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Verfahren und Vorrichtung zum Vorfüllen einer Pumpe
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Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie eine Vorrichtung zu seiner Durchführung.
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Bei einem vorgeschlagenen Verfahren dieser Art (ältere Patentanmeldung
P 32 25 692.2) wird so vorgegangen, daß der Unterdruck in seiner Einwirkdauer dahingehend
begrenzt wird, daß er bei noch geöffnetem Auslaßventil aufhört. Erst nach Abbau
des Unterdrucks wird der Pumpensaugtakt durchgeführt, währenddem ein Druckstoß auf
das Auslaßventil ausgeübt wird, um dies zum Schließen zu zwingen. Dies macht es
erforderlich, die Einwirkdauer des Vakuums zeitlich genau zu begrenzen, wobei sich
in der Praxis als außerordentlich schwierig erwiesen hat, eine gleichbleibende korrekte
Befüllung der Pumpenkammer zu erzielen Wenn die Einwirkdauer des Unterdrucks in
der Pumpenkammer zu lange eingestellt ist, wird Füllgut durch das offene Auslaßventil
in den Auslaßkanal und gegebenenfalls sogar in den Saugkopf gesaugt. Wenn die Einwirkdauer
hingegen zu kurz eingestellt ist, gelangt nur eine nicht ausreichende Füllgutmenge
in die Pumpenkammer. Bei zu geringer Vorfüllung durch den Unterdruck wird praktisch
keine Auswirkung für den Gebrauch der Pumpe erzielt, da diese dann selbst nach mehrmaligem
Betätigen noch kein Füllgut fördert Deshalb ist man in der Praxis bestrebt, die
Einwirkzeit möglichst lange einzustellen, wobei sich dann erfahrungsgemäß nicht
vermeiden läßt, daß Füllgut in den Auslaßkanal der Pumpe und sogar in den Saugkopf
gelangt. Dies führt jedoch dann wiederum dazu,
daß das Füllgut im
nach außen offenen Auslaßkanal eintrocknet und diesen zulegt, und daß das in den
Sagkopf gelangte Füllgut diesen so verschmutzt, daß er funktionsunfähig wird und
häufig gesäubert werden muß.
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Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren
der eingangs genannten Art sowie eine zu seiner Durchführung geeignete Vorrichtung
anzugeben, wobei mit dem zu schaffenden Verfahren eine gleichmäßig korrekte und
störungsfreie Vorfüllung erzielbar sein soll.
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Das gestellte Problem wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Verfahrensschritte gelöst.
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Da der Unterdruck praktisch bis zum Ende des Saugtaktes aufrechterhalten
bleibt, entfällt die schwierig vorzunehmende Einwirkdauer-Einstellung. Die Einwirkdauer
des Unterdrucks in der Pumpenkammer wird allein durch die Taktgeschwindigkeit bei
dem Drucktakt und darauffolgenden Saugtakt der Pumpe bestimmt, was wesentlich einfacher
ist, als die Einstellung einer Unterdruck-Einwirkdauer, da das für die Einwirkdauer
verantwortliche Element das in der Pumpenkammer befindliche Auslaßventil der Pumpe
selbst ist. Bei dem bekannten, vorgeschlagenen Verfahren mußte die Pumpe selbst
das Auslaßventil schließen, wobei die Zeitdauer zum Schließen des Auslaßventils
stets abhing von der Menge des in die Pumpenkammer gelangten Füllgutes und auch
davon, wie schnell oder langsam die Pumpe selbst ihren Saugtakt beim Abheben des
Saugkopfes durchführte. Erfindungsgemäß wird jedoch der Unterdruck miteingesetzt,
um das Auslaßventil
schlagartig zu schließen, und zwar in Abhängigkeit
von der Saugtaktbewegung. Die durch das Schließen des Auslaßventils unter der Unterdruckeinwirkung
beim Saugtakt begrenzte Einwirkdauer des Unterdrucks in der Pumpenkammer läßt sich
sehr einfach aber exakt wiederholbar festlegen. Der Unterdruck ist weiterhin in
vorteilhafter Weise dann aber auch noch mit daran beteiligt, daß der Saugtakt der
Pumpe zügig bis zum Ende durchgeführt und dadurch die Pumpenkammer vollständig vorgefüllt
wird. Der Unterdruck übt nämlich beim Saugtakt auf die sich bewegenden Elemente
der Pumpe eine zusätzliche Kraft aus, die das Arbeiten der Pumpe bis zum endgültigen
Befüllen der Pumpenkammer unterstützt, wobei das Auslaßventil mit dem Unterdruck
fest und dicht geschlossen bleibt. Es hat sich in der Praxis überraschend gezeigt,
daß mit diesem Verfahren eine außerordentlich große Anzahl solcher Pumpen gleichmäßig
so vorgefüllt werden konnte , daß sie beim Gebrauch beim ersten Drucktakt ordnungsgemäß
förderten, wobei jegliche Verschmutzung des Auslaßkanales der Pumpe und auch des
Saugkopfes unterblieb.
