-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mehrfachmembranpumpe mit wenigstens zwei Membrankammern, welche durch wenigstens zwei Membranen in jeweils eine Treibmittelkammer und eine Medienkammer geteilt sind, wobei ein Membrankolben die Membranen mechanisch koppelt, in ein Schaltgehäuse geführt ist und in dem Schaltgehäuse unter Zwischenlage einer Magnetanordnung mit einem Ventilkolben zur Steuerung eines Zu- und Abstroms von Treibmittel in die Treibmittelkammern zusammenwirkt.
-
Eine solche Mehrfachmembranpumpe ist als Doppelmembranpumpe bereits aus der
DE 41 06 180 A1 vorbekannt. Hierbei sind auf dem Membrankolben und dem Ventilkolben gleichsinnig ausgerichtete, radial angeordnete Ringmagneten auf den interagierenden Endstücken des Membrankolbens und des Ventilkolbens positioniert. Der Membrankolben und der Ventilkolben arbeiten in gegenläufiger Bewegung, indem der Ventilkolben durch das vorhandene Magnetfeld des Membrankolbens in die Gegenrichtung des vorbeilaufenden Membrankolbens gedrückt wird. Durch die oszillierende Bewegung des mechanisch angetriebenen Membrankolbens geraten periodisch gleichnamige Pole der Radialmagneten beider Kolben in eine Parallelstellung. Das Magnetfeld des Ventilkolbens weicht dem Widerstand, der sich durch die Annäherung gleichnamiger Pole aufbaut, aus, indem die Ringmagneten den Ventilkolben in eine Position relativ zum Membrankolben versetzen. Dabei üben die Gegenpole der Ringmagneten des Membrankolbens mit den jeweiligen Gegenpolen des Ventilkolbens maximale Anziehungskraft aus. Das Bestreben der beiden Magnetfelder, jeweils in Ruhelage zueinander zu stehen, wird zum Bedienen des Ventils und des Treibmittelzustroms herangezogen, da der Ventilkolben nur magnetisch angesteuert werden kann.
-
Die oben beschriebene Anordnung der Magneten lässt keine optimale Ausnutzung der Magnetkräfte zu, da zum einen der Reibwiederstand der Ventildichtungen direkt von den Magnetkräften überwunden werden muss, zum anderen sind die Magnetfelder stark vom Abstand der Magneten abhängig. Da die Magnetfelder nicht auf das Zentrum der jeweiligen Gegenmagneten zu bewegt wird, sondern nur eine Verschiebung an den Magneten vorbei erfolgt, wird diese maximale Kraft allerdings im Stand der Technik nicht ausgenutzt. Dies würde im Stand der Technik auch nicht funktionieren, da die Magnetkraft nicht nur in der Endlage benötigt wird, sondern auf der gesamten Wegstrecke der gegenseitigen Auslenkung der beiden Kolben.
-
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Mehrfachmembranpumpe anzugeben, bei welcher die Magnetkräfte durch eine andere Verteilung auf den beiden Kolben effizienter genutzt werden können, um den Stillstand der Mehrfachmembranpumpe in einem gemeinsamen Totpunkt von Membrankolben und Ventilkolben zu vermeiden.
