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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft allgemein Hubkolbenpumpen, und insbesondere Hubkolbenpumpen
mit chemisch inerten Nasszonen, die Rollmembran-Druckbeaufschlagungselemente
verwenden, sowie Pumpensysteme, die eine Anzahl derartiger Pumpen
umfassen, welche zur Erzeugung eines relativ gleichmäßigen Gesamtaustragsdrucks
betrieben werden.
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Hintergrund der Erfindung
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Pumpen,
die in der Halbleiterfertigungsindustrie eingesetzt werden können, müssen in
der Lage sein, hochreine Prozessfluide zu fördern, die häufig korrosiv
und/oder ätzend
sind. Diese hochreinen Prozessfluide werden häufig auf Temperaturen in der
Nähe ihres
Siedepunktes erwärmt,
um ihre Effizienz bei der Durchführung
eines speziellen Halbleiterfertigungsprozesses zu vergrößern. Demgemäß ist es
wichtig, dass mit derartigen Prozessfluiden arbeitende Pumpen in
der Lage sind, solche korrosive und/oder ätzende Prozessfluide unter
Hochtemperaturbedingungen ohne Ausfälle zu fördern. Es ist ebenfalls wichtig,
dass für
einen derartigen Einsatz verwendete Pumpen keine Verunreinigungen
einbringen, die in Förderrichtung
weitertransportiert werden können,
wodurch das hochreine Endprodukt, z. B. Halbleiter oder dergleichen,
letztendlich beschädigt
oder verunreinigt werden könnte.
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Herkömmliche
Pumpen, die für
ihre Anwendbarkeit bei anderen weniger anspruchsvollen Anwendungen
bekannt sind, sind für
einen Einsatz bei Anwendungen, bei denen eine Beibehaltung der großen Reinheit
des Prozessfluids wichtig ist, nicht gut geeignet. Beispielsweise
sind Rotations- oder Kreiselpumpen, die auf der Verwendung eines
rotierenden Laufrades beruhen, um den Austragsdruck eines in die
Pumpe eintretenden Fluids zu vergrößern, zur Verwendung in Hochreinheitssystemen
nicht gut geeignet, da die Möglichkeit
besteht, dass das Prozessfluid bei einem Versagen der Lagerstopfbuchse
oder der Pumpendichtung in Kontakt mit den Laufradlagern kommt.
Ein Kontakt des Prozessfluids mit den Lagern bewirkt, dass in das
Prozessfluid eine Verunreinigung eingebracht wird, welche die Pumpe
in Form von Metallpartikeln verlässt
und zu einer Verunreinigung des Endproduktes führt. Pumpen vom Hubkolbentyp,
welche um den Kolbenumfang herum angeordnete dynamische Dichtungen
verwenden, sind gleichermaßen
ungeeignet für
Hochreinheitsanwendungen, bedingt durch den Abrieb und Verschleiß, der an
der dynamischen Kolbendichtung auftritt, was dazu führt, dass
vom Dichtungsabrieb herrührende partikelförmige Stoffe
in das Prozessfluid eintreten und dieses verunreinigen.
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Pumpen,
welche bis zu einem gewissen Grad erfolgreich für einen derartigen Hochreinheitsbetrieb
verwendet wurden, beinhalten sowohl Membran- als aus Faltenbalgpumpen.
Membranpumpen beruhen auf einer Hin- und Herbewegung (Hubbewegung)
einer flexiblen Membran im Inneren einer Kammer, um das Prozessfluid
sowohl unter Druck aufzunehmen als auch auszustoßen. Die für einen derartigen Einsatz
verwendete Membran kann aus einem chemisch inerten Material hergestellt
sein und ist für gewöhnlich entlang
einer Umfangskante der Druckkammerwandung befestigt. Die Druckkammerwandung
ist so konfiguriert, dass sie Einlass- und Auslassöffnungen
aufweist, die mit Einweg-Rückschlagventilen
ausgerüstet
sind, so dass eine Bewegung des Mittelabschnitts der Membran in
der einen Richtung bewirkt, dass Fluid in die Kammer über die
Einlassöffnung
eintritt, und eine Bewegung der Membran in der entgegengesetzten
Richtung bewirkt, dass das Fluid aus der Kammer über die Auslassöffnung austritt.
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Der
entstehende Austrittsdruck, der von der Membranpumpe erzeugt wird,
schwankt zwischen Null und irgendeinem gewünschten Pegel und ist nicht
gleichmäßig. Die
Membran einer Membranpumpe ist am Pumpengehäuse entlang einer Umfangskante
befestigt und ist an einem Betätigungskolben
mittels eines Loches befestigt, das sich in einem Mittelabschnitt
des Membrankörpers
befindet. Dieses Loch fungiert als zusätzlicher Leckagepfad, zusätzlich zu
demjenigen, der bereits an der Umfangsabdichtung vorhanden ist,
und auf diesen kann das Prozessfluid hinter die Membran und in das
Innenleben der Pumpe wandern, wo es mit partikelförmigen oder
anderen Verunreinigungen in Kontakt kommen kann. Fluid, das aus
dem Gehäuse über den
Leckagepfad zurückfließt, kann
dadurch das übrige
Prozessfluid verunreinigen.
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Weiter
ist bekannt, dass die Hubbewegung der Membran große Belastungen
sowohl auf nicht abgestützte
Zonen der Membran als auch auf den Befestigungspunkt an der Kammer
aufbringt, was bewirkt, dass die Membran nach einer relativ kurzen Betriebslebensdauer durch
Brechen oder Kollabieren schließlich
versagt. Ein Versagen der Membran bewirkt nicht nur eine Beendigung
der Förderung
des Prozessfluids, sondern bringt das Prozessfluid auch in Kontakt
mit Metalloberflächen
und Metallpartikeln von zur Bewegung der Membran verwendeten Teilen,
z. B. der Kolbenstange, des Kolbenlagers und dergleichen, wodurch
der Hochreinheitsprozess verunreinigt wird und möglicherweise das Endprodukt verunreinigt
wird.
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Faltenbalgpumpen
beruhen auf der Hubbewegung eines kolbenförmigen Faltenbalges im Inneren
einer geschlossenen Kammer, um sowohl Prozessfluid in eine Druckkammer
aufzunehmen als auch dieses unter Druck auszustoßen. Der Balg kann aus einem
chemisch inerten Material ausgebildet sein und ist entlang einer
in Umfangsrichtung verlaufenden Schürze an der Kammerwand befestigt.
Der Vorteil eines Faltenbalg-Druckbeaufschlagungselementes
gegenüber
einer Membran besteht theoretisch darin, dass der Balg während der
Hubbewegung nicht in gleichem Maße wie die Membran belastet
wird. Vielmehr bewegt sich der Balg im Inneren der Kammer durch
Ausdehnen und Zusammenziehen seiner ziehharmonikaartigen zylindrischen Wand.
Jedoch verfügt
die Faltenbalgpumpe, ähnlich wie
die Membranpumpe, nicht über
einen relativ gleichmäßigen oder
konstanten Austragsdruck.
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Es
ist ebenfalls bekannt, dass die ziehharmonikaartige zylindrische
Wand des Faltenbalges, bedingt durch Unregelmäßigkeiten bei der Wanddicke,
deren Entstehung beim Faltenbalg-Fertigungsprozess
inhärent
ist, zu Ermüdung
und Versagen neigt. Derartige Unregelmäßigkeiten der Wanddicke bewirken,
dass sich der dünnste
Abschnitt der ziehharmonikaartigen zylindrischen Wand im Verlauf
der Hubbewegung am meisten biegt, und schließlich durch einen Ermüdungsbruch
versagt, wodurch die Betriebslebensdauer der Pumpe eingeschränkt wird.
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Um
für eine
ziehharmonikaartige Ausdehnungs- und Zusammenziehbewegung zu sorgen
und ein Kollabieren der zylindrischen Wand zu verhindern, kann der
Faltenbalg an der Innenwandfläche durch
aus Metall bestehende Wicklungen abgestützt werden. Die aus Metall
bestehenden Wicklungen verhindern, dass die Zylinderwand während der
Hubbewegung kollabiert. Jedoch kommt bei Versagen der ziehharmonikaartigen
zylindrischen Wand das Prozessfluid mit den metallischen Wicklungen
in Kontakt, wodurch der Prozess verunreinigt wird.
