Hydraulikflüssigkeit führen. Flüssigkeitsüberfüllung kann die Membran ebenfalls durch Überdehnung, Auftreffen gegen Begrenzungen und Eindringen in die Ventilsysteme beschädigen. Dies ist von starker Geräuschentwicklung begleitet. Außerdem nimmt der Wirkungsgrad bei Unter- oder Überfüllung ab.

Der Hydraulikflüssigkeitsverlust muß daher ersetzt und die Flüssigkeitsüberfüllung abgebaut werden. Dies geschieht häufig mit sogenannten "Membranlagensteuerungen", die zum Ausgleich Hydraulikflüssigkeit zwischen Hydrauliksystem und Vorratsbehälter transportieren.

Bekannte Kolbenmembranpumpen haben zum Ausgleich von Hydraulikflüssigkeitsverlust eine Mechanik, die ein Ventil für Flüssigkeitszufuhr steuert. Die Mechanik erfaßt die hintere Extremlage der Membran beim Übergang vom Saughub zum Druckhub über einen von dieser beaufschlagten Teller. Befindet sich die Extremlage zu weit hinten, wird Flüssigkeit aus einem Vorlagenbehälter nachgeführt. Einer zu weit vorn angeordneten vorderen Extremlage wird entgegengewirkt, indem über eine Verlustbohrung Hydraulikflüssigkeit in den Vorlagenbehälter abgeführt wird. Der ständige Flüssigkeitsverlust wird durch die Mechanik ausgeglichen. Bei dieser Membranlagensteuerung ist der hohe Verschleiß und die Störanfälligkeit der Mechanik nachteilig. Außerdem ist die Mechanik träge und bewirkt einen unruhigen Pumpenlauf. Überdies ist der ständige Flüssigkeitsabzug mit Energieverlust verbunden, der den Wirkungsgrad der Pumpe beträchtlich reduziert.

Bei anderen bekannten Kolbenmembranpumpen wird Flüssigkeit nachgeführt, wenn beim Auftreffen der Membran auf eine Stützplatte oder ein Stützrohr in der Sekundärkammer ein Unterdruck entsteht. Eine Ventileinrichtung stellt dies fest und führt gegebenenfalls Flüssigkeit nach. Einer Überfüllung mit Hydraulikflüssigkeit wird ebenfalls durch eine Verlustbohrung mit den oben beschriebenen Nachteilen entgegengewirkt. Bei diesen Pumpen ist zwar der Verschleiß geringer. Sie haben jedoch keine Saugfähigkeit, weil die Ventileinrichtung auf Unterdruck reagiert. Der Einsatz ist deshalb nur im Falle eines positiven Pumpenzulauf möglich, d. h. wenn das zu pumpende Medium sich oberhalb des Pumpenzulaufs befindet.

Die DE-A1-43 36 823 offenbart eine Vorrichtung zur elektrischen Membranlagenkontrolle einer Membranpumpe. Diese ermittelt die Lage der Membran durch einen elektromechanischen Geber oder elektronischen Sender über einen Empfänger und eine damit verbundene elektronische Auswerteeinrichtung. Sie kontrolliert die Lage der Membran über den geregelten Zulauf der Hydraulikflüssigkeit. Bei dieser Vorrichtung ist ein Ventil zum Ablassen überschüssiger Flüssigkeit vorgesehen. Mit einer mechanischen Membranlagensteuerung verbundene Nachteile werden somit zwar vermieden. Jedoch ist auch bei dieser Vorrichtung die vordere Extremlage der Membran nicht genau gesteuert und ist der Wirkungsgrad aufgrund der Energieverluste verbesserungsbedürftig.

Aus der EP 0 279 931 ist eine weitere Membranpumpvorrichtung mit einer ersten Kammer für die zu pumpende Flüssigkeit und einer zweiten Kammer für die Antriebsflüssigkeit, die von der ersten Kammer durch eine bewegliche Membran getrennt ist, sowie mit einem die Antriebsflüssigkeit abwechselnd unter Druck setzenden Antriebskolben bekannt. Ferner ist eine Vorratskammer für die Antriebsflüssigkeit vorhanden, die an die zweite Kammer über eine Rücklaufleitung mit Druckbegrenzungsventil zum Ablassen von Antriebsflüssigkeit bei Pumpflüssigkeitsdrosselung in die Vorratskammer und über eine Nachfülleitung mit Nachfüllventil zur Ergänzung von Antriebsflüssigkeit angeschlossen ist. Zur Messung der Auswölbung der Membran in deren verstellbarem Bereich ist in diese ein Signalgeber und in dem die Membran aufnehmenden Gehäuse ein zugeordneter Signalaufnehmer eingesetzt, dessen Signale außerhalb der Membranpumpvorrichtung auswertbar und überwachbar sind. Die Nachfülleitung ist als Saugleitung ausgeführt, durch die vom Antriebskolben bei dessen Rückhub Antriebsflüssigkeit aus der Vorratskammer in die zweite Kammer gesaugt wird. Auch diese Vorrichtung arbeitet aufgrund des fortgesetzten Ansaugens und Ablassens von Antriebsflüssigkeit verlustträchtig.

