Förderung von Flüssigkeiten bei niedriger Druckpulsation

Stop and Go Verkehr – Oder: Warum Druckpulsation entsteht

Flüssigkeitsmembranpumpen gehören zu den sogenannten volumetrischen Verdrängerpumpen. Die Förderleistung wird durch eine periodische Volumenänderungen im Membranraum erzeugt. Durch hydraulische Widerstände zwischen dem Membranraum und dem Endverbraucher entsteht aus dem Volumenpuls ein Druckpuls. Solche hydraulischen Widerstände findet man innerhalb der Pumpe, z. B die Ventile, wie auch als Komponenten im Kundensystem (Schläuche, Filter, Verengungen, Abzweigungen, etc.). Dies kann man sich in etwa wie bei dem Verkehrsfluss in dem Parkhaus eines Kinos vorstellen: Periodisch verlassen viele Besucher nach dem Ende eines Filmes das Parkhaus. Stünde am Ausgang keine Schranke, würde der Verkehrsstrom ohne Rückstau (Druck) abfließen. Nur durch Hindernisse wie diese Schranke entsteht aus dem Volumenpuls (viele Menschen verlassen das Kino gleichzeitig) ein Druckpuls (Rückstau der Autos). Nachdem alle Autos das Parkhaus verlassen haben, herrscht erst einmal Ruhe bis zum Ende des nächsten Films (Analog dem Ansaughub der Membranpumpe).

Für einige Applikationen bzw. Einsatzgebiete kann die Druckpulsation durch paralleles Verschalten von mehreren Membranen oder durch den Einsatz von Dämpfern massiv reduziert werden.

Warum Druckpulsation vermieden werden sollte

In vielen Pumpenanwendungen sind Druckpulsation oder Volumenpulsation nicht erwünscht. Insbesondere im Inkjetbereich beeinflussen Druckschwankungen die Qualität des Druckbildes. Außerdem werden in diesem Bereich häufig kleine Schlauchdurchmesser verwendet, was zu hohen Druckverlusten führt. Hohe Druckpulsation verringert die Lebensdauer der Systemkomponenten, generiert große Vibrationen und erzeugt dadurch ein erhöhtes Geräuschlevel. Außerdem kann es zu Schaumbildung der Flüssigkeit führen und im schlimmsten Fall gar zur Beschädigung des geförderten Mediums. Leider erzeugen praktisch alle volumetrischen Pumpen, wie Peristaltik-, Zahnrad-, Kolben- oder Membranpumpen eine gewisse Pulsation.

Um Applikationen eine optimale Funktionsweise zu ermöglichen, hat KNF als führender Membranpumpenhersteller Lösungen entwickelt, welche eine niedrigpulsierende Flüssigkeitsförderung ermöglichen: Die FP-Pumpenserie, welche auf zwei verschiedenen Wirkprinzipien basiert. Im Folgenden wird näher auf diese eingegangen.

Prinzip 1: Verwendung einer Mehrmembranpumpentechnologie

Seit vielen Jahren umfasst das Sortiment bewährter KNF Membranpumpen neben der einköpfigen Variante auch eine zweiköpfige Ausführung, die sogenannte Boxerpumpe. Dabei treibt der Pleuel zwei um 180° phasenversetzte Membranen gleichzeitig an (analog einem Zwei-Zylinder Motor). Während die eine Membrane Flüssigkeit aus der Saugleitung zieht, stößt die zweite Membrane in die Druckleitung aus. Durch diese um 180° phasenverschobene Arbeitsweise entsteht eine pulsationsreduzierte Förderung der Flüssigkeit. In Abbildung 1 ist die Momentanförderleistung von Mehrmembranpumpen, wie beispielsweise Doppelmembranpumpe, gegenüber einer einköpfigen Pumpe dargestellt. In dieser ist eindrücklich ersichtlich, dass die Förderleistungsspitzen massiv reduziert werden können, wenn mehrere Membranen phasenverschoben verschaltet werden. Ab drei verwendeten Membranen reduzieren sich die Spitzen um Faktor 3. Durch diese Reduktion der maximalen Momentanförderleistung kann die durch die hydraulischen Widerstände im System verursachte Druckpulsation signifikant gesenkt werden.

Für die Kunden ist das Zusammenführen der zwei separaten Ein- und Ausgänge einer Doppelmembranpumpe jeweils relativ aufwändig, bedingt einen größeren Platzbedarf und birgt die Gefahr von potenzieller Leckage bei den jeweiligen Verschraubungen. KNF ging daher einen Schritt weiter und entwickelte mit der FP-Pumpenserie niedrigpulsierende Pumpen mit bis zu fünf phasenverschobenen Fördermembranen. Die einzelnen Fördervolumen werden innerhalb der Pumpen zusammengeführt, was dem Kunden den großen Vorteil bietet, dass er nur einen einzigen Anschluss auf der Saug- sowie Druckseite hat. Dies vereinfacht das Handling beim Kunden massiv, reduziert den Platzbedarf und eliminiert zusätzliche Schlauchverbindungen.