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Beispiele
für Pumpen
des Standes der Technik vom zuvor beschriebenen Typ sind in US-A-5
063 770, US-A-2 711 134, US-A-4 773 035 und EP-A-0 625 639 offenbart.
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Es
wird angestrebt, eine Pumpe zu entwerfen, die zu einer Druckbeaufschlagung
eines hochreinen Prozessfluids sowohl hoher Temperatur als auch niedriger
Temperatur in der Lage ist, ohne dass die Möglichkeit einer Fluidverunreinigung
besteht. Es wird angestrebt, dass die Pumpe in einer Weise gestaltet
ist, welche sowohl die Möglichkeit
einer internen Leckage minimiert als auch in der Lage ist, eine interne
Leckage anzuzeigen.
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Es
wird ebenfalls angestrebt, dass ein Pumpensystem aus einer Mehrzahl
derartiger Pumpen aufgebaut ist und es in der Lage ist, einen relativ
konstanten Gesamtaustragsdruck zu liefern und fehlertolerant ist,
d. h. zu einer Anpassung des Systembetriebs in der Lage ist, um
einen relativ konstanten Austragsdruck aufrechtzuerhalten, wenn
eine interne Pumpenleckage erfasst wird.
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Inhalt der
Erfindung
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Gemäß der Erfindung
wird eine Pumpe zur Druckbeaufschlagung eines Prozessfluids bereitgestellt,
welche aufweist: ein Gehäuse
mit einem ringförmigen
Durchgang, der sich durch dieses hindurch zwischen entgegengesetzten
offenen Enden erstreckt; einen im ringförmigen Durchgang angeordneten
Kolben; eine Kolbenstopfbuchse, die im Inneren der ringförmigen Kammer
an jedem offenen Ende angeordnet ist, um für eine Führung der gleitenden Verschiebung
des Kolbens durch diese zu sorgen; eine Druckbeaufschlagungskammerbaugruppe,
welche an jedem Gehäuseende
angeordnet ist und gegenüber
den restlichen Gehäuseabschnitten
abgedichtet ist, wobei jede Druckbeaufschlagungskammerbaugruppe
aufweist: einen Kammerkopf, der an einem jeweiligen Gehäuseende
angebracht ist, wobei der Kammerkopf angepasst ist, um ein Prozessfluid
nacheinander aufzunehmen und auszustoßen; und ein Druckbeaufschlagungselement,
das innerhalb des Kammerkopfes angeordnet ist und mit einem Ende
des Kolbens verbunden ist, wobei das Druckbeaufschlagungselement
und die Innenfläche eines
jeweiligen Kammerkopfes eine Druckbeaufschlagungskammer zwischen
sich bilden und das Druckbeaufschlagungselement einen einstückigen zylindrischen
Aufbau hat, der aus einem Fluorpolymermaterial besteht, und einen
massiven Nasenabschnitt und eine sich in axialer Richtung von diesem erstreckende
Schürze
beinhaltet, und die Schürze ein
mit einem Flansch versehenes Ende aufweist, das zwischen dem Kammerkopf
und dem Gehäuseende
angeordnet ist, um eine luft- und flüssigkeitsdichte Abdichtung
zwischen diesen zu bilden, wobei die Schürze einen dünnwandigen Aufbau hat, der
auf sich selbst abrollt, um eine Hin- und Herbewegung (Hubbewegung)
des Druckbeaufschlagungselementes im Inneren des Kammerkopfes zu
ermöglichen; und
Einrichtungen zur Betätigung
des Kolbens, um eine gleitende Hubverschiebungsbewegung des Kolbens
im Inneren des Durchgangs zu erzeugen, wobei eine gleitende Verschiebung
des Kolbens in der einen Richtung gleichzeitig einen Fluideintrag
in eine Druckbeaufschlagungskammer und einen Fluidaustrag aus der
anderen Druckbeaufschlagungskammer bewirkt.
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Ein
Pumpensystem, das gemäß den Prinzipien
der Erfindung aufgebaut ist, kann eine Anzahl von Pumpen beinhalten,
die mittels einer Steuereinrichtung betrieben werden. Die im System
vorhandenen Pumpen können
betätigt
werden, um einen relativ konstanten Gesamtaustragsdruck zu erzeugen. Das
System beinhaltet Einrichtungen zum Erfassen einer Leckage aus irgendeiner
der Pumpen, und ist fehlertolerant, dadurch dass der Betrieb des
Systems ohne Unterbrechung fortgesetzt werden kann, während der
Betrieb einer Pumpe abgeschaltet wird, bei der ein Leck oder irgendeine
andere Fehlfunktion auftritt.
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Beschreibung
der Zeichnungen
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Dieses
und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen nachfolgend
unter Bezugnahme auf die Beschreibung, die Patentansprüche und
die Zeichnungen klar hervor, welche zeigen:
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1 einen
Längsquerschnitt
einer gemäß den Prinzipien
der Erfindung aufgebauten Hubkolbenpumpe;
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2 einen
vergrößerter Längsquerschnitt der
Hubkolbenpumpe von 1; und
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3 eine
schematische Ansicht eines gemäß den Prinzipien
dieser Erfindung aufgebauten Pumpensystems, welches eine Steuereinrichtung und
eine Anzahl von Hubkolbenpumpen beinhaltet.
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Detaillierte
Beschreibung
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Die
Erfindung betrifft Hubkolbenpumpen, die zum Fördern von Prozessfluiden eingesetzt
werden können,
und betrifft insbesondere Pumpen, die zum Fördern von hochreinen Prozessfluiden
eingesetzt werden können,
beispielsweise solchen, die in der Halbleiter fertigenden Industrie
verwendet werden. Die Pumpen beinhalten interne Nasszonenelemente, die
aus chemisch inerten Materialien bestehen, welche gegenüber korrosiven
und ätzenden
Prozessfluiden beständig
sind und die nicht aus Metall bestehen. Bei den Pumpen handelt es
sich um solche vom Hubkolbentyp, welche einander symmetrisch gegenüberliegende
Druckkammern aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Pumpe in Übereinstimmung
mit der Erfindung ein Paar von gegenüberliegenden Hubkolben-Druckkammern auf, die
in zueinander entgegengesetzter Abfolge pneumatisch so betätigt werden,
dass zu irgendeinem beliebigen gegebenen Moment die eine Druckkammer das
Prozessfluid gerade druckbeaufschlagt und das andere das Prozessfluid
ansaugt. Ein gemäß den Prinzipien
der Erfindung aufgebautes Pumpensystem weist eine Anzahl derartiger
Pumpen auf, die jeweils mit unterschiedlichen Abfolgeintervallen
betätigt
werden, so dass der kombinierte Gesamtaustragsdruck der Pumpen relativ
konstant ist.
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Bezug
nehmend auf 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform
einer Pumpe 10 dargestellt, welche gemäß den Prinzipien der Erfindung
aufgebaut ist. Die Pumpe 10 beinhaltet ein Gehäuse 12, Kammerköpfe 14 und 16,
die sich an entgegengesetzten Enden des Gehäuses 12 befinden,
Druckbeaufschlagungselemente 18 und 20, die innerhalb
eines jeden jeweiligen Kammerkopfes 14 und 16 angeordnet
sind, und einen Betätigungskolben 22,
der innerhalb des Gehäuses
angeordnet ist und an entgegengesetzten Enden mit den Druckbeaufschlagungselementen 18 und 20 verbunden
ist. Allgemein gesagt, ist die Pumpe 10 entlang einer sich
durch den Mittelpunkt des Gehäuses 12 erstreckenden
Linie 23 symmetrisch aufgebaut.
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Das
Gehäuse 12 hat
im Wesentlichen zylindrische Form, mit einem ringförmigen Durchgang 24, der
sich durch dieses hindurch von einem ersten offenen Ende 26 zu
einem gegenüberliegenden
zweiten offenen Enden 28 erstreckt. Das Gehäuse kann aus
einem beliebigen Typ eines einen strukturell steifen Aufbau aufweisenden
Materials aufgebaut sein, beispielsweise aus einem Kunststoff, einem
Polymermaterial, Verbundmaterialien, einem Metall und Metalllegierungen,
und dergleichen. Bei einem Betrieb bei niedriger Temperatur, z.