Aus der DE-A1-42 30 662 ist ein Steuersystem für Kolbenmembranpumpen bekannt, bei dem die Membran zwischen zwei extremen mittels Indikatoren detektierbaren Positionen beweglich ist. Die Indikatoren sind an eine Steuerung zum Verschaffen von Positions- und Indikationssignalen angeschlossen, welche eine Befüllungs- und Entlastungsvorrichtung zum Zu- bzw. Abführen von hydraulischem Hilfsmedium steuert. Die Membran weist eine Regelstange auf, deren Extrempositionen von Indikatoren ermittelt werden. Diese Vorrichtung erlaubt zwar eine verhältnismäßig genaue Steuerung der hinteren und vorderen Extremlagen der Membran. Nachteilig ist jedoch die aufwendige Membrankonstruktion und der Aufwand für die Anordnung zweier Sensoren an den beiden Extremlagen.

Die EP 0 328 143 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung des Hydraulikkreises einer Kolbenmembranpumpe, bei der der Membran auf der dem Hydraulikmedium zugekehrten Seite ein Wegaufnehmer zugeordnet ist, der den Hubweg der Membran mißt und ein dem Hubweg entsprechendes Hubwegsignal erzeugt, das auf eine Steuereinheit gegeben wird, welche die Menge des Hydraulikmediums pro Zeiteinheit ändert und/oder ein Alarmsignal erzeugt. Diese Vorrichtung ist ebenfalls sehr genau, in der Ausführung jedoch relativ aufwendig.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenmembranpumpe mit einer zuverlässigen, einfachen, energetisch günstigen und genauen Membranlagensteuerung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Kolbenmembranpumpe mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Kolbenmembranpumpe sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, daß die Ermittlung der von der Membran beim Übergang vom Saughub zum Druckhub oder umgekehrt erreichte Einstellage ausreicht, den Füllzustand des Hydrauliksystems mit Hydraulikflüssigkeit festzustellen. Dafür kann sowohl die hintere als auch die vordere Extremlage der Membran herangezogen werden. Wenn z. B. die Membran die voreingestellte Lage am unteren Totpunkt immer erreicht, so wird sie sich in einer hinteren Extremlage (Membran ist in Richtung Hydraulikraum stärker gewölbt) befinden, es ist zu wenig Hydraulikflüssigkeit im System, und es muß Hydraulikflüssigkeit nachgeholt werden. Wird dagegen die voreingestellte Membrananlage am hinteren Totpunkt nicht erreicht, so ist die Membran nicht so stark in Richtung Hydraulikraum gewölbt, oder sie kann sich in einer vorderen Extremlage befinden, es ist zuviel Hydraulikflüssigkeit im System, und es muß Hydraulikflüssigkeit abgelassen werden. Durch die Häufigkeit des Erreichens bzw. Nichterreichens einer vorgegebenen Membranlage kann der Füllzustand im Hydrauliksystem, bezogen auf das Flüssigkeitsvolumen in der Membraneinstellage, signalisiert werden.

Zusätzlich wird das Erreichen des hinteren oder vorderen Totpunktes des Kolbenantriebes oder eines anderen vorgegebenen Punktes der Kolbenbewegung zur Signalgewinnung für das Zulassen und Ablassen von Hydraulikflüssigkeit sowie als Bezug zur Steuerung der zeitlichen Abläufe verwendet. Diese zusätzliche Information kann als die für die Steuerung vereinfachende Bezugsgröße verwendet werden.

Insbesondere ermöglicht sie die Bestimmung der Häufigkeit des Erreichens bzw. Nichterreichens einer vorgegebenen Membraneinstellage.

Bei einer besonders einfachen Ausführung kann das Zuführen oder Ablassen von Hydraulikflüssigkeit aufgrund der ermittelten Totpunktlage und eines Vergleichens der erreichten bzw. nicht erreichten Membraneinstellage oder Extremlage gesteuert werden. Die Extremlagen bzw. das Erreichen oder Nichterreichen einer vorgegebenen Einstellage kann jeweils mittels eines einzigen, einfachen Sensors ermittelt werden. Für die Bestimmung der Totpunktlage des Kolbenantriebes ist ein weiterer Sensor erforderlich, welcher bevorzugt den hinteren Totpunkt erfassen kann und damit der hinteren Extremlage der Membran zugeordnet ist, wodurch eine Sensoranordnung auf der Primärseite begünstigt wird. Die Meßgrößen von Sensor bzw. weiterem Sensor werden von einer Steuerung ausgewertet, die vorzugsweise elektronisch arbeitet, und sowohl das Zuführen als auch das Ablassen von Hydraulikflüssigkeit steuert.

Die Erfindung ermöglicht eine besonders verschleißunanfällige und robuste Ausführung der Sensoren und der Steuerung und ist damit sehr zuverlässig. Meßtechnik und Steuerung begünstigen einen sehr einfachen und kostengünstigen Aufbau. Gegenüber bekannten mechanischen oder elektronischen Lösungen kann der Energieverbrauch verringert sein. Dennoch wird durch die Feststellung des Füllzustandes eine genaue Membranlagensteuerung erreicht. Die Kolbenmembranpumpe kann verschieden ausgeführt sein, z. B. mit Scheiben-, Form- oder Zylindermembran, einfach oder doppelt wirkend, in Ein- oder Mehrzylinderausführung.