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Eine bevorzugte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens
geht aus Anspruch 2 hervor. Mit dieser Verweilzeit kann dafür Sorge getragen werden,
daß auch mit einem verhältnismäßig niedrigen Unterdruck, der nur das Einlaßventil
der Pumpe zu öffnen hat, das Vorfüllen ordnungsgemäß bis zu dem gewünschten Ausmaß
von statten geht, ehe die Pumpenkammer über den anschließenden und durch den Unterdruck
unterstützten Saugtakt vollständig gefüllt wird. Speziell bei Pumpen mit großer
Druckkammer ist eine derartige Verweilzeit zweckmäßig.
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Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens,
bei dem ein taktweise bewegbarer Saugkopf die Pumpe über einen Druck- und einen
Saugtakt betätigt, der an eine Unterdruckquelle angeschlossen und mit Unterdruck
beaufschlagbar ist, geht aus Anspruch 3 hervor. Hierbei ist die Steuerung des Unterdrucks
besonders einfach, da seine Einwirkdauer in der Pumpenkammer allein durch die Taktgeschwindigkeit
des Saugkopfes gesteuert wird, woraus sich in Abhängigkeit von der Ausbildung der
Pumpe eine Zeitdauer ergibt über die beim Drucks- und anschließenden Saugtakt das
Auslaßventil geöffnet bleibt.
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Zweckmäßig ist ferner das Merkmal von Anspruch 4, da damit die Einwirkdauer
des Unterdrucks in der Pumpenkammer von Fall zu Fall genau auf die jeweils vorliegenden
Bedürfnisse abgestimmt werden kann, die nach Größe der Pumpenkammer, lichter Weite
des Einlaßkanales der Pumpe, Viskosität und spezifischem Gewicht des Füllgutes und
Höhe des Unterdruckes varieren können.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich insbesondere
eine Vorrichtung, wie sie aus Anspruch 5 hervorgeht, und bei der der Saugkopf durch
einen Arbeitszylinder zwischen zwei Endstellungen hin und her bewegbar und mit einer
Unterdruckquelle verbunden ist, und bei der der Saugkopf mit einem Betätigungsglied
der Pumpe in Arbeitsverbindung bringbar ist, und eine Verbindung zwischen der Unterdruckquelle
und einem Auslaßkanal der Pumpe herstellt. Diese Vorrichtung ist baulich besonders
einfach , da der Unterdruck keiner besonderen Steuerung bedarf, sondern so lange
im Saugkopf wirksam ist, als dieser arbeitet.
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Eine weitere, zweckmäßige Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens geht aus Anspruch 6 hervor. Die Einwirkung des
Unterdrucks läßt sich hierbei bereits durch die Verstellung der Arbeitsgeschwindigkeit
des Arbeitszylinders regulieren.
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Schließlich ist auch noch eine Ausführungsvariante zweckmäßig, wie
sie Anspruch 7 erläutert. Bei dieser Ausführungsform ist ein einfaches Sperrglied
in der Verbindung zur Unterdruckquelle vorgesehen, das in einer Endstellung des
Saugkopfes, in der dieser die Pumpe nicht mehr betätigt, die Verbindung zur Unterdruckquelle
sperrt. Auf diese Weise wird einer unrationellen Energieverschwendung vorgebeugt.