B. unterhalb 40°C,
kann das Gehäuse
aus einem gegossenen oder Span abhebend bearbeiteten Polymermaterial
bestehen, beispielsweise Polypropylen oder dergleichen. Jedoch wird
bei einem Betrieb bei hoher Temperatur oberhalb ca. 40°C angestrebt,
dass das Gehäuse
aus einem Metall oder einer Metalllegierung besteht, beispielsweise
rostfreiem Stahl oder dergleichen, um jegliche temperaturbedingte
strukturelle Schwäche oder
Verformung zu vermeiden.
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Betrachtet
man in 1 die Zeichnung von rechts nach links, hat der
ringförmige
Durchgang 24 benachbart zum ersten offenen Ende 26 einen
ersten Durchmesserabschnitt 30, der sich in axialer Richtung
in den Durchgang 24 um ein Stück weit von ersten Ende 26 aus
hinein erstreckt, um eine erste Kolbenstopfbuchse 32 aufzunehmen.
Fährt man
mit der Betrachtung in axialer Richtung ausgehend vom ersten Durchmesserabschnitt 30 fort,
beinhaltet der ringförmige
Durchgang 24 einen Abschnitt 34 von kleinerem
Durchmesser, der sich in axialer Richtung bis über die Mitte des Durchgangs 24 bis
zu einem einen zweiten Durchmesser aufweisenden Abschnitt 36 erstreckt,
der sich bis zum zweiten offenen Ende 28 verläuft. Ähnlich wie
der den ersten Durchmesser aufweisende Abschnitt 30 hat
der den zweiten Durchmesser aufweisende Abschnitt 36 eine
solche Größe, dass
in ihm eine zweite Kolbenstopfbuchse 38 untergebracht werden
kann. Wie später
noch detaillierter erläutert
wird, haben die den ersten und den zweiten Durchmesser aufweisende
Abschnitte eine solche Größe, dass
ihr Durchmesser größer ist
als der des einen kleineren Durchmesser aufweisenden Abschnittes 37,
um die maximale Bewegung in axialer Richtung nach innen der ersten
und der zweiten Kolbenstopfbuchse 32 bzw. 38 im
Inneren des ringförmigen
Durchgangs dadurch zu begrenzen, dass sie gegen die Axialkanten
des einen kleineren Durchmesser aufweisenden Abschnittes anliegend
angeordnet werden.
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Die
den ersten und den zweiten Durchmesser aufweisenden Abschnitte 30 und 36 beinhalten jeweils
mindestens eine Leckageöffnung 40 bzw. 42, die
sich durch die Gehäusewandung
hindurch erstreckt. Der einen kleineren Durchmesser aufweisende
Abschnitt 34 beinhaltet zwei Lufteinlassöffnungen 34 und 46,
die sich durch die Gehäusewand
hindurch erstrecken und jeweils benachbart des ersten und des zweiten
Durchmesserabschnittes 30 bzw. 36 des Durchganges
angeordnet sind. In einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet der ringförmige Durchgang 24 ebenfalls
eine Kolbenanzeigeöffnung 48,
die sich an einer Mittelposition des Gehäuses durch die Gehäusewand
hindurch erstreckt. Die Kolbenanzeigeöffnung 48 ist angepasst,
um einen (nicht dargestellten) Sensor aufzunehmen, um die Position
des Betätigungskolbens 22 im
Inneren des ringförmigen Durchgangs
zu überwachen
und die Hubbetätigung des
Kolbens zu steuern. Der Kolben 22 beinhaltet eine Anordnungsüberwachungseinrichtung 49 in Form
eines schwarzen Perfluoralkoxy-Fluorcarbonharz-Schrumpfrohres,
das um den Kolben herum angeordnet ist. Die schwarze Oberfläche des
Kolbens wird durch einen in der Anzeigeöffnung 48 angebrachten
Sensor erfasst, um eine Anzeige der Position des Kolbens im Gehäuse zu liefern.
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Der
Betätigungskolben 22 ist
innerhalb des vergrößerten Durchmesserabschnittes 34 des
ringförmigen
Durchgangs angeordnet und ist symmetrisch aufgebaut, wobei er, von
links nach rechts in 1, einen ersten Durchmesserabschnitt 50,
der sich in axialer Richtung um eine Strecke von einem ersten Kolbenende 52 aus
erstreckt, und einen zweiten Durchmesserabschnitt 54 aufweist,
der sich in axialer Richtung um eine Strecke vom ersten Durchmesserabschnitt 50 aus
erstreckt. Der Betätigungskolben 22 hat
im Wesentlichen zylindrische Form und kann aus einem beliebigen
Typ eines strukturell steifen Materials aufgebaut sein, beispielsweise
aus den zuvor für
das Gehäuse
beschriebenen Materialien, und zusätzlich Fluorpolymerverbindungen,
die aus der Gruppe gewählt
sind, welche besteht aus Tetrafluorethylen (TFE), Polytetrafluorethylen
(PTFE), fluoriertem Ethylen-Propylen (FEP), Perfluoralkoxy-Fluorcarbonharz
(PFA), Polychlortrifluorethylen (PCTFE), einem Ethylen-Chlortrifluorethylen-Copolymer
(ECTFE), einem Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer (ETFE), Polyvinylidenfluorid
(PVDF), Polyvinylfluorid (PVF) und dergleichen. In einer bevorzugten
Ausführungsform
besteht der Kolben aus einem nicht-metallischen Material, vorzugsweise
Polypropylen, um eine mögliche
Verunreinigung des Prozessfluids durch das Einbringen von Metallpartikeln zu
vermeiden.
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Der
erste Durchmesserabschnitt 50 ist so konfiguriert, dass
ein Druckbeaufschlagungselementstopfen 56 aufgenommen werden
kann, an dem das Druckbeaufschlagungselement 18 befestigt
ist. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist der erste Durchmesserabschnitt 50 mit einem Gewinde
versehen, um eine Schraubverbindung mit dem Stopfen 56 zu
ermöglichen.
Der zweite Durchmesserabschnitt 54 hat einen Durchmesser,
der größer ist
als der des ersten Durchmesserabschnitts 50 und dessen
Größe derart
ist, dass sie eine axiale Verschiebung innerhalb eines Durchgangs 58 ermöglicht,
der sich durch die erste Kolbenstopfbuchse 32 hindurch
erstreckt.
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Der
Kolben 22 beinhaltet einen vergrößerten Durchmesserabschnitt 60,
der sich ausgehend vom zweiten Durchmesserabschnitt 54 in
axialer Richtung erstreckt und einen zentralen Abschnitt des Kolbens definiert.
Der Kolben 50 ist um einen Mittelpunkt symmetrisch aufgebaut,
der in Durchmesserrichtung über
die vergrößerten Durchmesserabschnitte
verläuft.
Somit weist der linke Abschnitt des Kolbens dritte und vierte Durchmesserabschnitte 62 und 64 auf, die
sich ausgehend vom vergrößerten Durchmesserabschnitt
bis zu einem zweiten Kolbenende 66 erstrecken. Größe und Konfiguration
der dritten und vierten Durchmesserabschnitte sind identisch zu
denen der zweiten und ersten Kolbendurchmesserabschnitte 54 bzw. 50.
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Der
vergrößerte Durchmesserabschnitt 60 hat
einen größeren Durchmesser
als der zweite und dritte Durchmesserabschnitt 54 und 62 und
beinhaltet mindestens einen Dichtungsflansch 68, der sich
in Umfangsrichtung um diesen herum erstreckt. Der Dichtungflansch 68 beinhaltet
eine in diesem radial verlaufende Nut 70 und hat einen
Durchmesser, welcher geringfügig
kleiner als der Durchmesser des vergrößerten Durchmesserabschnittes 34 des
ringförmigen
Durchgangs 24 ist. In einer bevorzugten Ausführungsform
wird eine Doppelabdichtungsanordnung mit der Nut 70 verwendet,
um für
eine luftdichte Abdichtung zwischen dem ringförmigen Durchgang 24 und
dem Kolben 22 zu sorgen. Die Doppelabdichtungsanordnung
beinhaltet eine im Inneren der Nut 70 angeordnete O-Ring-Dichtung 71 und
eine Ringdichtung 72, die in der Nut 70 oberhalb der
O-Ring-Dichtung angeordnet ist. Die O-Ring-Dichtung 71 wird
als Kraftquelle verwendet, um die Ringdichtung 72 in Kontakt
gegen die benachbarte Wandung des ringförmigen Durchgangs 24 zu drücken. Es
versteht sich, dass alternativ eine einfache Abdichtungsanordnung
verwendet werden kann.