-
Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Mehrfachmembranpumpe gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Sinnvolle Ausgestaltungen einer derartigen Mehrfachmembranpumpe können den sich anschließenden abhängigen Ansprüchen entnommen werden.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Mehrfachmembranpumpe mit einer mechanischen Kopplung der Membranen durch einen Membrankolben vorliegt. Die Membranen unterteilen jeweils eine Membrankammer in eine Treibmittelkammer und eine Medienkammer. Der Membrankolben überträgt innerhalb eines Schaltgehäuses durch Mitnahme des Ventilkolbens einen Teil seiner Bewegung auf den Ventilkolben. Über diese Mitnahme des Ventilkolbens schaltet dieser ein an dem Ende des Ventilkolbens angeordnetes Ventil, welches zwischen zwei Schaltstellungen hin und her wechselt und hierdurch den Zu- und Abstrom des Treibmittels in die Treibmittelkammern steuert. Zusätzlich zu der Mitnahme des Ventilkolbens durch die oszillierende Bewegung des Membrankolbens wird ein Teil der Strecke magnetisch überwunden. Auf dieser Strecke befindet sich der gemeinsame Totpunkt der beiden Kolben. Als Totpunkt bezeichnet man eine Stellung der Kolben, aus welcher die Mehrfachmembranpumpe nicht mehr aus eigener Kraft herauskommt, so dass ein Eingriff von au-ßen erforderlich wird. Dies wird insbesondere dann erreicht, wenn der Ventilkolben in einer Zwischenstellung stehenbleibt, in der keine definierte Ventilstellung erreicht ist, gleichzeitig aber auch bereits kein Druck und kein Schwung des Membrankolbens mehr vorhanden ist, um den Ventilkolben mechanisch weiter zu bewegen. Sollten beide Kolben gleichzeitig in den Totpunkt geraten, kommt die Mehrfachmembranpumpe zum Stillstand, da alle Ventile, die das Treibmittel ansteuern, in dieser Stellung offenstehen. Mehrere, vorzugsweise parallel oder auch koaxial zu einander ausgerichtete, Magnetanordnungen, die erfindungsgemäß Bestandteil der interagierenden Kopfstücke beider Kolben sind, erzeugen eine Magnetkraft, die in der Lage ist, die Kolben aus ihrem jeweiligen Totpunkt zu befördern.
-
Dies ist deshalb besonders vorteilhaft, weil durch diese Anordnung der benötigte Schiebeweg, der durch die Magnetkräfte allein geleistet werden muss, minimiert wird und durch eine effizientere Anordnung der Magneten die Magnetkraftwirkung besser genutzt wird. Hierbei wird der Reibwiderstand der Ventildichtungen von der Mechanik des Membrankolbens und nicht dem Magnetfeld des Ventilkobens überwunden. Das Magnetfeld stellt lediglich sicher, dass beide Kolben nicht gleichzeitig in ihren Totpunkt geraten und die Bewegung der Doppelmembranpumpe zum Erliegen kommt.
-
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Ventilkolben koaxial mit dem Membrankolben, oder zumindest parallel zu diesem, geführt ist. In einer solchen Ausgestaltung kann die Kraft des Membrankolbens direkt für eine mechanische Betätigung des Ventilkolbens eingesetzt werden, wenngleich in einem solchen Fall keine starre Kopplung umgesetzt wird. Vielmehr ist in einer solchen Anordnung eine mechanische Mitnahme vorgesehen, welche jedoch ein Spiel zwischen dem Ventilkolben und dem Membrankolben erlaubt. Der Versatz des Ventilkolbens kann hierdurch insbesondere größer sein als der Versatz des Membrankolbens. Auch kann hierdurch ein Zeitversatz zwischen den Bewegungen von Ventilkolben und Membrankolben ermöglicht werden, wodurch das Ventil auch während der Bewegung des Membrankolbens in einer definierten Position verbleibt.
-
In einer konkreten Ausgestaltung kann einer der beiden Kolben ein Kopfstück ausbilden, welches in einen von dem anderen der beiden Kolben gebildeten Käfig aufgenommen ist, wobei das Kopfstück und der Käfig in Schubrichtung und in Zugrichtung vordere und hintere Anschlagflächen ausbilden, wobei zwischen Kopfstückanschlagflächen und Käfiganschlagflächen ein Spiel vorhanden ist. Unabhängig davon, welcher dieser beiden Teile welchem der beiden Kolben zugeordnet ist, ist es von Vorteil, wenn die Interaktion zwischen dem Membrankolben und dem Ventilkolben durch einen ineinandergreifenden Aufbau gewährleistet ist. Dabei kann bevorzugtermaßen das freie Ende des Ventilkolbens als Käfig ausgeformt sein, während das mit dem Ventilkopfstück in Zug- und Schubrichtung interagierende freie Ende des Membrankolbens ein Kopfstück ausbildet, welches in dem Käfig längsbeweglich aufgenommen ist.
-
Ferner können den Käfiganschlagflächen erste Magnetanordnungen und dem Kopfstück wenigstens eine zweite Magnetanordnung zugeordnet sein, welche gegenüber den ersten Magnetanordnungen gegensinnig ausgerichtet ist. Somit stoßen sich Käfig und Kopfstück kurz vor dem Erreichen der Endlage des Käfigs ab. Das Kopfstück schiebt den Käfig dann sowohl mechanisch als auch magnetisch bis in eine Anschlagsposition des Käfigs.