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Nachstehend wird anhand der Zeichnungen das erfindungsgemäße Verfahren
erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung durch einen
mit einer Pumpe verschlossenen Behälter vor einem Vorfüllvorgang, der durch eine
mit der Pumpe in Arbeitsverbindung stehende Vorrichtung bewirkbar ist, und Fig.
2 ein Schaubild zum besseren Verständnis des Vorfüllvorganges.
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Bei einem mit einer Dosier- oder Zerstäuberpumpe verschlossenen, gefüllten
Behälter ist es, insbesondere bei Befüllung mit hoch-viskosen, pastösen oder gelartigen
Füllgütern, oft schwierig, im Gebrauch die
Pumpe zur erstmaligen
Förderung zu bringen, weil sie schwer ansaugt. Dies ist für den Verbraucher störend
und kann dazu führen, daß die Pumpe für defekt gehalten wird. Bei pharmazeutischer
Anwendung kann es ferner wegen der Ungeduld des Benutzers zu Fehlbenutzungen kommen,z.B.
bei einem Nasenspray. Deshalb hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Pumpenkammer
mit dem Füllgut vorzufüllen, so daß die Pumpe bei ihrer erstmaligen Betätigung im
Gebrauch ordnungsgemäß fördert.
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Aus Fig. 1 ist ein, z.B. flaschenförmiger, Behälter 2 erkennbar, der
mit einem Füllgut 3 gefüllt ist.
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In der oben offenen Öffnung 4 des Behälters 2 ist eine Pumpe P eingesetzt,
die mit einem Befestigungsflansch 5 festgelegt ist und das Behälterinnere verschließt.
Am Befestigungsflansch 5 ist ein zylindrischer Pumpenkörper 6 angeformt, der sich
in das Innere des Behälters 2 hineinerstreckt und unten mit einem Einlaßrohr 7 in
das Füllgut 3 taucht. Im Einlaßrohr 7 ist ein Einlaßkanal 8 ausgebildet, der zu
einem Dichtsitz 9 führt, auf dem ein kugelförmiges Schließglied 10 durch die Kraft
einer Feder 38 festgehalten wird. Das Schließglied 10 bildet mit dem Dichtsitz 9
ein Einlaßventil zu einer Pumpenkammer 11.
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Im Inneren der Pumpenkammer 11 ist ein schulterförmiger Anschlag 12
ausgebildet, der zum Abfangen eines an der Innenwand 13 des Pumpenkörpers 6 dichtend
verschieblich geführten Kolbens 14 dient, der entsprechende Gegenanschläge 15 am
unteren Ende besitzt.
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Der Kolben 14 ist über eine in Längsrichtung verformbare Hülse 16
an einem rohrartigen Betätigungsglied 17 der Pumpe D befestigt. Das Betätigungsglied
17
Verbindung. Der Saugkopf 25 ist mittels eines Arbeitszylinders
33 in Richtung eines Doppelpfeiles 28 auf und ab bewegbar. Der Arbeitszylinder 33
-steht über eine Verbindungsleitung (pneumatisch oder hydraulisch) mit einer Druckquelle
36 in Verbindung, wobei eine Verstelleinrichtung 35, z.B. eine Drosseleinrichtung,
dazwischen geschaltet ist, mit der sich die Arbeitsgeschwindigkeit des Arbeitszylinders
33 einstellen läßt.
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An den Kanal 27 ist ferner eine Verbindungsleitung 30 zu einer Unterdruckquelle
31 angeschlossen, in der gegebenenfalls ein Sperrglied 32 vorgesehen ist mit dem
in in der dargestellten Lage des Saugkopfes 25 die Verbindung von der Unterdruckquelle
31 zum Kanal 27 unterbrochen ist. Zweckmäßigerweise ist eine elektrische oder mechanische
Verbindung 40 zwischen dem Saugkopf 25 bzw. dem Arbeitszylinder 33 und dem Sperrglied
32 vorgesehen, so daß dieses selbsttätig dann in seine Öffnungsstellung geht, wenn
der Saugkopf 25 nach unten bewegt wird.