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Die
Abdichtung kann aus bekannten Dichtungsmaterialien wie beispielsweise
Elastomermaterialien und dergleichen bestehen. In einer bevorzugten
Ausführungsform
besteht die O-Ring-Dichtung 71 aus Fluorelastomeren wie
beispielsweise Viton für
einen Betrieb bei niedriger Temperatur, oder Kalrez für einen
Betrieb bei hoher Temperatur, welche beide über DuPont in Wilmington Delaware
bezogen werden können.
Ein bevorzugtes Material für
die Ringdichtung 72 ist gefülltes PTFE.
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Falls
der Kolben lediglich einen einzigen Dichtungsflansch 68 aufweist,
befindet sich die Axialposition des Dichtungsflansches in der Mitte
des vergrößerten Durchmesserabschnittes 60.
Falls zwei Dichtungsflansche verwendet werden, befindet sich jeder
benachbart zu den entgegengesetzten axialen Enden des vergrößerten Durchmesserabschnittes 60 des
Kolbens. In einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet der Kolben 22 zwei
Dichtungsflansche 68. Ein Kolbenaufbau mit einem doppelten
Dichtungsflansch wird angestrebt, da er sowohl eine Kolbenmittellinienabtastung
ermöglicht
als auch für
eine druckfreie Zone für
die Kolbenanzeigeeinrichtungsöffnung 48 und
den Kolbensensor sorgt.
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Die
erste und die zweite Kolbenstopfbuchse 32 und 38 haben
jeweils identische Größe und Aufbau,
und daher versteht es sich, dass sich die folgende Beschreibung
gleichermaßen
auf beide bezieht. Die Kolbenstopfbuchsen sind aus einem geeigneten strukturell
steifen Material ausgebildet, beispielsweise solchen, die zuvor
für das
Gehäuse
und den Kolben beschrieben wurden. Bei Anwendungen mit niedriger
Temperatur von weniger als ca. 40°C
können
die Kolbenstopfbuchsen aus nicht-metallischen Materialien bestehen,
und sie bestehen vorzugsweise aus PTFE. Bei Anwendungen mit hoher
Temperatur von oberhalb ca. 40°C
bestehen die Kolbenstopfbuchsen vorzugsweise aus einem Metall oder
einer Metalllegierung, beispielsweise rostfreiem Stahl oder dergleichen.
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Jede
Kolbenstopfbuchse 32 und 38 hat zylindrischen
Aufbau und ihre Axialposition liegt jeweils innerhalb des ersten
und des zweiten Durchmesserabschnittes 30 bzw. 36 des
Gehäusedurchgangs 24. Die
Kolbenstopfbuchsen 32 und 38 haben jeweils einen
Außendurchmesser,
welcher sowohl geringfügig kleiner
als derjenige des ersten und zweiten Durchmesserabschnittes 30 bzw. 36 ist,
um ein gleitend verschiebliches Einsetzen in diesen zu ermöglichen, als
auch geringfügig
größer als
die einen kleineren Durchmesserabschnitte 34 des Durchgangs 24 ist, um
eine axiale Verschiebung in den einen kleineren Durchmesser aufweisenden
Abschnitt des Durchgangs zu begrenzen. Die Kolbenstopfbuchsen haben jeweils
eine Axiallänge,
die zur Länge
der jeweiligen ersten und zweiten Durchmesserabschnitte des Gehäusedurchgangs ähnlich ist,
so dass die offenen Enden 74 einer jeden Kolbenstopfbuchse
mit dem ersten und zweiten offenen Ende 26 bzw. 28 des
Gehäuses
abschließen.
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Bezug
nehmend auf 2, die zusätzlich zu 1 lediglich
die rechte Seite der Pumpe 10 darstellt, beinhalten die
Kolbenstopfbuchsen jeweils eine ringförmige Stopfenkammer 76,
die sich in Axialrichtung innerhalb jeder Stopfbuchse von ihrem
offenen Ende 74 zu einer Stopfbuchsenschulter 78 erstreckt,
die jede Stopfbuchsenöffnung 58 umschließt. Die
Stopfenkammer 76 hat zylindrische Form und eine solche
Größe, dass
sich ein jeweiliger Druckbeaufschlagungselementstopfen 56 und 57 einsetzen lässt. Jede
Stopfenkammer 76 beinhaltet eine oder mehrere Leckageöffnungen 80,
die sich durch eine jeweilige Stopfbuchsenwandung hindurch erstrecken.
Ein Leckagekanal 81 ist in Umfangsrichtung um die Außenfläche einer
jeden Stopfbuchse angeordnet und steht in Verbindung mit jeder Leckageöffnung 80.
Der Leckagekanal einer jeden Stopfbuchse hat eine solche Größe und Position,
dass er mit den jeweiligen Leckageöffnungen 40 und 42 in
Verbindung steht, die sich durch die Gehäusewand hindurch erstrecken,
um einen Durchtritt von Fluid durch das Gehäuse aus der jeweiligen Stopfenkammer 78 zu
ermöglichen.
Die Außenwandfläche einer
jeden Kolbenstopfbuchse 32 und 38 beinhaltet eine
Anzahl von Nuten 82, die sich jeweils in Umfangsrichtung
um diese herum erstrecken und die jeweils konfiguriert sind, um
eine ringförmige
Dichtung 84 aufzunehmen, welche für eine flüssigkeits- und luftdichte Abdichtung
zwischen dem Gehäusedurchgang 24 und
jeder Kolbenstopfbuchse 32 und 38 sorgt. Die Dichtungen 84 sind
vorzugsweise aus einem chemisch beständigen Elastomermaterial aufgebaut,
wie beispielsweise Viton, Kalrez und dergleichen. In einer bevorzugten Ausführungsform
haben die Dichtungen die Form eines aus Viton ausgebildeten O-Rings.
Alternativ kann jede Kolbenstopfbuchsendichtung durch eine doppelte
Abdichtungsanordnung vorgesehen sein, ähnlich wie die, welche zuvor
für den
Kolbendichtungsflansch 68 beschrieben wurde.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
beinhaltet jede Kolbenstopfbuchse drei Nuten 82 und jeweilige
ringförmige
Dichtungen 84. Eine erste Umfangsnut befindet sich benachbart
zu jedem offenen Ende 74 der Stopfbuchse, eine zweite Nut
ist benachbart zu einer Seite des Leckagekanals 81 positioniert
und eine dritte Nut ist benachbart zu einer gegenüberliegenden
Seite des Leckagekanals 81 positioniert. Eine solche Anordnung
der Nuten 82 und der Dichtungen 84 an jedem axialen
Ende des Leckagekanals in jeder Stopfbuchse dient dazu, jegliches
in Richtung der ersten und zweiten Durchmesserabschnitte des Gehäuses ausfließende Prozessfluid
zurückzuhalten
und vom Leckagekanal 81 zu den Leckageöffnungen 40 und 42 zu
lenken, und dadurch zu verhindern, dass es zu anderen Gehäuseteilen wandert.
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Insbesondere
Bezug nehmend auf 2 weist die durch die Stopfbuchsenschulter 78 hindurch
verlaufende Stopfbuchsenöffnung 58 einer
jeden Kolbenstopfbuchse 32 und 38 vorzugsweise eine
Dichtungsnut 86 auf, die in Umfangsrichtung um diese und
benachbart zur Stopfenkammer 76 angeordnet ist und in der
sich eine Kolbendichtung 88 befindet. Ein Laufbuchsenkanal 90 ist
weiter in Umfangsrichtung um jede Öffnung 58 und benachbart zur
Dichtungsnut 86 angeordnet, und eine Kolbenlaufbuchse ist
in diesem angeordnet. Jede Kolbendichtung 88 besteht aus
demselben Material wie zuvor zur Ausbildung der Stopfbuchsendichtungen 84 beschrieben.