-
Dabei können die Innenwände des Käfigs als Anschlagflächen für korrespondierende Anschlagflächen des Kopfstücks dienen. In einem Bewegungsablauf wird der Membrankolben durch die aufgrund eines Treibmittelzu- und -abstroms ausgelenkten Membranen bewegt, so dass sich Kopfstück und Käfig relativ zu einander verschieben. Während der Ventilkolben zunächst in Ruhe verbleibt und dadurch das Ventil seine Stellung behält, durchquert das Kopfstück den Käfig und gerät an dessen gegenüberliegender Seite wiederum an die dortigen Anschlagflächen. Ab diesem Moment erfolgt eine mechanische Mitnahme des Ventilkolbens durch den Membrankolben.
-
Auch der sich in dem Schaltgehäuse der Mehrfachmembranpumpe bewegende Käfig kann seinerseits zwischen zwei Gehäuseanschlagflächen verschieblich angeordnet sein. Dies erlaubt es, den Käfig seinerseits zwischen zwei Extrempunkten der Bewegung festzulegen und dafür zu sorgen, dass sich der Käfig stets in einer definierten Lage innerhalb des Schaltgehäuses befindet.
-
Ferner können in den Gehäuseanschlagflächen mit den ersten Magnetanordnungen gleichsinnig ausgerichtete dritte Magnetanordnungen vorgesehen sein, welche die ersten Magnetanordnungen in den Käfiganschlagflächen zu sich heranziehen, gegebenenfalls das letzte Stück Weges hin zu den Gehäuseanschlagflächen überwinden helfen. Auf der Rückbewegung des Kopfstücks innerhalb des Käfigs trifft dieses dann irgendwann auf die gegenüberliegenden Käfiganschlagflächen und nimmt ab diesem Moment den Käfig in die Gegenrichtung, mechanisch und magnetisch, mit. Daraus ergibt sich, dass äußere Käfiganschlagflächen zu den Gehäuseanschlagflächen angezogen werden, sobald das Kopfstück mit dem gleichnamigen Pol von innen den Käfig abstößt und der Käfig durch die Magnetkraft Richtung Gehäuseanschlag bewegt wird. Somit wird der Käfig sowohl durch die Abstoßung gleichnamiger Pole von innen als auch die Anziehung ungleichnamiger Pole von außen über den Totpunkt des Ventilkolbens hinwegbewegt.
-
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Ventilkolben eine Ventilanordnung, vorzugsweise ein 5/2-Wegeventil, zur Steuerung des Treibmittelzustroms in die Treibmittelkammern betätigt. Konkret kann das 5/2-Wegeventil an dem anderen Ende des Ventilkolbens angebracht werden, um den Zu- und Abstrom des Treibmittels in die und aus den Treibmittelkammern der Doppelmembranpumpe zu gewährleisten. Mit einem solchen Ventil kann der Zu- und Abstrom des Treibmittels beider Treibmittelkammern gleichzeitig angesteuert werden, wobei eine Treibmittelkammer mit dem Treibmittel gefüllt werden, während gleichzeitig das Treibmittel aus der anderen Kammer entweichen kann.
-
Es können hierbei die Magnetanordnungen aus einem oder mehreren untereinander gleichsinnig angeordneten, insbesondere räumlich verteilten, Magneten konstruiert sein. Dabei können die Pole aller Magnetanordnungen, die sich eine Anschlagfläche teilen, entweder parallel oder senkrecht zur Bewegungsrichtung orientiert sein, solange die oben geschilderte Gleichsinnigkeit oder Gegensinnigkeit gewährleistet ist, deren es sinngemäß bedarf, um die angelegten Magnetfelder zur Bewegung des Ventilkolbens zu nutzen. So ist es beispielsweise möglich, an dem Kopfstück einen Magneten anzubringen, solange das Kopfstück ausreichend dünn ist. Bei einem entsprechend dickeren Kopfstück kann es sinnvoll sein, einen Magneten an beiden Seiten des Kopfstücks anzuordnen, die dann gemeinsam die Magnetanordnung bilden. Dies lässt sich entsprechend auf die anderen Anschlagflächen übertragen. Auch eine einfache Verstärkung der Magneten ist hierdurch möglich.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn es sich bei den Magneten um Dauermagneten, insbesondere um Neodymmagneten handelt, welche vorzugsweise in Form von Ringmagneten ausgestaltet sind. Durch die Wahl von Neodymmagneten kann gewährleistet werden, dass die Magnetkraft ausreicht, den Ventilkolben zu mobilisieren. Zusätzlich arbeitet ein Dauermagnet störungsfrei ohne Unterbrechung, was zur Stabilität der Konstruktion beiträgt und diese wartungsfrei macht.
