DE69121913T2 - Vorrichtung zur wiederholten abgabe eines definierten flüssigkeitsvolumes - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für das wiederholte Abgeben eines bemessenen Flüssigkeitsvolumens und im einzelnen auf eine Abgabevorrichtung umfaßend eine Dosierkolbenpumpe mit einem Dosierpumpenzylinder und einem Dosierpumpenkolben, der in dem Dosierpumpenzylinder hin- und herbeweglich ist und zusammen mit dem Dosierpumpenzylinder eine Dosierpumpenkammer begrenzt mit einem Auslaß für die Abgabe eines bemessenen Flüssigkeitsvolumens und einem zyklisch arbeitenden Betätigungsmechanismus für das zwangsweise Antreiben des Dosierpumpenkolbens, zumindest in der Richtung entsprechend der Kontraktion der Dosierpumpenkammer.
• Abgabevorrichtungen dieser Art haben viele unterschiedliche Anwendungen und als ein illustratives Beispiel können Verpackungsmaschinen für das Abfüllen von Packungen mit bemessenen Volumina oder Portionen an Flüssigkeit gewählt werden. Die Vorrichtung gemäß dieser Erfindung ist brauchbar in solchen Verpackungsmaschinen und wird demgemäß unter besonderer Bezugnahme auf ihren Einsatz als Füllvorrichtung in einer Packmaschine beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Anwendungsfall begrenzt, der nur als ein illustratives Beispiel zu betrachten ist.
• Verpackungsmaschinen für Flüssigkeiten wie für flüssige Nahrungsmittel, beispielsweise Milch oder dergleichen, müssen oft mit hohen Raten ein genau bemessenes Flüssigkeitsvolumen abgeben, während stringente hygienische Anforderungen erfüllt werden. In solchen Anwendungen kann das Volumen der Flüssigkeitsportion, die in jede Packung abzugeben ist, und infolgedessen das Hubvolumen der Dosierkolbenpumpe recht groß sein.
• Eine schnelle Abgaberate in Verbindung mit einem großen Volumen der Portionen bedeutet, daß die Dosierkolbenpumpe und das ihr zugeordnete Leitungssystem mit großen volumetrischen Strömungsraten fertig werden müssen. Wegen des intermittierenden und schnellen Austrags der Flüssigkeit aus der Dosierkolbenpumpe muß die Flüssigkeit rasch beschleunigt und verzögert werden, jedesmal dann, wenn ein Austrag erfolgt.
• Die stringenten Hygieneerfordernisse, die in vielen Fällen erfüllt werden müssen, wie in Maschinen für das Verpacken flüssiger Nahrungsmittel, bedeutet auch eine Komplikation. Die Notwendigkeit, die Oberflächen in dem Abgabesystem zu reinigen, welche von dem Produkt kontaktiert wurden, macht es erforderlich, bei der Konstruktion des Abgabesystems die Erfordernisse im Zusammenhang mit der Reinigung in Rechnung zu ziehen, und in jedem Fall erfordert das Reinigen eine erhebliche Anstrengung.