Die Kolbenlaufbuchse 92 kann aus allgemein bekannten Lagerungsmaterialien
ausgebildet sein, beispielsweise Elastomermaterialien, die mit Reibung
und Verschleiß verringernden
Mitteln durchtränkt
sind. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist jede Kolbenlaufbuchse 92 aus gefülltem PTFE ausgebildet.
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Die
Dichtungsnut 86 und die Kolbendichtung 88 sind
gestaltet, um eine Flüssigkeits-
und luftdichte Abdichtung zwischen jeder Kolbenstopfbuchse 32 und 38 und
jedem jeweiligen zweiten und dritten Durchmesserabschnitt 54 und 62 des
Kolbens innerhalb der Kolbenlaufbuchsen bereitzustellen. Jede Kolbenlaufbuchse 92 ist
gestaltet, um eine radiale Bewegung eines jeden zweiten und dritten
Kolbendurchmesserabschnittes 54 und 92 innerhalb
der Kolbenstopfbuchsen zu minimieren, wodurch eine genaue Zentrierung
des Kolbens optimiert wird und ein mögliches Festklemmen des Kolbens
im Gehäusedurchgang
beseitigt wird.
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Der
Betätigungskolben 22 ist
im Gehäusedurchgang
zwischen den ersten und zweiten Kolbenstopfbuchsen 32 und 38 angeordnet,
so dass sich die zweiten und dritten Durchmesserabschnitte 54 und 62 des
Kolbens durch jeweilige Stopfbuchsenöffnungen 38 hindurch
erstrecken und so dass die ersten und vierten Durchmesserabschnitte 50 und 64 des Kolbens
sich in die jeweiligen Stopfenkammern 76 hinein erstrecken.
Jeder erste und vierte Durchmesserabschnitt 50 und 64 des
Kolbens ist an jeweiligen Druckbeaufschlagungselementstopfen 56 und 57 angebracht.
Die Stopfen können
aus den gleichen Materialien aufgebaut sein wie zuvor für den Kolben
beschrieben und sie haben eine zylindrische Konfiguration und einen
Durchmesser, der kleiner ist als derjenige, der jeweiligen Stopfenkammer,
um ein Einsetzen in diese zu erleichtern.
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Zur
Befestigung am Kolben weist jeder Stopfen 56 und 57 eine
Gewindebohrung 93 an jedem Ende auf. Jeder Stopfen weist
eine Außengewindeverbindung 94 an
seinem gegenüberliegenden
Ende auf, um eine Befestigung an jeweiligen Druckbeaufschlagungselementen 18 und 20 zu
erleichtern. Wie später
noch detaillierter beschrieben wird, sind die Stopfen gestaltet,
um die Seitenwandabschnitte des Druckbeaufschlagungselementes während der
Hubbewegung abzustützen.
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Nachfolgend
sei zusätzlich
zu 2 erneut Bezug genommen auf 1,
in welcher Druckbeaufschlagungselemente 18 und 20 die
Form von Rollmembranen haben und jeweils eine im Wesentlichen zylindrische
Konfiguration haben und aus chemisch inerten, nicht-metallischen Materialien
ausgebildet sind, beispielsweise solchen wie zuvor für den Kolben 22 beschrieben.
In einer bevorzugten Ausführungsform
haben die Druckbeaufschlagungselemente einen einstückigen Aufbau,
der aus einem massiven Block aus PTFE besteht. Jedes Druckbeaufschlagungselement
beinhaltet eine Gewindebohrungsverbindung 98, um das Außengewindeverbindungsstück 94 eines
jeweiligen Stopfens aufzunehmen. Jedes Druckbeaufschlagungselement
hat einen im Wesentlichen massiven Nasenabschnitt 100, welcher
der Gewindebohrungsverbindung 98 gegenüberliegt, und der ausgehend
von der Spitze 101 der Nase eine Länge von ca. der Hälfte der
Axiallänge hat.
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Dadurch,
dass jedes Druckbeaufschlagungselement mit einem einstückigen Aufbau
ausgebildet ist, welches den massiven Nasenabschnitt und eine am
anderen Ende des Elementes ausgebildete Bohrung zur Befestigung
eines jeweiligen Stopfens beinhaltet, wird vermieden, dass zur Erleichterung der
Befestigung am Kolben ein Loch durch das Element hindurch ausgebildet
werden muss, wodurch die Entstehung eines mögliche Leckagepfades und einer
Quelle eines Pumpendefektes vermieden wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist der Nasenabschnitt 100 eine sich konisch verjüngende Außenfläche 102 auf,
deren Durchmesser mit zunehmender axialer Entfernung von seiner
Spitze 101 zunimmt. Falls gewünscht, kann der Nasenabschnitt in
unterschiedlicher Weise ausgebildet sein, z. B. so, dass er eine
Außenfläche von
konstantem Durchmesser aufweist. Eine sich konisch verjüngende Außenfläche wird
bevorzugt, wenn er mit einer sich gleichermaßen verjüngenden konischen Druckbeaufschlagungskammer
verwendet wird, um den Strömungsgeschwindigkeitseffekt
des Prozessfluids zu maximieren, das in jeder Druckbeaufschlagungskammer 118 durch
das Druckbeaufschlagungselement unter Druck gesetzt wird.
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Jedes
Druckbeaufschlagungselement 18 und 20 beinhaltet
eine dünnwandige
Schürze 104, die
sich vom Nasenabschnitt weg erstreckt. In einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Schürze 104 eine
Außenfläche von
zunehmendem Durchmesser auf, welche zur konischen Verjüngung des
Nasenabschnittes komplementär
ist. Die Schürze
hat einen dünnwandigen
Aufbau, um zu ermöglichen,
dass sie sich während
der Hubbewegung des Druckbeaufschlagungselement-Nasenabschnittes 100 biegt
und auf sich selber abrollt, insbesondere wenn das Druckbeaufschlagungselement
in eine jeweilige Stopfenkammer zurückgezogen wird. Um einen derartigen
Abrollvorgang zu erleichtern, wird angestrebt, dass die Schürze 104 eine
Wanddicke im Bereich zwischen ca. 0,01 und 1 mm aufweist. Es versteht sich,
dass die Wanddicke der Schürze
abhängig
von der speziellen Pumpenanwendung und den Prozessfluidparametern
variieren kann. Beispielsweise kann bei Bedingungen von hoher Temperatur
oberhalb 40°C
angestrebt werden, ein Druckbeaufschlagungselement zu verwenden,
dessen Schürzenwand
dicker ist als diejenige, welche bei Bedingungen niedriger Temperatur
verwendet wird, um dazu beizutragen, dass eine unerwünschte temperaturbedingte
Erweichung und/oder Verformung vermieden wird.
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Wie
am besten aus 2 zu ersehen, beinhaltet jede
Schürze 104 einen
Flansch 108, der sich von einer Umfangskante der Schürze in radialer Richtung
nach außen
erstreckt. Der Flansch 108 hat einen Außendurchmesser, dessen Größe ungefähr dem Außendurchmesser
der jeweiligen Kolbenstopfbuchse 32 und 38 entspricht.
Eine Zunge 110 erstreckt sich in axialer Richtung weg vom
Flansch 108, und zwar in einer zum Kammerkopf weisenden
Richtung, und ist gestaltet, um eine luft- und flüssigkeitsdichte
Abdichtung mit dem Kammerkopf zu liefern. In einer bevorzugten Ausführungsform
hat die Zunge 110 einen zweistufigen Aufbau, welcher einen
sich in radialer Richtung nach außen erstreckenden ersten relativ
kurzen Stufenabschnitt 111 und einen zweiten relativ größeren gestuften
Abschnitt 113 aufweist.
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Der
Flansch 108 eines jeden Druckbeaufschlagungselementes 18 und 20 ist
zwischen den offenen Enden 74 der jeweiligen Kolbenstopfbuchsen 32 und 38 und
den Kammerköpfen 14 und 16 angeordnet.
Wie in 1 dargestellt, ist jeder Kammerkopf 14 und 16 so
konfiguriert, dass er einen kegelstumpfförmigen Abschnitt 112 aufweist,
der sich in axialer Richtung weg von einem Nasenabschnitt 114 an
dem einen Ende des Körpers
bis zu einem sich an einem entgegengesetzten Ende des Körpers befindlichen
Flansch 116 erstreckt. Der Flansch 116 erstreckt
sich in radialer Richtung nach außen vom Körper weg und begrenzt die Körperumfangskante.