Bei einer besonders einfachen Ausführung hat die Steuerung einen Zähler für die Differenz der Meßsignale des weiteren Sensors und des Sensors und einen weiteren Zähler für die Meßsignale des weiteren Sensors. Sie steuert das Zuführen oder Ablassen von Hydraulikflüssigkeit aufgrund des Erreichens eines Grenzwertes des Zählers und eines weiteren Grenzwertes des weiteren Zählers. Nach dem Erreichen des Grenzwertes bzw. des weiteren Grenzwertes wird der Zähler bzw. der weitere Zähler auf einen Anfangswert der Zählung zurückgestellt. Zudem kann die Steuerung das Zuführen und Ablassen von Hydraulikflüssigkeit durch Wahl der Öffnungszeitpunkte und Öffnungsdauern der Ventileinrichtung den betrieblichen Erfordernissen anpassen und minimieren. Dafür kann die Steuerung ein dem Zähler nachgeordnetes Zeitglied und ein dem weiteren Zähler nachgeordnetes weiteres Zeitglied haben. Bei den Zählern und den Zeitgliedern kann es sich jeweils um handelsübliche elektronische Bauteile handeln.

Ein weiterer Vorteil der Überwachung der Totpunktlagen der Kolbenbewegung besteht darin, daß diese bei variablen Hubzahlen eine Anpassung der für Nennhubzahl festgelegten Zeitabläufe, insbesondere Öffnungszeitpunkte und Öffnungsdauern der Ventileinrichtung, an die tatsächliche Hubzahl ermöglicht. Dies kann z. B. eine handelsübliche speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) mit einfachen arithmetischen Rechenoperationen vornehmen. Die Überwachung der Totpunktlagen ermöglicht ferner eine Anpassung der Steuerabläufe für eine Schlupfkorrektur bei Belastungsänderungen der Pumpe. Die Öffnungszeitpunkte und Öffnungsdauern sind über die Zeitglieder von der Steuerung an die jeweilige Hubzahl anpaßbar. Die Zeitunterschiede vorangegangener Totpunktlagen können für die Berechnung der Zeitabläufe eines folgenden Bewertungszeitraumes herangezogen werden.

Zwecks Minderung von Schaltvorgängen und Energieverlusten kann die Steuerung die Ventileinrichtung so steuern, daß nur soviel Hydraulikflüssigkeit, wie zur Leckageergänzung notwendig wird, zugeführt wird. Dabei kann die Steuerung die Ventileinrichtung so steuern, daß eine minimale Anzahl von Schaltvorgängen erfolgt. Die Steuerung kann unter der festen Bedingung arbeiten, daß bei Ermittlung der vorgegebenen Einstellage bzw. der hinteren Extremlage keine Hydraulikflüssigkeit abgegeben werden kann.

Bevorzugt ermittelt der Sensor bzw. der weitere Sensor die jeweilige Meßgröße berührungslos. Dabei kann der Sensor die Annäherung eines Gebers der Membran bzw. des Kolbenantriebes ermitteln. Dann kann der Sensor ein Magnetsensor und der weitere Sensor ein induktiver Näherungssensor sein. Ein handelsüblicher Magnetsensor kann in einem druckfesten Tauchrohr vor extremen Belastungen geschützt in die Primärkammer eingebracht sein. Zur Einstellung der Ansprechschwelle kann der Sensor bezüglich der Membranoberfläche verschiebbar und fixierbar sein. Dabei kann der Geber ein zentral in die Membran eingelassener und deren Funktion praktisch nicht beeinträchtigender Magnet sein.

Bei dem Sensor kann es sich ferner um einen im Gehäuse abgefederten Stößel und einen diesem zugeordneten Näherungsinitiator handeln. Der Stößel wird im Bereich der hinteren Extremlage von der Membran beaufschlagt und entgegen der Federwirkung dem Näherungsinitiator angenähert.

Als Aktoren für das Zuführen und Ablassen von Hydraulikflüssigkeit aus einem oder in einen Vorratsbehälter werden bevorzugt Magnetventile mit niedrigen Schaltzeiten verwendet.

Bei Anwendung der Kolbenmembranpumpe in der Filterpressenbeschickung ist eine Mengenanpassung an den Bedarf der Filterpressen erwünscht. Mit dem Kuchenaufbau in der Filterpresse ist ein Druckanstieg verbunden, dem durch eine verringerte Fördermenge entsprochen werden soll. Für eine allmähliche Reduzierung des Fördervolumens kann die Steuerung aufgrund eines Steuerimpulses eines Druckgrenzwertschalters das zusätzliche Ablassen von Hydraulikflüssigkeit mittels der Ventileinrichtung steuern. So kann die Steuerung dafür sorgen, daß jeweils nach Erreichen eines vorgegebenen Druckgrenzwertes bei jedem Druckhub ein zusätzlicher Steuerimpuls an die Ventileinrichtung für das Ablassen der Hydraulikflüssigkeit gegeben wird. Die damit beabsichtigte Unterfüllung des Hydrauliksystems bewirkt, daß die Membran ihre hintere Endlage vor dem hinteren Totpunkt im Kolbenantrieb erreicht hat. Während der Kolbenbewegung bis zum hinteren Totpunkt entsteht ein Unterdruck im Hydrauliksystem, welcher zu einer Dampfbildung führt. Diese Dampfbildung wird beim anschließenden Druckhub zunächst kompensiert, bevor wieder eine Bewegung der Membran infolge der Flüssigkeitsverdrängung durch den Kolben einsetzen kann. Durch die Steuerung wird der wirksame Kolbenhub solange begrenzt, bis der Förderdruck der Pumpe wieder unter dem eingestellten Grenzwert des Drucksensors im Hydrauliksystem liegt. In diesem Fall füllt sich das Hydrauliksystem wieder selbsttätig auf, da der weitere Sensor ständig das Signal für die Unterfüllung des Hydrauliksystems liefert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, die in den anliegenden Zeichnungen dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine einfach wirkende Kolbenmembranpumpe mit Zylindermembran und Sensor mit Übertragungsstößel bei geschnittenem Pumpengehäuse;

Fig. 2 ein Pumpengehäuse mit Zylindermembran und berührungslosem Magnetsensor im Schnitt;

Fig. 3 Pumpengehäuse einer doppelt wirkenden Kolbenmembranpumpe mit Formmembran und berührungslosem Magnetsensor im Teilschnitt;

Fig. 4 dieselbe Kolbenmembranpumpe in schematischem Schaltbild.