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Das Sperrglied 32 ist entbehrlich, dvh. es könnte der Unterdruck von
der Unterdruckquelle 31 ständig im Kanal 27 wirksam sein.
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Zum Vorfüllen der Pumpenkammer 11 wird wie folgt vorgegangen: Der
auf das Betätigungsglied 17 aufgesetzte Saugkopf 25 stellt eine dichte Verbindung
zwischen dem Auslaßkanal 19 und dem Kanal 27 her, so daß der Unterdruck zunächst
das Auslaßventil 21,29 in Schließrichtung beaufschlagt. Wenn nun der Saugkopf 25
nach unten bewegt wird, schiebt das Betätigungsglied 17 über die Hülse 16 auch den
Kolben 14 nach unten, bis
wird im Bereich der Hülse 16 durch ein
in der Wandstärke dünneres Rohr 18 fortgesetzt, das am unteren Ende einen Schließkolben
21 trägt, gegen den sich das obere Ende der Feder 38 abstützt.
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Das Betätigungsglied 17 der Pumpe D enthält einen Auslaßkanal 19;
der bis zum freien Ende des Betätigungsgliedes führt. Der Zugang zum Auslaßkanal
19 ist durch eine Öffnung 20 in der Wand des Rohres 18 möglich. Der Schließkolben
21 bildet mit der Unterseite des Kolbens 14 und einer darin vorgesehenen Öffnung
29 ein Auslaßventil aus der Pumpenkammer 11.
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Das Betätigungsglied 17 ist in einer Öffnung des Befestigungsflansches
5 abgedichtet verschieblich geführt. Die Hülse 16 ist an dem unteren Ende 22 des
Betätigungsgliedes 17 festgelegt, so daß vom Inneren der Hülse 16 keine Verbindung
zum umgebenden Raum oberhalb des Kolbens 14 besteht. Dieser Raum steht vielmehr
über eine Entlüftungsöffnung 37 zum Druckausgleich mit dem Behälterinneren in Verbindung.
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Nahe dem oberen Ende des Betätigungsgliedes 17 ist ein glockenförmiger
Flansch 23 angeformt, der außen über den Befestigungsflansch 5 schiebbar ist und
an der Oberseite eine Betätigungsfläche 214 trägt.
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In Fig. 1 ist die Pumpe in nicht betätigtem und nicht vorgefülltem
Zustand gezeigt.
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Auf dem oberen Ende des Betätigungsgliedes 17 sitzt ein Saugkopf 25
auf, der einen Dichteinsatz 26 besitzt, der von einem Kanal 27 durchsetzt wird.
Der Kanal 27 steht auf diese Weise mit dem Auslaßkanal 19 in druckübertragender
und nach außen abgedichteter
dieser auf den Anschlägen 12 abgefangen
wird und an der weiteren Bewegung nicht mehr teilzunehmen vermag. Vielmehr wird
das Auslaßventil 21, 29 geöffnet, wobei sich die Hülse 16 in Längsrichtung verkürzt;
nunmehr ist der Unterdruck unmittelbar in der Pumpenkammer 11 wirksam und hebt das
Schließglied 10 vom Dichtsitz 9 ab, so daß Füllgut 3 durch den Einlaßkanal 8 angesaugt
wird. Bis dahin ist ein Drucktakt der Pumpe P durchgeführt. Während des Ansaugens
kehrt der Saugkopf 25 seine Bewegungsrichtung um und geht wieder nach oben, so daß
ein Saugtakt der Pumpe beginnt. Nach einer vorbestimmten Zeitdauer wird das Auslaßventil
21, 29 wieder geschlossen, und zwar sowohl unter der Wirkung der Feder 38 als auch
der Hülse 16 und dem im Auslaßkanal 19 wirksamen Unterdruck, wobei damit die Einwirkung
des Unterdrucks in der Pumpenkammer 11 aufhört. Diese ist jedoch bis dahin bereits
mit Füllgut vorgefüllt worden. Bei der anschließenden Bewegung des Kolbens 14 bei
geschlossen gehaltenem Auslaßventil 21 und 29 wird die Pumpenkammer 11 durch die
Saugwirkung des Kolbens 14 vollständig gefüllt, bis der Kolben 14 wieder in seiner
oberen Endstellung steht. Bis dahin bleibt der Unterdruck im Auslaßkanal 19 wirksam,
so daß durch den dichten Abschluß zwischen dem Einsatz 26 und dem Betätigungsglied
17 der Saugkopf 25 eine Zugkraft auf das Betätigungsglied 17 ausübt, die den Ansaugtakt
bzw. die Wirkung der Feder 38 unterstützt. Im übrigen könnte zusätzlich zur Feder
38 eine den Schließkolben 21 und den Kolben 14 in Richtung des Saughubes beaufschlagende
Feder vorgesehen sein, die dann aber das Schließglied 10 nicht belastet. Eine gleichartig
wirkende Feder könnte auch zwischen dem glockenförmigen Flansch 23 und dem Befestigungsflansch
5 eingeordnet werden,
wo sie die gleiche Funktion auszuüben vermag.