Prinzip 2: Einsatz von Pulsationsdämpfern & hydraulischen Speichern

Ein anderer Ansatz, um die Druckpulsation einer einköpfigen Membranpumpe zu reduzieren, ist die Verwendung eines sogenannten Pulsationsdämpfers, welcher in der Regel auf der Druckseite der Pumpe in das Fluidsystem montiert wird. Dieser wird von KNF ebenfalls seit Jahren in verschiedenen Förderleistungs- und Druckstufen erfolgreich eingesetzt. Wie bereits mit Bezug auf die Boxerversion erwähnt, können zusätzliche Anschlüsse jedoch potenzielle Leckagestellen mit sich bringen. Auch ein erhöhter Platzbedarf, welcher mit dem Einsatz eines Pulsationsdämpfers einhergeht, ist im Kundengerät nicht immer gewährleistet. Zudem ist der Einbau eines Pulsationsdämpfers für den Nutzer mit Mehrkosten verbunden.

Als Reaktion auf gegenwärtige Marktbedürfnisse hat KNF deshalb in kürzester Zeit, mithilfe von modernsten Simulations- und Fertigungstools, die weltweit erste Flüssigkeitsmembranpumpe entwickelt, welche saug- wie druckseitig einen Pulsationsdämpfer im Pumpenkopf integriert hat. In dem abgebildeten Video ist die Funktionsweise einer solchen Pumpe dargestellt. Bewegt sich die Fördermembrane beim Ansaugen nach unten, so saugt sie nicht nur Flüssigkeit aus der Saugleitung, sondern auch aus dem saugseitigen Pulsationsdämpfer. Dies funktioniert nur, da sich die Dämpfermembrane ebenfalls durch den Unterdruck nach unten bewegen kann. Beim Ausstoßen der Fördermembrane kann die Flüssigkeit in der Saugleitung den saugseitigen Dämpfungsraum wieder auffüllen. Dies erkennt man gut an der sich nach oben bewegenden Dämpfermembrane. Dadurch wird in der Saugleitung ein nahezu kontinuierlicher Volumenstrom erreicht.

Auf der Druckseite nimmt der Pulsationsdämpfer einen Teil des Schöpfvolumens der Fördermembrane beim Ausstoßen auf, was gut an der sich nach oben bewegenden Dämpfermembrane ersichtlich ist. Saugt die Fördermembrane nun wieder an, wird das gespeicherte Volumen im druckseitigen Dämpfer an die Druckleitung abgegeben (druckseitige Dämpfermembrane bewegt sich nach unten). Somit wird auch auf der Druckseite ein kontinuierlicher Volumenstrom im Schlauch erreicht. Dank den geringen Volumenstromschwankungen in den Schläuchen ist die Druckpulsation auf der Saug- und Druckseite dabei dank der integrierten Dämpfer nur minimal. Mit diesem neuartigen Design erhält der Kunde eine niedrigpulsierende Flüssigkeitsmembranpumpe, welche abgesehen vom Gegendruck praktisch unabhängig vom Kundensystem funktioniert. Die Pulsation kann je nach Pumpentyp und Arbeitspunkt bis um den Faktor 20 reduziert werden. Zusätzlich entfallen für den Kunden die zusätzlichen Schnittstellen.

Vorteile von Pumpen mit niedriger Druckpulsation

Unabhängig davon, ob eine gleichmäßige, niedrigpulsierende Flüssigkeitsförderung mittels Mehrmembranpumpe oder Pulsationsdämpfer erreicht wird, bietet diese viele markante Vorteile für den Kunden. Für eine gewünschte Förderleistung tritt ein um bis zu zehn Mal kleinerer Druckabfall auf. Dies ist insbesondere bei höher viskosen Medien wie Tinten sehr wichtig. Gleichzeitig reduziert sich die Stromaufnahme des Pumpenmotors was zur Folge hat, dass dieser weniger warm wird. Außerdem kann durch die Vermeidung von hoher Druckpulsation die Entstehung von Mikroblasen vermindert werden und es verhindert die Schaumbildung, insbesondere bei Flüssigkeiten mit kleiner Oberflächenspannung. Die Regelbarkeit der Pumpe wird ebenfalls markant erhöht, da sich die Förderleistung sehr linear zur Drehzahl verhält und unabhängig vom Kundensystem ist. Zu guter Letzt wird die Belastung in der Pumpe verkleinert sowie alle Komponenten im Kundensystem durch die reduzierte Druckpulsation geschont. Dies kann die Lebensdauer der Pumpe erhöhen. Als Zusatzeffekt reduziert sich die Vibration der Schläuche, was zu einer Verminderung der Geräuschentwicklung beiträgt.

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