-
In einer abermals konkreten Ausgestaltung kann Druckluft als günstiges Treibmittel verwendet werden. Diese steht als Gas überall kostenlos zur Verfügung und muss nur verdichtet werden. Sie ist zudem besonders vorteilhaft, da sie die Treibmittelkammern und Membranen nicht korrodiert und sowohl schnell als auch leicht bewegt werden kann.
-
Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
-
Es zeigen
- 1 eine Mehrfachmembranpumpe in konkreter Ausgestaltung als Doppelmembranpumpe mit einem Treibmittelventil, welches über ein Schaltgehäuse mit einem Membrankolben verbunden ist in einer schematischen Darstellung einer ersten Schaltposition,
- 2 die Doppelmembranpumpe gemäß 1 in einer zweiten Schaltposition in schematischer Darstellung,
- 3 die Doppelmembranpumpe gemäß 1 in einer dritten Schaltposition in schematischer Darstellung,
- 4 die Doppelmembranpumpe gemäß 1 in einer vierten Schaltposition in schematischer Darstellung, sowie
- 5 eine Verbindung zwischen dem Membrankolben und einem mit dem Ventil verbundenen Ventilkolben innerhalb des Schaltgehäuses in einer schematischen Darstellung.
-
1 zeigt eine Doppelmembranpumpe 1, welche zwei Membrankammern 2 und 6 aufweist. Die Membrankammern 2 und 6 sind mithilfe jeweils einer Membran 5 und 9 in eine Treibmittelkammer 4 und 8 sowie eine Medienkammer 3 und 7 unterteilt. Aus einer Treibmittelquelle 16 wird über eine Ventilanordnung 15, die als 5/2-Wegeventil ausgestaltet ist, Druckluft in die zweite Treibmittelkammer 8 geleitet, mit dem Ziel, eine zweite Membran 9 gegen den Druck in der zweiten Medienkammer 7 enthaltenen Mediums in Richtung der zweiten Medienkammer 7 zu bewegen und hierbei das Medium aus der zweiten Medienkammer zu fördern. Hierbei ist die zweite Membran 9 über einen Membrankolben 17 mit einer ersten Membran 5 gekoppelt und nimmt diese in ihrer Bewegung mit, so dass die erste Membran 5 aus der ersten Treibmittelkammer 4 das dort enthaltene Treibmittel über die Ventilanordnung 15 aus der ersten Treibmittelkammer 4 befördert. Hierdurch erweitert sich umgekehrt die erste Medienkammer 3 und saugt dadurch anstehendes Medium in diese ein.
-
Die Ventilstellung der Ventilanordnung 15 wird hierbei durch einen Ventilkolben 10 betätigt, welcher mit dem Membrankolben 17 in einer mechanischen Verbindung steht, wie sie in der 5 gezeigt ist.
-
2 zeigt den sich anschließenden Schritt, bei dem die Membranen 5 und 9 umgekehrt ausgelenkt sind, wobei zwischen dem Membrankolben 17 und dem Ventilkolben 10 ein solches Spiel und Zeitversatz vorgesehen sind, dass die Ventilanordnung 15 zu diesem Zeitpunkt sich noch in ihrer vormaligen Stellung befindet.
-
3 zeigt den nächsten Schritt, bei dem nun die Ventilanordnung 15 geschaltet hat, so dass das 5/2-Wegeventil nun die erste Treibmittelkammer 4 mit Druckluft versorgt, während die Membranen 5 und 9 nunmehr beginnen, das Medium aus der ersten Medienkammer 3 sowie die Druckluft aus der zweiten Treibmittelkammer 8 zu verdrängen.
-
Dies ist in 4 abgeschlossen, in welcher aber die Ventilanordnung 15 wiederum noch nicht geschaltet hat, trotzdem der Membrankolben 17 sich der Endlage nähert.