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Trotzdem ist es wichtig, daß bei dem Saugtakt während des Vorfüllens
der Unterdruck mithilft, das Betätigungsglied 17 in Saugtaktrichtung zu bewegen,
da beim Nachsaugen eines gelartigen oder anderen hoch viskosen Füllgutes ein beträctlicher
Strömungswiderstand zu überwinden ist, und da bei diesem Nachsaugen besonders die
zusätzliche-Schließwirkung des Unterdrucks für das Auslaßventil das Nachsaugen begünstigt.
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Sobald dann der Behälter 2 aus dem Arbeitsbereich des Saugkopfes 25
entfernt worden ist, befindet sich in der Pumpenkammer 11 eine genügende Menge an
Füllgut, so daß beim späteren Gebrauch bereits beim ersten Drucktakt ordnungsgemäß
das Füllgut gut durch den Auslaßkanal 19 gefördert wird.
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Mit der Einstellvorrichtung 35 läßt sich die Arbeitsgeschwindigkeit
des Arbeitszylinders 33 so einstellen, daß der Unterdruck in der Pumpenkammer 11
über eine bestimmte Zeitdauer wirksam ist, die durch das Öffnen und Schließen des
Auslaßventiles 21, 29 bei den Takten der Pumpe D begrenzt wird. Damit läßt sich
das Vorfüllen des Totraumes der Pumpe D, d.h. des Volumens der Pumpenkammer 11 bei
unten stehendem Kolben 14, 21,so genau steuern, daß nur mehr eine verschwindende
Menge an Luft miteingeschlossen bleibt, die beim Saugtakt zum endgültigen Vollfüllen
der Pumpenkammer 11 nicht stört. Üblicherweise ist auch der Hub des Arbeitszylinders
33 einstellbar bzw. läßt sich die Auflage für den Behälter 2 so einjustieren, daß
bei den beiden Takten während des Vorfüllvorganges ein bestimmter Hubweg des Betätigungsgliedes
17 erreicht wird der zweck-
mäßigerweise an die jeweiligen Gegebenheiten
angepaßt ist.
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Anhand des Schaubildes von Fig. 2 läßt sich das Verfahren zum Vorfüllen
der Pumpenkammer 11 erklären.
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Auf der vertikalen Achse des Schaubildes ist der Hubweg S des Saugkopfes
25 aufgetragen, während die horizontale Achse die Zeit repräsentiert, über die die
beiden Takte D (Drucktakt) S (Saugtakt) ablaufen. Der Einfachheit halber sind die
Bewegungen linear und mit gleichförmiger Geschwindigkeit gezeigt, obwohl sie in
der Praxis auch kurvenförmig verlaufen können.
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Ausgehend vom Schnittpunkt der beiden Achsen des Diagrammes beginnt
nach einer bestimmten Zeitdauer das Auslaßventil 21,29 sich zu öffnen (Punkt AV).