Der Körper 112 beinhaltet
eine Druckbeaufschlagungskammer 118, die sich zwischen
dem Nasenabschnitt und dem Flansch 116 erstreckt. In einer
bevorzugten Ausführungsform
hat der Körper
eine sich konisch verjüngende
Form, deren Durchmesser in Richtung vom Nasenabschnitt zum Flansch
zunimmt und die zur konischen Form des Druckbeaufschlagungselementes
komplementär
ist. Jeder Kammerkopf 14 und 16 ist aus chemisch
inerten, nicht-metallischen Materialien aufgebaut, beispielsweise
solchen, die bereits zuvor zur Verwendung bei der Ausbildung der
Druckbeaufschlagungselemente beschrieben wurden. In einer bevorzugten
Ausführungsform
ist jeder Kammerkopf aus PTFE ausgebildet.
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Bezug
nehmend auf 2 beinhaltet der Flansch 116 eine
Nut 120, die sich in Umfangsrichtung entlang der nach innen
weisenden Radialkante 122 des Flansches erstreckt. Die
Nut ist konfiguriert, um die Druckbeaufschlagungselementzunge 110 aufzunehmen.
In einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Nut 120 gestuft, damit sich die ersten und zweiten
gestuften Zungenabschnitte in diese einsetzen lassen, um eine luft-
und flüssigkeitsdichte
Abdichtung zwischen diesen zu bewerkstelligen.
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Jeder
Kammerkopf 14 und 16 wird am Gehäuse 12 angebracht,
nachdem: (1) Jeder Druckbeaufschlagungsstopfen 56 und 57 an
einem jeweiligen Druckbeaufschlagungselement 18 und 20 an
dessen einem Ende angebracht wurde; (2) jeder Druckbeaufschlagungsstopfen 56 und 57 mit
seinem gegenüberliegenden
Ende an einem jeweiligen ersten und vierten Durchmesserabschnitt 50 und 54 angebracht wurde;
und nachdem (3) jede Druckbeaufschlagungselementzunge 110 in
jede Kammerkopfnut 120 eingesetzt wurde, dadurch dass der
Kammerkopfflansch 116 benachbart zu einem jeweiligen ersten und
zweiten offenen Ende 26 und 28 des Gehäuses angeordnet
wurde. Die Verwendung einer statischen Zungen- und Nutdichtung zwischen
jedem Druckbeaufschlagungselement und dem jeweiligen Kammerkopf,
um eine Abdichtung zwischen diesen zu erzeugen, ist vorteilhaft,
da die Verwendung eines dynamischen Abdichtungsmechanismus vermieden
wird, wodurch sowohl die Möglichkeit
einer Verunreinigung des Prozessfluids durch eine Entstehung von
partikelförmigen
Stoffen durch Dichtungsabrieb als auch ein möglicher Prozessfluid-Leckagepfad beseitigt wird.
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Jeder
Kammerkopf kann am Gehäuse
mittels herkömmlicher
Einrichtungen befestigt sein, beispielsweise durch eine Gewindeverbindung
zwischen diesen oder unter Verwendung einer externen Flansch- und
Bolzenverbindung. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Verbindungsmutter 124 verwendet,
um einen jeweiligen Kammerkopf am Gehäuse zu befestigen. Die Kopplungsmutter 124 beinhaltet
einen ringförmigen
Durchgang 126, der sich von einem Schulterende 128 bis
zu einem gegenüberliegenden
offenen Ende 130 durch diese hindurch erstreckt. Die Verbindungsmutter
kann aus den gleichen Materialien bestehen wie diejenigen, welche zuvor
für das
Gehäuse
beschrieben wurde. In einer bevorzugten Ausführungsform ist für einen
Betrieb bei niedriger Temperatur unterhalb ca. 40°C die Verbindungsmutter
aus Polypropylen hergestellt, und für einen Betrieb bei hoher Temperatur
oberhalb ca. 40°C
ist die Verbindungsmutter aus rostfreiem Stahl hergestellt.
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Der
Durchgang 126 benachbart zum offenen Ende 130 ist
mit einem Gewinde versehen, welches zu einem Gewinde komplementär ist, das
um die Außenfläche des
Gehäuses 12 benachbart
zu den jeweiligen ersten und zweiten offenen Enden 26 und 28 angeordnet
ist. Durch festes Anziehen der Verbindungsmutter 124 am
jeweiligen offenen Ende des Gehäuses
wird der jeweilige Kammerkopfflansch 116 zwischen dem Gehäuse und
einer Innenfläche
des Schulterendes 128 der Verbindungsmutter eingeklemmt.
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Bezug
nehmend auf 1 beinhaltet jeder Kammerkopf 14 und 16 Einrichtungen 132 zur
Aufnehmen von Fluid und Einrichtungen 134 zum Austragen
des Fluids. Die Einrichtungen zum Aufnehmen und Austragen des Fluids
können
in Form von separaten Einlass- und Auslassöffnungen vorliegen, die benachbart
dem Nasenabschnitt 114 eines jeden Kammerkopfkörpers angeordnet
sind. Bei einer derartigen Ausführungsform
ist es wünschenswert,
in jeden Einlass- und Auslass-Strömungsweg außerhalb des Kammerkopfes ein
Rückschlagventil 135 anzuordnen,
um einen unerwünschten
Rückfluss
von Fluid durch jede Öffnung
zu verhindern. In einer bevorzugten Ausführungsform weist jeder Kammerkopf eine
einzige Fluidöffnung 136 auf,
die durch den Nasenabschnitt 114 hindurch angeordnet ist.
Die einzelne Fluidöffnung 136 ist
gestaltet, um während
der Hubbewegung des Druckbeaufschlagungselementes nacheinander ein
Ansaugen von Fluid in dem Kammerkopf und ein Austragen des Fluids
aus diesem zu ermöglichen.
Alternativ kann anstelle einer einzigen Fluidöffnung jeder Kammerkopf separate Einlass-
und Auslassöffnungen
aufweisen, die durch den Nasenabschnitt hindurch angeordnet sind.
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Ein
Fluidverteilerkanal 138 befindet sich in Strömungsverbindung
mit der Fluidöffnung 136 und ist
außerhalb
eines jeden Kammerkopfes angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Fluidverteilerkanal 138 ein integrales Element
des Kammerkopfes und beinhaltet die Fluideinlassöffnung 132 und eine
separate Fluidauslassöffnung 134.
Rückschlagventile 135 sind
im Fluidströmungsweg
sowohl der Fluideinlass- als auch der -auslassöffnung 132 und 134 angeordnet,
um zu gewährleisten,
dass zum einen Fluid lediglich über
die Fluideinlassöffnung 132 in
den Verteilerkanal 138 eintritt und zum anderen Fluid lediglich über die
Fluidauslassöffnung 134 den
Verteilerkanal verlässt.
Für eine
Verwendung bei einer derartigen Anwendung geeignete Rückschlagventile
beinhalten solche, die mit einer Verwendung in einem derartigen
Prozessfluidsystem kompatibel sind, beispielsweise Rückschlagventile vom
Prallplattentyp, welche keine Metallteile beinhalten und aus chemisch
inerten Materialien ausgebildet sind.
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Jeder
Verteilerkanal 138 kann zusätzlich ein Absperrventil 144 beinhalten,
das benachbart der Kammergehäuse-Fluidöffnung 136 angeordnet
ist, um bei seiner Betätigung
ein Eintreten oder Austreten von Fluid in den Kammerkopf zu verhindern.
Das Absperrventil 144 kann durch herkömmliche Einrichtungen betätigt werden,
beispielsweise eine elektrische, hydraulische oder pneumatische
Einrichtung, und kann so konfiguriert sein, dass bei Systemausfall das
Ventil die geöffnete
Position einnimmt, oder bei Systemausfall das Ventil die geschlossene
Position einnimmt. In einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet der Verteilerkanal 138 ein
Absperrventil 144, das sowohl zwischen den Fluideinlass-
und den Auslassöffnungen 132 und 134 als
auch gegenüberliegend
zur Kammergehäuse-Fluidöffnung 136 angeordnet
ist. Das Absperrventil 144 kann von herkömmlicher
Gestaltung sein, besteht aus nicht-metallischen chemisch inerten
Materialien, wird pneumatisch betätigt, und ist so gestaltet,
dass bei Systemausfall das Ventil die geschlossene Position einnimmt.