Die Kolbenmembranpumpe gemäß Fig. 1 hat ein im wesentlichen kugelförmiges Gehäuse 1, das einen unteren Anschlußflansch mit einer Einlaßöffnung 2 und einen oberen Anschlußflansch mit einer Auslaßöffnung 3 aufweist.

Ferner hat das Gehäuse 1 eine Einsetzöffnung 4, die quer zur Einlaßöffnung 2 und Auslaßöffnung 3 ausgerichtet ist. Auf der der Einsetzöffnung 4 gegenüberliegenden Seite ist das Gehäuse 1 mit einer Anschlußöffnung 5 für Hydraulikflüssigkeit versehen.

In das Gehäuse 1 ist eine Zylindermembran 6 eingesetzt. Diese weist an ihrem von der Einsetzöffnung 4 entfernten Ende einen innen vorstehenden, umlaufenden Innenkragen 7 auf, der im Gehäuse 1 abgestützt ist. An dem der Einsetzöffnung 4 zugewandten Ende weist die Zylindermembran 6 einen nach außen vorspringenden, umlaufenden Außenkragen 8 auf, der ebenfalls im Gehäuse 1 abgestützt ist.

In der Zylindermembran 6 ist ein Stützkörper 9 plaziert, der im wesentlichen zylindrisch ist, jedoch vier gleichmäßig über seinen Umfang verteilte Eindellungen 10 aufweist. Ferner ist er mit einer Vielzahl Durchbrechungen 11 für einen Druckausgleich versehen, die zwischen und in den Eindellungen 10 angeordnet sind.

Zylindermembran 6 und Stützkörper 9 werden mittels eines gegen das Gehäuse 1 geschraubten und in die Einsetzöffnung 4 eingreifenden Deckels 12 in ihren Positionen gehalten.

Zwischen der Außenseite der Zylindermembran 6 und der kugeligen Innenseite des Gehäuses 1 ist eine Sekundärkammer 13 für das zu fördernde Medium ausgebildet. Die Einlaßöffnung 2 ist über ein Rückschlagventil 14 an eine Saugleitung 15 und die Auslaßöffnung 3 ist über ein Rückschlagventil 16 an eine Druckleitung 17 angeschlossen.

An der Innenseite der Zylindermembran 6 ist eine Primärkammer 18 ausgebildet. Die Primärkammer 18 ist über die Anschlußöffnung 5 mit einem Zylinder 19 verbunden, in dem ein Kolben 20 axial verschieblich angeordnet ist. Der Kolben 20 wird z. B. über ein Kurbelgetriebe 21 von einem elektrischen Antriebsmotor 22 angetrieben.

In einer Eindellung 10 hat der Stützkörper 9 eine Bohrung 23, in die ein Geber 24 eingesetzt ist. Der Geber 24 weist ein Halteteil 25 aus elastischem Kunststoff auf. Das Halteteil 25 hat am Umfang eine umlaufende Nut 26, an der es in der Bohrung 23 gehalten ist. Mit einem vorderen Abschnitt 27 steht es auf der Seite der Zylindermembran 6 über die Eindellung 10 hervor. Ein metallischer Stößel 28ist im Bereich des vorderen Abschnittes 27 an einer Nut 29 im Halteteil 25 verankert. Der Stößel 28 ragt mit einem tellerartigen vorderen Endabschnitt 30 über den Vorderabschnitt 27 hinaus. Sein gegenüberliegender hinterer Endabschnitt 31 ragt auf der anderen Seite aus dem Halteteil 26 hinaus und ist dort einem gehäusefesten Sensor 32 zugeordnet.

Der Sensor 32 ist über eine Verbindungsleitung mit einer elektronischen Steuerung 33 - nicht dargestellt - verbunden.

Im Betrieb bewirkt die Zylinder 19, die Primärkammer 18 sowie deren Verbindungsleitung füllende Hydraulikflüssigkeit bei oszillierendem Kolben 20 eine Verformung der Zylindermembran 6. Aus der gezeigten Ausgangslage wird sie nach außen aufgeweitet und zieht sich danach bis zur Anlage an den Zylinder 9 und in die Eindellungen 10 zusammen. Dabei wird das fließfähige Fördergut durch die Förderleitungen 15, 17 transportiert.

Beim Zusammenziehen kann die Zylindermembran 6 die strichpunktiert dargestellte, vorgegebene Lage im Bereich des Gebers 24 erreichen. Diese Membranlage ist die für die Funktion der Steuerung erforderliche Einstellage. Die hintere Extremlage der Zylindermembran 6 ist durch ihre Auflage auf den Stützkörper 9 vorgegeben. Bei Berührung des Stößels 31 verschiebt sie diesen zum Sensor 32 und dieser meldet das Erreichen der vorgegebenen Einstellage an die Steuerung.