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Mit einer kurzen Verzögerung danach beginnt der Unterdruck in der
Pumpenkammer 11 zu wirken (Punkt u).
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Mit einer weiteren Verzögerung öffnet der Unterdruck nun das Einlaßventil
9,10 (Punkt EV). Ausgehend vom Punkt U wirkt der Unterdruck in der Pumpen-kammer
11 über den gesamten Drucktakt D und einen anfänglichen Bereich des sich anschließenden
Saugtaktes S. Am Punkt AV bzw. U wird das Auslaßventil 29 , 21 geschlossen, so daß
damit auch die Wirkung des Unterdrucks in der Pumpenkammer aufhört. Bis dahin ist
vom Punkt U während des Drucktaktes eine Zeitspanne tu verstrichen, die die Einwirkdauer
des Unterdruckes repräsentiert. Vom Punkt U bis zum Ende des Drucktaktes bewirkt
der Unterdruck ein Ansaugen von Füllgut aus dem Behälter. Über den anfänglichen
Bereich des Saugtaktes fördert der Unterdruck weiterhin Füllgut in die Pumpenkammer.
Am Punkt AV bzw.
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U des Saugtaktes S ist das Auslaßventil 2121,29 wieder geschlossen,
so daß dann anstelle der saugenden
Wirkung des Unterdrucks die
saugende Wirkung des Kolbens 14 und des Schließkolbens 21 tritt, die weiterhin Füllgut
ansaugen, bis schließlich nahe dem Ende des Saugtaktes auch das Einlaßventil 10,9
(Punkt EV) geschlossen und damit die Pumpenkammer 11 vollständig gefüllt ist. Über
die Zeitdauer tUAV zwischen dem Punkt AV bzw. U und dem Ende des Saugtaktes wirkt
der Unterdruck am geschlossenen Auslaßventil und über die dichte Verbindung zwischen
dem Dichteinsatz 26 und dem Ende des Betätigungsgliedes 17 auch in Form einer Zugkraft
am Betätigungsglied 17 und unterstützt auf diese Weise den Saugtakt.
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In Fig. 2 ist ferner in strichlierten Linien angedeutet, daß sich
an den Drucktakt eine Verweilzeit V anschließt, über die der Saugkopf 25 in seiner
unteren Stellung verharrt, damit die Einwirkdauer tu des Unterdrucks in der Pumpenkammer
verlängert wird. Wie schnell die beiden Takte ausgeführt werden oder ob eine Verweilzeit
vorgesehen wird, richtet sich nach den jeweiligen Verhältnissen. Es muß nur sichergestellt
sein, daß die Pumpenkammer soweit gefüllt ist, daß kein Füllgut durch das Auslaßventil
hindurch in den Auslaßkanal 19 treten kann. Andererseits darf auch nicht zu wenig
Füllgut in der Pumpenkammer sein, da die dann noch enthaltene Luft beim anschließenden
Saugtakt das Nachsaugen beeinträchtigen könnte.
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Der besondere Vorteil dieses Verfahrens liegt darin daß die Steuerung
der Einwirkung des Unterdrucks in der Pumpenkammer allein durch die Bewegung der
Pumpe während der beiden Takte und die -Bewegungsgeschwindigkeit oder Bewegungsdauer
gesteuert wird
und deshalb keine von außen gesteuerte, zeitliche
Begrenzung des Unterdrucks erforderlich ist, wie dies beim Stand der Technik der
Fall war, wo eine Abstimmung zwischen der Bewegung der Pumpe und dem Unterdruck
durch dessen externe Zeitsteuerung vorzunehmen war.
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In der Praxis hat sich gezeigt, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
eine Zeitdauer tU für die Einwirkung des Unterdrucks in der Pumpenkammer von weniger
als 0,5 sek ausreicht. Bei dieser Einwirkzeit, die sich sehr genau wiederholen läßt,
selbst wenn eine außerordentlich große Anzahl solcher Behälter vorbefüllt werden
muß, wird eine außerordentlich korrekte Vorbefüllung der Pumpenkammern erreicht.