Wie später
noch detaillierter beschrieben wird, wird mit der Verwendung des
Absperrventils beabsichtigt, den Kammerkopf vom Prozessfluid zu
isolieren, falls im Kammerkopf eine Fluidleckage erfasst wird.
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Die
Betätigung
der Pumpe 10 erfolgt durch Einströmen von Druckluft in den einen
Lufteinlass 44 oder 46 des Gehäuses und gleichzeitigem Abführen von
Luft aus dem anderen Lufteinlass des Gehäuses. Weiterhin Bezug nehmend
auf 1 verursacht Druckluft, die in den Lufteinlass 46 und
in den einen kleineren Durchmesser aufweisenden Abschnitt 34 des
Gehäusedurchgangs
einströmt,
eine Druckkraft zwischen der zweiten Kolbenstopfbuchse 38 und dem
Betätigungskolben 22,
was dafür
sorgt, dass der Kolben innerhalb des Gehäuses gleitend nach rechts verschoben
wird. Die Bewegung nach rechts des Kolbens 22 bewirkt,
dass sowohl das Druckbeaufschlagungselement 20 vom jeweiligen
Kammerkopf 16 zurückgezogen
wird als auch das Druckbeaufschlagungselement 18 in den
jeweiligen Kammerkopf 14 eingeführt wird. Der Rückzug des
Druckbeaufschlagungselementes 20 bewirkt, dass Fluid über die
jeweilige Kammergehäuse-Fluidöffnung 136 und
die Fluideinlassöffnung 132 in
den Kammerkopf 16 angesaugt wird. Das Einführen des
Druckbeaufschlagungselementes 18 bewirkt, dass das Fluid
druckbeaufschlagt wird und aus dem Kammerkopf 14 jeweils über die
Kammerfluidöffnung 136 und
die Auslassöffnung 134 ausgetragen
wird.
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Nachdem
Luft in die Lufteinlassöffnung 46 eingeströmt ist und
aus der anderen Lufteinlassöffnung
abgeströmt
ist, wird die Zuführung
von Luft und ebenfalls die Rechtsbewegung des Kolbens 22 beendet.
Das Eindringen von Druckluft in den Lufteinlass wird beendet, sobald
der gewünschte
Kolbenhubweg im Gehäuse
durch die Operation eines Sensors in der Kolbenanzeigeöffnung 48 erfasst
wird. Nachdem der Lufteinlass in den einen Lufteinlass abgeschlossen
ist, wird Luft in den anderen Lufteinlass eingebracht, bis wiederum
der gewünschte
Kolbenhubweg erfasst wird. Druckluft wird nun nacheinander durch den
jeweiligen Lufteinlass eingebracht, was eine Hubbewegung des Kolbens
vorwärts
und rückwärts im Inneren
des Gehäuses
bewirkt, und weiter bewirkt, dass die Druckbeaufschlagungselemente 18 und 20 nacheinander
einen Austrag von unter Druck gesetztem Fluid erzeugen. Die Pumpe
ist für
eine Betätigung
unter Verwendung eines Luftversorgungsdruckes zwischen ca. 30–150 psig
ausgelegt.
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Es
wird eine solche Gestaltung der Pumpe angestrebt, dass die Größe des Luftdrucks,
welche benötigt
wird, um den Kolben in einer jeweiligen Richtung zu bewegen, geringer
ist als die gewünschte Größe des von
jedem Druckbeaufschlagungselement zu erzeugenden Austragsdrucks,
d. h. es wird angestrebt, dass das Verhältnis von Austragsdruck zu
Betätigungsdruck
positiv ist. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das gewünschte positive
Verhältnis
erzielt, indem die Größe des Abschnittes
des Kolbens, der sich in Kontakt mit der Druckluft befindet, so
gewählt
wird, dass seine Oberfläche
größer ist
als die des Druckbeaufschlagungselementes.
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Die
Pumpe kann in Verbindung mit einem Leckageerfassungssystem oder
eine -vorrichtung verwendet werden, um zu überwachen, ob bedingt durch
ein Versagen des Druckbeaufschlagungselementes Prozessfluid hinter
das Druckbeaufschlagungselement gewandert ist. In einer beispielhaften Ausführungsform
kann das Leckageerfassungssystem Sensoren beinhalten, die geeignet
sind, an den durch das Gehäuse
hindurchgehenden Leckageöffnungen 40 und 42 angebracht
zu werden und in der Lage sind, ein geeignetes Sensorsignal an eine
Steuereinrichtung weiterzuleiten. Alternativ kann eine Verrohrung
von den Leckageöffnungen
zu einer zentralen Leckageerfassungsvorrichtung verlegt sein, um
den Transport der Leckageflüssigkeit
zu der Vorrichtung, bei der sie erfasst werden kann, zu erleichtern.
Wie nachstehend noch detaillierter beschrieben wird, wird bei einer
bevorzugten Ausführungsform das
Leckageerfassungssystem in Verbindung mit einem Pumpensystem verwendet,
um den Betrieb des Systems zu überwachen.
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Ein
Zyklussensor oder dergleichen kann mit der Kolbenanzeigeöffnung 48 verbunden
sein, um eine Einrichtung zur Überwachung
der Zyklen des Betätigungskolbens 22 bereitzustellen.
Wie später noch
detaillierter erläutert
wird, wird ein derartiger Zyklussensor in Verbindung mit einer Steuereinrichtung verwendet,
um die Leistung einer jeden in einem Pumpensystem verwendeten Pumpe
zu überwachen.
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Pumpen,
die gemäß den Prinzipien
dieser Erfindung aufgebaut sind, können mit Fluiden bei einer
niedrigen Temperatur, z. B. unterhalb ca. 40°C betrieben werden, oder mit
Fluiden hoher Temperatur z. B. oberhalb ca. 40°C und bei einer Maximaltemperatur
von ca. 200°C.
Wie zuvor erwähnt,
liegt der Hauptunterschied zwischen den Ausführungsformen für niedrige
und hohe Temperatur der Pumpe in den Konstruktionsmaterialien, die
für das
Gehäuse
und die Verbindungsmuttern verwendet werden. Die Pumpenkapazität hängt von
der Größe eines
jeden Kammerkopfes und der Zyklusgeschwindigkeit des Kolbens ab
und kann in Abhängigkeit
vom speziellen Einsatz der Pumpe variieren. In einer bevorzugten Ausführungsform
hat die Pumpe eine Kapazität
von ca. 10 bis 80 Liter pro Minute. Der Pumpenaustragsdruck kann
in Abhängigkeit
von der Temperatur des Prozessfluids angepasst werden, und kann
bis zu 130 psig betragen. Es versteht sich, dass, um einer Erweichung
der Druckbeaufschlagungselemente Rechnung zu tragen, angestrebt
werden kann, den Austragsdruck der Pumpe mit zunehmender Prozessfluidtemperatur
zu verringern, um eine Beschädigung
der Druckbeaufschlagungselemente zu verhindern. Der Austragsdruck
der Pumpe wird angepasst, indem der Druck der in die Lufteinlassöffnungen
eingebrachten Luft verringert oder erhöht wird. Es wird auch angestrebt,
dass eine vergrößerte Wanddicke
der Druckbeaufschlagungselementschürze zur Anwendung kommt, wenn
bei Hochtemperaturanwendungen große Austragsdrücke angestrebt
werden.
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Ein
Pumpensystem, das gemäß den Prinzipien
dieser Erfindung aufgebaut ist, weist eine Anzahl der zuvor beschriebenen
Pumpen auf. Zum Zweck der Beschreibung des Pumpensystems wird jede
Pumpe nachfolgend als ein Modul betrachtet, wobei jedes Modul zwei
horizontal gegenüberliegende
Druckbeaufschlagungselemente beinhaltet. Bezug nehmend auf 3 beinhaltet
eine bevorzugte Ausführungsform
eines Pumpensystems 145 vier Module 146, die insgesamt
acht Druckbeaufschlagungselemente beinhaltet. Die Fluideinlassöffnungen 147 eines
jeden Moduls sind mit einem Fluideinlass-Verteilerkanal 148 verbunden,
der mit einer Prozessfluidquelle verbunden ist. Die Fluidauslassöffnungen 150 eines
jeden Moduls sind mit einem Fluidauslass-Verteilerkanal 152 verbunden,
der mit einer gewünschten
Prozessfluid-Handhabungsvorrichtung verbunden ist.