Die Fig. 2 zeigt das Gehäuse 1 einer anderen Kolbenmembranpumpe, die mit den obigen Bezugsziffern bezeichnet ist, soweit deren Merkmale mit der oben beschriebenen Kolbenmembranpumpe übereinstimmen. Anstatt eines Stützkörpers 9 hat sie jedoch einen Deckel 12, der innen eine Stange 33 trägt, die ihrerseits einen topfförmigen Stützkörper 34 trägt, welcher die Zylindermembran 6 neben dem Innenkragen 7 an der Innenseite abstützt. Der topfartige Stützkörper 34 hat in seinem Boden Durchflußöffnungen 35, durch die Hydraulikflüssigkeit aus der Anschlußöffnung 5 in die Primärkammer 18 gelangen kann. Ferner hat der Deckel 12 einen hohlzylindrischen Ansatz 36, der die Zylindermembran 6 im Bereich des Außenkragens 8 innen abstützt.

Außerdem unterscheidet sie sich durch den Einsatz eines Magnetsensors 37, der in einem Tauchrohr 48 geschützt in der Primärkammer 18 untergebracht ist. Das Tauchrohr 38 ist axial zur Zylindermembran 6 ausgerichtet und an einem Gewinde 39 im Deckel 12 verschraubt. Die Verschraubung ist von einer Kontermutter 40 gesichert. Diese Anordnung ermöglicht eine axiale Justage des Magnetsensors 37.

In die Mitte der Zylindermembran 6 ist ein Magnet 41 eingelassen. Beim Zusammenziehen der Membran 6 wird der Magnet 41 bis in die ausgelenkt eingezeichnete Lage an den Magnetsensor 37 herangeführt. Der Magnetsensor 37 zeigt berührungslos an, ob die Membran 6 dabei eine vorgegebene hintere Extremlage erreicht, die durch Justage des Magnetsensors 37 einstellbar ist.

Die Fig. 3 zeigt eine mögliche Ausführungsvariante einer Formmembran 43, welche in dem Gehäuse 42 einer Kolbenmembranpumpe eingespannt, die Sekundärkammer 44 von der Primärkammer 45 trennt, in der Formmembran 43 ein Magnet 55 eingebettet ist und ein Magnetsensor 53 in einem druckfesten Tauchrohr 54, der bei Annäherung der Membran 43 an die Steuerung ein Signal gibt.

Die Auswertung der Sensorsignale und die Ansteuerung der Ventileinrichtungen für das Zuführen und Ablassen von Hydraulikflüssigkeit kann durch eine Steuerung entsprechend Fig. 4 erfolgen. Die Fig. 4 zeigt das Schema einer weiteren Kolbenmembranpumpenausführung mit einer elektronischen Steuerung.

Die Pumpe hat ein Gehäuse 42, in dem scheibenförmige Membranen 43 angeordnet sind, welche Sekundärkammern 44 von Primärkammern 45 trennen. Die Sekundärkammern 44 haben Einlaßöffnungen 46 mit Rückschlagventilen 47 und Auslaßöffnungen 48 mit Rückschlagventilen 49.

Die Primärkammern 45 sind mit verschiedenen Seiten eines Zylinders 50 verbunden, in dem ein Kolben 51 angeordnet ist. Der Kolben 51 ist mittels einer abdichtend durch eine Wand des Gehäuses 42 geführten Kolbenstange 52 im Zylinder 50 axial verschieblich.

In beiden Primärräumen 45 ist ein Magnetsensor 53 angeordnet, der seinerseits in einem Tauchrohr 54 geschützt untergebracht ist. Die Magnetsensoren 53 sind zwecks Justierung des Schaltpunktes in den Tauchrohren 54 verschieblich.

In beide Membranen 43 ist zentral ein Magnet 55 eingelassen. Die Magnetsensoren 53 sind im Tauchrohr 54 so in ihrer Lage fixiert, daß bei einer vorbestimmten hinteren Extremlage der Membranen 43 der Schaltimpuls entsteht.

Die Kolbenstange 52 trägt ein Element 56, das mit einem induktiven Sensor 57 zusammenarbeitet. Der weitere Sensor 57 gibt einen Schaltimpuls, wenn der Kolbenantrieb seinen unteren Totpunkt erreicht.

Die Magnetsensoren 53 sind an elektronische Zähler 58 angeschlossen. Letztere sind jeweils mit einem Zeitglied 59 verbunden. Die Zeitglieder 59 sind mit Magnetventilen 60 für das Ablassen von Hydraulikflüssigkeit aus den Primärkammern 45 verbunden.

Der weitere Sensor 57 ist an weitere Zähler 61 angeschlossen, die wiederum mit weiteren Zeitgliedern 62 verbunden sind. Die weiteren Zeitglieder 62 sind mit Magnetventilen 63 zum Zuführen von Hydraulikflüssigkeit in die Primärkammern 45 verbunden. Die Magnetventile 60, 63 sind andererseits mit einem Vorratsbehälter 64 verbunden.

Die Zähler 58, 61 und Zeitglieder 59, 62 gehören zu einer speicherprogrammierbaren Steuerung 65. Diese ist außerdem an einen Grenzwertschalter 66 angeschlossen, der über einen Drucksensor 67 das Erreichen eines Grenzdruckes in den Primärkammern 45 überwacht.