-
5 zeigt das für das Schaltverhalten verantwortliche Innere des Schaltgehäuses 21, in welches von der linken Seite her der Membrankolben 17 und von der rechten Seite her der Ventilkolben 10 einragt. Hierbei bildet das freie Ende des Membrankolbens 17 ein Kopfstück 19 aus, welches in einem Käfig 13 am freien Ende des Ventilkolbens 10 aufgenommen ist. Hierbei hat das Kopfstück 19 ähnlich einem Zylinderkolben in seinem Zylinder ein Spiel innerhalb des Käfigs 13, so dass eine Bewegung des Membrankolbens 17 sich nur dann direkt auf die Bewegung des Ventilkolbens 10 auswirkt, wenn das Kopfstück 19 mit seinen Kopfstückanschlagflächen 20 an einer Käfiganschlagfläche 14 des Käfigs 13 anschlägt und in deren Richtung drückt. Aufgrund dieser rein mechanischen Kopplung kann der Membrankolben 17 den Ventilkolben 10 jeweils bis in eine Schaltstellung versetzen, in welcher der Käfig 13 des Ventilkolbens 10 an Gehäuseanschlagflächen 22 des Gehäuses 21 anschlägt. Üblicherweise wird diese Position allerdings nicht aufgrund der Bewegung des Membrankolbens 17 allein erreicht, vielmehr kann es sein, dass der Ventilkolben 10 kurz vor der Schaltposition in einem Totpunkt stehen bleibt, in welcher sich das Ventil in keiner klaren Schaltstellung befindet und der Membrankolben 17 sich wegen des fehlenden Drucks in den Membrankammern 2 und 6 ebenfalls nicht mehr weiter bewegt. Für diesen Fall sind in dem Käfig 13, dem Kopfstück 19 und den Gehäuseanschlagflächen 22 Magnetanordnungen 11, 18 und 23 vorgesehen, welche einen derartigen Totpunkt vermeiden sollen.
-
Hierzu sind erste Magnetanordnungen 11 in dem Käfig und dritte Magnetanordnungen 23 in den Gehäuseanschlagflächen gleichsinnig angeordnet, so dass sie sich gegenseitig anziehen. Bedarfsweise kann auch auf die dritten Magnetanordnungen verzichtet werden, aber diese ziehen den Käfig 13 in seiner Endstellung nochmals magnetisch an die Gehäuseanschlagflächen 22 heran und helfen dadurch, die undefinierte Totpunktstellung zu überwinden. Eine gegensinnig ausgerichtete zweite Magnetanordnung 18 sorgt in den Endpunkten für ein Weiterdrücken des Käfigs 13 in Richtung der Endlage, da jeweils gleichnamige Pole zueinander weisen und sich abstoßen. Auf diese Weise kann ein Verharren des Ventilkolbens im Totpunkt sowohl aufgrund der Anziehung des Käfigs 13 aufgrund des Zusammenwirkens der ersten Magnetanordnung 11 und der dritten Magnetanordnung 23, als auch aufgrund der Abstoßung zwischen der zweiten Magnetanordnung 18 des Kopfstücks 19 und der ersten Magnetanordnung 11 des Käfigs 13 hin zu der Gehäuseanschlagfläche 22 verhindert werden.
-
Vorstehend beschrieben ist somit eine Mehrfachmembranpumpe, bei welcher die Magnetkräfte aufgrund der Verteilung der Magneten auf den beiden Kolben effizienter genutzt werden können, um den Stillstand der Mehrfachmembranpumpe in einem gemeinsamen Totpunkt von Membrankolben und Ventilkolben zu vermeiden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Doppelmembranpumpe
- 2
- erste Membrankammer
- 3
- erste Medienkammer
- 4
- erste Treibmittelkammer
- 5
- erste Membran
- 6
- zweite Membrankammer
- 7
- zweite Medienkammer
- 8
- zweite Treibmittelkammer
- 9
- zweite Membran
- 10
- Ventilkolben
- 11
- erste Magnetanordnung
- 12
- Ebene
- 13
- Käfig
- 14
- Käfiganschlagfläche
- 15
- Ventilanordnung
- 16
- Treibmittelquelle
- 17
- Membrankolben
- 18
- zweite Magnetanordnung
- 19
- Kopfstück
- 20
- Kopfstückanschlagfläche
- 21
- Schaltgehäuse
- 22
- Gehäuseanschlagfläche
- 23
- dritte Magnetanordnung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