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Druckluft
wird zu den Lufteinlassöffnungen 154 eines
jeden Moduls über
Luftrohrleitungen 156 und dergleichen zugeführt. Ebenfalls
wird dem Absperrventil 157 eines jeden Moduls Druckluft über eine
Luftrohrleitung 158 und dergleichen zugeführt. Es
wird angestrebt, dass die Module des Pumpensystems in einer Weise
betätigt
werden, die einen relativ konstanten, nicht pulsierenden Fluidaustragsdruck
erzeugt, um Probleme mit in Strömungsrichtung
dahinter befindlichen Fluidhandhabungssystemen zu vermeiden, z.
B. um ein Filterpulsieren und die Erzeugung von daraus entstehenden
Filterpartikeln zu vermeiden. Eine Steuereinrichtung 159 ist konfiguriert,
um die Betätigung
eines jeden Moduls so zu regeln, dass ein relativ konstanter Austragsdruck
bereitgestellt wird, dadurch dass sie die Abfolge der Zuleitung
von Druckluft zu jedem Modul steuert. Beispielsweise wird in einem
aus vier Modulen bestehenden System, bei dem jedes Modul konfiguriert
ist, um einen einzigen Zyklus pro Sekunde zu liefern, angestrebt,
dass die Steuereinrichtung 159 programmiert so ist, dass
sie dem Lufteinlass 154 eines jeden Moduls in einer Operationsabfolge
von einer achtel Sekunde Druckluft zuführt.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform
ist die Steuereinrichtung zusätzlich
konfiguriert, um elektrische Signale zu erzeugen, welche Elektromagneten 160 betätigen, wobei
die Funktion der Elektromagneten darin besteht, die Zufuhr von Druckluft
zu den Lufteinlassöffnungen 154 der
Module zu regulieren, und die Absperrventile 157 mit Druckluft
zu versorgen. Es versteht sich, dass dies lediglich ein mögliches
Ausführungsbeispiel
dafür ist,
wie das Pumpensystem aufgebaut und betrieben sein kann, um einen
relativ konstanten Fluidaustragsdruck bereitzustellen, und es versteht
sich, dass andere Ausführungsformen
innerhalb des Schutzumfangs dieser Erfindung liegen. Beispielsweise
kann das Pumpensystem anstelle von vier Modulen eine beliebige Anzahl
von Modulen beinhalten, die derart betätigt werden können, dass
ein relativ gleichmäßiger Austragsdruck
geliefert wird. Außerdem
kann, anstelle einer Verwendung separater Elektromagnete, die Steuereinrichtung so
konfiguriert sein, dass sie interne Einrichtungen zur Abgabe von
Druckluft an die Lufteinlassöffnungen 154 und
die Absperrventile 157 aufweist.
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Weiter
Bezug nehmend auf 3 weist das Pumpensystem eine
Anzahl von Leckageerfassungssensoren 162 auf, die mit den
Leckageöffnungen 164 eines
jeden Moduls verbunden sind. Die Leckageerfassungssensoren 162 sind
mit der Steuereinrichtung 159 verbunden und sind geeignet,
anzuzeigen, ob eine Wanderung von Prozessfluid hinter ein Druckbeaufschlagungselement
innerhalb der Module erfolgt ist. Bei Erfassung einer derartigen
Leckage in einem speziellen Modul ist die Steuereinrichtung so konfiguriert,
dass sie sowohl die Zufuhr von Druckluft zu den Lufteinlassöffnungen 154 des
Moduls als auch die Zufuhr von Druckluft zu den Absperrventilen 157 des
Moduls unterbricht. Dadurch, dass die Steuerung auf diese Weise
konfiguriert ist, beendet sie zum einen den Betrieb eines eine Leckage
aufweisenden Moduls und zum anderen isoliert sie das die Leckage
aufweisende Modul vom Fluideinlass- oder -auslassstrom, wodurch
sowohl ein mögliches
Eindringen von Verunreinigungen aus dem eine Leckage aufweisenden
Modul in das Prozessfluid verhindert als auch eine Wartung des Moduls
ermöglicht
wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Steuereinrichtung 159 ebenfalls konfiguriert, um
für eine
Kompensation für
ein nicht arbeitendes oder isoliertes Modul zu sorgen, und zwar
dadurch, dass sie die Arbeitsabfolge der verbleibenden Module neu einteilt,
um für
einen äußerst konstanten
Austragsdruck zu sorgen, wodurch das Pumpensystem fehlertolerant
wird. Ein fehlertolerantes Pumpensystem wird angestrebt, da es einen
ununterbrochenen Betrieb des Pumpensystems ermöglicht, während dabei eine Wartung des
isolierten Moduls stattfindet, wodurch eine teure Stillstandzeit
vermieden wird, die mit einem Abschalten des gesamten Pumpensystems verbunden
wäre.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Steuereinrichtung ebenfalls konfiguriert, um die Anzahl
der Zyklen zu überwachen,
die von jedem Modul absolviert wurden, und zwar unter Verwendung
eines Zyklussensors 166, der mit jeder Kolbenanzeigeöffnung 168 des
Moduls verbunden ist, so dass eine Leistungshistorie für jedes
Modul des Pumpensystems geführt
werden kann und zur Auswertung der Leistungshistorie heruntergeladen
werden kann. Die Steuereinrichtung 159 kann ebenfalls konfiguriert sein,
um die Temperatur des Prozessfluids und den Austragsdruck aus dem
Pumpensystem oder aus jedem Modul zu überwachen und den Betrieb der
Module so regulieren, dass einer gewünschten Temperatur- und Druckkurve entsprochen
wird, wodurch verhindert wird, dass die Module bei einem vorgegebenen
Druck einen gewünschten
Maximalaustragsdruck überschreiten.
Eine derartige Konfiguration der Steuereinrichtung wird angestrebt,
um die Betriebslebensdauer des Pumpensystems zu verlängern.
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Ein
Merkmal der gemäß den Prinzipien
der Erfindung aufgebauten Pumpe besteht darin, dass die Nasszonen
der Pumpe vollständig
aus einem chemisch inerten nicht-metallischen Material wie beispielsweise
PTFE aufgebaut sind, wodurch die Möglichkeit einer Prozessfluidverunreinigung,
das von einer Beschädigung
oder einer Korrosion der Materialien herrühren kann, entfällt.
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Ein
weiteres Merkmal der Pumpe besteht in der Gestaltung des Druckbeaufschlagungselementes
in Form einer Rollmembran, wobei durch den Abrollvorgang der dünnwandigen
Schürze
ermöglicht wird,
dass sich das Druckbeaufschlagungselement in hin- und hergehender
Weise innerhalb eines jeweiligen Kammerkopfes bewegt. Die Verwendung
einer derartigen Rollmembran minimiert die Möglichkeit eines Versagens des
Druckbeaufschlagungselementes, welches durch überbeanspruchte und/oder nicht abgestützte biegsame
Abschnitte bedingt ist.
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Noch
weitere Merkmale der Pumpe sind, dass die Nasszone lediglich einen
einzigen Leckagepfad aufweist, und zwar über die Zungen- und Nutdichtung
zwischen dem Druckbeaufschlagungselement und dem Kammerkopf. Die
Gestaltung der Pumpe mit einem einzigen Leckagepfad ist möglich, da
eine statische Druckbeaufschlagungselementdichtung verwendet wird
und das Druckbeaufschlagungselement aus einem massiven PTFE-Block
ausgebildet ist, wodurch die Notwendigkeit vermieden wird, in diesem
zur leichteren Befestigung am Kolben ein Loch anzubringen.
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Auch
wenn eingeschränkte
Ausführungsformen
von Pumpe und Pumpensystem hier speziell beschrieben und dargestellt
wurden und spezielle Abmessungen offenbart wurden, sind viele Modifikationen
und Variationen für
Fachleute offensichtlich. Demgemäß versteht
es sich, dass innerhalb des Schutzumfangs der anliegenden Ansprüche Pumpe und
Pumpensystem in Übereinstimmung
mit den Prinzipien der Erfindung anders als hier speziell beschrieben
ausgeführt
sein können.