Das Zuführen von Hydraulikflüssigkeit wird dadurch gesteuert, daß der weitere berührungsfrei arbeitende Sensor 57 ein Hubsignal im unteren Totpunkt des Kolbenantriebes erzeugt und an den Zähleingang der elektronischen Zähler 61 weitergibt. Durch die Wahl eines oberen Grenzwertes der Zählung kann festgelegt werden, daß nach jedem zweiten Hub oder nach einer beliebig vorgegebenen Hubzahl von den Zählern 61 ein Ausgangsimpuls für die Ansteuerung der Magnetventile 63 für das Ansaugen von Hydraulikflüssigkeit aus dem Vorratsbehälter 64 gegeben wird. Mit den zwischen elektronischen Zählern 61 und Magnetventilen 63 angeordneten Zeitgliedern 62 kann die Ansteuerung der Ventile 63 mit einer Zeitverzögerung und mit begrenzter Öffnungsdauer erfolgen. Durch die Zeitglieder 62 kann die Öffnungszeit der Magnetventile 63 sehr exakt in den Unterdruckbereich des Saughubes gelegt werden, wobei der zeitweilig existierende Unterdruck im Hydraulikraum 45 das Ansaugen von Hydraulikflüssigkeit aus dem Vorratsbehälter 64 ermöglicht. Die durch eine Druckbelastung der Membranen 43 über das Pumpengehäuse 42 eingestellte Endlage im unteren Totpunkt des Kolbenantriebes gewährleistet den für das Ansaugen von Hydraulikflüssigkeit erforderlichen Unterdruck in den Primärkammern 45.

In dieser vorgegebenen hinteren Extremlage der Membranen 43 liefern die Magnetsensoren 53, welche sich in einiger Entfernung hinter den Membranen 43 in den Primärkammern 45 befinden, das Signal, daß die Membranen 43 mit den an ihr angebrachten Magneten 55 die hintere Extremlage erreicht haben. Die Ausgangsimpulse des induktiven Sensors 57 und des Magnetsensors 53 werden auf den elektronischen Zählern 58 in der Weise verknüpft, daß die Differenz der Ausgangsimpulse der induktiven Sensoren 57 und der Magnetsensoren 53 gezählt werden und die Zählerausgangsimpulse die Magnetventile 60 über die zweiten Zeitglieder 59 ansteuern. Durch entsprechende Vorgaben der Hubzahlen und der Zähldifferenz zwischen Hubzahl und den Fehlimpulsen der Membran 43 infolge nicht erreichter hinterer Extremlage im gewählten Bewertungsintervall (das ist ein einstellbarer Hubzahlbereich) kann die Öffnungshäufigkeit der Ventile 60 variiert werden.

Eine Überfüllung des Hydrauliksystems bewirkt, daß die Membran 43 ihre eingestellte hintere Extremlage nicht mehr erreicht. Damit erhöht sich der Zähldifferenzbetrag des Zählers 58, was dazu führt, daß bei Erreichen des vorgegebenen Grenzwertes der Zähler 58 den Öffnungsimpuls für das Ventil 60 über das Zeitglied 59 liefert. Die Vorgabe von Impulsverzögerung und Öffnungsdauer ermöglicht, daß das Ventil 60 während des Druckhubes zeitweise geöffnet ist und somit Hydraulikflüssigkeit aus der Primärkammer 45 in den Vorratsbehälter 64 abgeführt wird. Sobald die Membran 43 die vorgegebene Endlage wieder erreicht hat, ergibt sich aus der Differenzzählung mit dem Wert Null kein Öffnungsimpuls für das Ventil 60. Das Ventil 60 ist an der höchsten Stelle der Primärkammer 45 angeordnet, so daß angesammelte Gase sicher abgeführt werden.

Die Funktion dieses Steuersystems basiert also auf Impulszählung und Differenzzählung von regelmäßig wiederkehrenden Hubsignalen und stochastisch ausbleibenden Impulsen für das Erkennen der Membranlage.

Geeignete elektronische Zähleinrichtungen und speicherprogrammierbare Steuerungen 65 mit der Möglichkeit, einfache arithmetische Rechenoperationen auszuführen, gestatten, die Impulsverzögerungen und Öffnungsdauer hubzahlabhängig unter Bezug auf die für die Nennhubzahl vorgegebenen Werte anzupassen.

Eine Reduzierung der Fördermenge bei gleichbleibendem Gegendruck (Filterpressenbetrieb) wird dadurch erreicht, daß der für den erforderlichen Druck eingestellte Grenzwertschalter 66 beim Messen eines Grenzwertes durch den Drucksensor 67 einen Steuerimpuls an die speicherprogrammierbare Steuerung 65 erteilt, wodurch ein über die momentane Hubzahl korrigierter, über ein Zeitglied begrenzter Öffnungsimpuls an das Ventil 60 gegeben wird. Dieser Öffnungsimpuls ist dem aus der nicht erreichten Membranendlage überlagert, so daß damit eine scheinbare Überfüllung des Hydrauliksystems signalisiert wird. Infolge des zusätzlichen Abzuges von Hydraulikflüssigkeit entsteht Flüssigkeitsmangel im Hydrauliksystem, wodurch die Membran 43 bereits in ihre vorgegebene Extremlage zurückgezogen wird, bevor der Kolbenantrieb den unteren Totpunkt erreicht hat. Die Förderleistung der Pumpe geht dabei stark zurück. Bei nicht erreichtem Druckgrenzwert arbeitet die Steuerung wieder normal, wie bereits beschrieben.


Anspruch[de]
  1. 1. Einfach- oder mehrfachwirkende Kolbenmembranpumpe mit in einem Gehäuse (1, 42) eingespannter Membran (6, 43), die eine Primärkammer (18, 45) von einer Sekundärkammer (13, 44) trennt,

    einem Kolben (20, 51) in einem Zylinder (19, 50), einem Kolbenantrieb (21, 22, 52) für eine Hin- und Herbewegung des Kolbens (20, 51) im Zylinder (19, 50) unter Veränderung eines Kolbenarbeitsraumes,

    wobei die Primärkammer (18, 45) und der Kolbenarbeitsraum verbunden sind und dieses Hydrauliksystem mit einer Hydraulikflüssigkeit zum Übertragen der Kolbenbewegung auf die Membran (6, 43) gefüllt ist,

    einem Saugventil (14, 47) zwischen Sekundärkammer (13, 44) und einer Saugleitung (15, 46)

    und einem Druckventil (16, 49) zwischen Sekundärkammer (13) und einer Druckleitung (17, 48),

    einem Sensor (32, 37, 53) zum Ermitteln von Membranlagen,

    einer mit dem Sensor (32, 37, 53) verbundenen Steuerung (65)

    und einer mit der Steuerung (65) verbundenen und an die Primärkammer (18, 45) angeschlossenen Ventileinrichtung (60, 63) zum Zuführen und Ablassen von Hydraulikflüssigkeit,

    dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (32, 37, 53) das Erreichen einer vorgegebenen Einstellage durch die Membran (6, 43) beim Übergang vom Saughub zum Druckhub oder umgekehrt ermittelt, daß ein weiterer Sensor (57) das Erreichen eines vorgegebenen Punktes der Kolbenbewegung ermittelt und die Steuerung (65) aufgrund der Zahl ermittelter Kolbenlagesignale und der Zahl ermittelter, von der Membran erreichten Einstellagen der Membran (6, 43) sowohl das Zuführen als auch das Ablassen von Hydraulikflüssigkeit mittels der Ventileinrichtung (60, 63) steuert.
  2. 2. Kolbenmembranpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (32, 37, 53) das Erreichen einer vorgegebenen hinteren Extremlage durch die Membran (6, 43) ermittelt.
  3. 3. Kolbenmembranpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Sensor (57) das Erreichen des hinteren oder des vorderen Totpunktes der Kolbenbewegung ermittelt.
  4. 4. Kolbenmembranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (65) aufgrund eines Vergleichs der Zahl der Kolbenlagesignale und der Zahl ermittelter, von der Membran erreichten Einstellagen das Ablassen und aufgrund der Zahl der Kolbenlagesignale das Zuführen von Hydraulikflüssigkeit steuert oder daß die Steuerung (65) aufgrund eines Vergleichs der Zahl der Kolbenlagesignale und der Zahl ermittelter, von der Membran erreichten Einstellagen das Zuführen und aufgrund der Zahl der Kolbenlagesignale das Ablassen von Hydraulikflüssigkeit steuert.
  5. 5. Kolbenmembranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (65) eine elektronische Steuerung ist.
  6. 6. Kolbenmembranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (65) die vom Sensor und/oder vom weiteren Sensor ermittelten Meßgrößen speichert und das Zuführen und Ablassen der Hilfsflüssigkeit aufgrund der gespeicherten Werte steuert.
  7. 7. Kolbenmembranpumpe nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (65) einen Zähler (58) für die Differenz der Meßsignale des weiteren Sensors (57) und des Sensors (53) und einen weiteren Zähler (61) für die Meßsignale des weiteren Sensors (57) hat, daß die Steuerung (65) das Zuführen oder Ablassen von Hydraulikflüssigkeit aufgrund des Erreichens eines Grenzwertes des Zählers (58) und eines weiteren Grenzwertes des weiteren Zählers (61) steuert und daß die Steuerung (65) den Zähler (58) nach Erreichen des Grenzwertes und den weiteren Zähler (61) nach Erreichen des weiteren Grenzwertes auf einen Anfangswert zurückstellt.
  8. 8. Kolbenmembranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (65) das Zuführen und Ablassen von Hydraulikflüssigkeit durch Wahl der Öffnungszeitpunkte und Öffnungsdauern der Ventileinrichtung (60, 63) den betrieblichen Erfordernissen anpaßt und minimiert.
  9. 9. Kolbenmembranpumpe nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (65) ein dem Zähler (58) nachgeordnetes Zeitglied (59) und ein dem weiteren Zähler (61) nachgeordnetes weiteres Zeitglied (62) für die Steuerung der Öffnungszeitpunkte und Öffnungsdauern der Ventileinrichtung (60, 63) aufweist.
  10. 10. Kolbenmembranpumpe nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähler (58, 61) und Zeitglieder (59, 62) jeweils elektronische Bauteile sind.
  11. 11. Kolbenmembranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (65) eine Anpassung der für eine Nennhubzahl festgelegten Zeitabläufe aufgrund der Anzahl ermittelter Kolbenlagesignale hubzahlabhängig vornimmt.
  12. 12. Kolbenmembranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (65) eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) oder eine dezentral arbeitende elektronische Steuerung ist.
  13. 13. Kolbenmembranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (65) die Anzahl ermittelter Kolbenlagesignale als Zeitbasis auch zur Anpassung der Steuerabläufe für eine Schlupfkorrektur bei Belastungsänderungen der Pumpe verwendet.
  14. 14. Kolbenmembranpumpe nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (65) für die Nennhubzahl der Pumpe vorgegebene Öffnungszeitpunkte und Öffnungsdauern hat und für eine Änderung der Pumpenhubzahl die zeitlichen Abläufe über die Zeitglieder (59, 62) anpaßt.
  15. 15. Kolbenmembranpumpe nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (65) aufgrund der Zeitunterschiede vorangegangener Kolbenlagemittlungen die Zeitabläufe für einen folgenden Wertungszeitraum neu berechnet.
  16. 16. Kolbenmembranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (65) das Zuführen von Hydraulikflüssigkeit mittels der Ventileinrichtung (60, 63) den jeweiligen Verhältnissen in der Pumpe anpaßt, wobei nur so viel Hydraulikflüssigkeit, wie zur Leckageergänzung notwendig wird, angesaugt wird.
  17. 17. Kolbenmembranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (65) die Ventileinrichtung (60, 63) so steuert, daß eine minimale Anzahl von Schaltvorgängen erfolgt.
  18. 18. Kolbenmembranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (65) bei Ermittlung der vorgegebenen Einstellage beim Übergang vom Saughub zum Druckhub oder hinteren Extremlage der Membran (6, 43) nicht das Ablassen von Hydraulikflüssigkeit mittels der Ventileinrichtung (60) steuert.
  19. 19. Kolbenmembranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (32, 37, 53) und/oder der weitere Sensor (59) die jeweilige Meßgröße berührungslos ermittelt.
  20. 20. Kolbenmembranpumpe nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (6, 43) ein Element (41, 55) und/oder der Stützzylinder (9) ein von der Membran (6, 43) verlagerbares Element (28) und/oder die Kolbenstange oder der Kurbeltrieb ein weiteres Element (56) aufweist und der Sensor (32, 37, 53) und/oder weitere Sensor (57) eine Annäherung des Elements (28, 41, 55, 56) ermittelt.
  21. 21. Kolbenmembranpumpe nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (28, 41, 55, 56) ein Magnet und/oder ein magnetisches Material und der Sensor ein Magnetsensor oder ein induktiver Näherungsinitiator ist.
  22. 22. Kolbenmembranpumpe nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (32, 37, 53) in einem druckfesten Tauchrohr (38, 54) in die Primärkammer eingebracht ist.
  23. 23. Kolbenmembranpumpe nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (32, 37, 53) relativ zur Membranoberfläche verschiebbar und fixierbar ist.
  24. 24. Kolbenmembranpumpe nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (41, 55) zentral in die Membran (6, 43) eingelassen ist, insbesondere mechanisch, elastisch dichtend, eingespannt oder einvulkanisiert.
  25. 25. Kolbenmembranpumpe nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Sensor (57) ein induktiver Näherungssensor ist.
  26. 26. Kolbenmembranpumpe nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (66) ein Drucksensor ist.
  27. 27. Kolbenmembranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber (24) einen im Gehäuse (1) abgefederten Stößel (31) mit einem diesem zugeordneten Sensor (32) hat, wobei der Stößel (31) im Bereich der hinteren Extremlage von der Membran (6) beaufschlagt und entgegen Federwirkung dem Sensor (32) angenähert wird.
  28. 28. Kolbenmembranpumpe nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber (24) ein Halteteil (26) aus elastischem Kunststoff aufweist, das eine umlaufende Nut aufweist, an der es im Gehäuse (1) gehalten ist und den Stößel (31) in einem über die Nut (26) zur Membran hin vorstehenden Abschnitt (27) verankert.
  29. 29. Kolbenmembranpumpe nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der vorstehende Abschnitt (27) mindestens eine umlaufende Aussparung zur Erhöhung der Elastizität hat.
  30. 30. Kolbenmembranpumpe nach einem der Ansprüche 26 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößel (31) mit einem tellerartigen vorderen Endabschnitt (30) über den vorstehenden Abschnitt (27) des Halteteils (25) hinaussteht.
  31. 31. Kolbenmembranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung mindestens ein Magnetventil (60, 63) aufweist.
  32. 32. Kolbenmembranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (65) aufgrund eines Steuerimpulses eines Druckgrenzwertschalters (66) für eine Reduzierung des Förderstromes ein zusätzliches Ablassen von Hilfsflüssigkeit mittels der Ventileinrichtung (60) steuert.
  33. 33. Kolbenmembranpumpe nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (65) für eine allmähliche Reduzierung des Förderstromes das zusätzliche Ablassen von Hydraulikflüssigkeit jeweils nach einer bestimmten Anzahl von Kolbenhüben steuert.
  34. 34. Kolbenmembranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (65) die Menge Hydraulikflüssigkeit im Hydrauliksystem so regelt, daß in der hinteren Extremlage der Membran (43) für ein Ansaugen von Hydraulikflüssigkeit ein Unterdruck im Hydrauliksystem entsteht.
  35. 35. Kolbenmembranpumpe nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die für einen Unterdruck im Hydrauliksystem notwendige Stützkraft durch einen Stützkörper (10) für die Membran (6) aufgenommen wird.
  36. 36. Kolbenmembranpumpe nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die für einen Unterdruck im Hydrauliksystem notwendige Stützkraft durch die Membran (6, 43) aufgenommen wird.
  37. 37. Kolbenmembranpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (32, 37, 53) ein druckfester Sensor ist, welcher in die Primärkammer (18, 44) eingebracht ist.






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