• Ein Ziel der Erfindung ist es, eine Ausgabevorrichtung der oben angedeuteten Art zu schaffen, und genauer gesagt zu schaffen:
• - eine Abgabevorrichtung, der die abzugebende Flüssigkeit im wesentlichen kontinuierlich zugeführt werden kann, obwohl die Flüssigkeit diskontinuierlich ausgetragen wird;
• - eine Abgabevorrichtung, die mit hoher Rate und mit großem Portionsvolumen arbeiten kann, ohne das Erfordernis rapider Beschleunigung und Verzögerung großer Flüssigkeitsmassen für jeden Austragszyklus;
• - eine Abgabevorrichtung, die mit hoher Rate arbeiten kann, während sie das Flüssigkeitsvolumen, das in jedem Betriebszyklus ausgetragen wird, innerhalb hoher Toleranzen hält;
• - eine Abgabevorrichtung, bei der die von der Flüssigkeit kontaktierten Oberflächen in einer ohne weiteres und schnell austauschbaren, vorzugsweise sterilisierbaren Einheit vorgesehen sind, die, nach Erfordernis, hinreichend billig gemacht werden kann, um sie teilweise oder vollständig als Wegwerfartikel auszugestalten, so daß es ökonomisch vernünftig ist, die gesamte Einheit oder Teile derselben wegzuwerfen und sie durch eine neue zu ersetzen in Fällen, in denen sonst das Reinigen der Oberflächen erforderlich wäre und derart, daß die Packmaschine nicht für das Reinigen der Abgabevorrichtung stillgesetzt werden muß;
• - eine Abgabevorrichtung, bei der die Passagen, durch welche die Flüssigkeit der Dosierkolbenpumpe zufließt, mit einem großen Strömungsquerschnitt und kurzer Länge gemacht werden können, so daß das Füllen der Dosierpumpenkammer schnell erfolgen kann und unter geringem Druckverlust, das heißt, bei geringen Energieverlusten;
• - eine Abgabevorrichtung, bei der die Energie der kontinuierlich einströmenden Flüssigkeit während der Phase des Betriebszyklus, bei der die Einströmpassage der Dosierkolbenpumpe blockiert ist, gespeichert werden kann, das heißt, während der Abgabephase, und dann verwendet werden kann, um zum Füllen der Dosierkolbenpumpe beizutragen, wenn die Einströmpassage derselben wieder geöffnet wird;
• - eine Abgabevorrichtung, die in der Lage ist, bei einem willkürlichen und sich ändernden Fülldruck zu arbeiten, beispielsweise zwischen 0,5 und 2,5 bar und auch in der Lage ist, hohen Anforderungen bezüglich der Betriebsrate des Portionsvolumens und der Genauigkeit des abgegebenen Volumens zu genügen;
• - eine Abgabevorrichtung, die kompakt gebaut werden kann, jedoch gleichwohl ohne weiteres Zugang zu ihren Komponenten für Service und Wartung ermöglicht.
• Eine Abgabevorrichtung, die die obigen und solche anderen Erfordernisse erfüllt, wie sie oft bei Abgabevorrichtungen der hier in Rede stehenden Art verlangt werden, ist diagrammartig und nur als nicht beschränkendes Beispiel zu verstehen in den beigefügten Zeichnungen wiedergegeben und wird im einzelnen nachstehend unter Bezugnahme auf diese beschrieben.
• Fig. 1 ist eine diagrammartige Vertikalschnittansicht der Abgabevorrichtung;
• Fig. 2 ist eine Draufsicht auf eine austauschbare Einheit, die teilweise oder vollständig ausgebildet ist für Wegwerfbetrieb und einen Teil der Abgabevorrichtung der Fig. 1 bildet, welche Einheit in ihrer Versandkonfiguration wiedergegeben ist;
• Fig. 3 zeigt einen Schnitt der Einheit der Fig. 2 längs Linie II-II mit einem Einlaßrohr und einem Auslaßrohr, welche Teile der Einheit bilden, ausgeschwenkt in eine Betriebsposition.
• Die als Beispiel dargestellte Abgabevorrichtung umfaßt ein insgesämt mit 11 bezeichnetes Einlaßrohr, durch welches die Flüssigkeit, Milch oder irgendein anderes flüssiges Nahrungsmittel, der Abgabevorrichtung zugeführt wird, eine Speisekolbenpumpe, insgesamt mit 12 bezeichnet, die in konstanter offener Kommunikation mit dem Einlaßrohr steht, eine Dosierkolbenpumpe, insgesamt mit 13 bezeichnet, die in Fluidströmungskommunikation mit der Speisekolbenpumpe 12 steht, ein insgesamt mit 14 bezeichnetes Ventil, das die Fluidströmungskommunikation zwischen den Pumpen 12 und 13 steuert und ein Auslaßrohr, insgesamt mit 15 bezeichnet, durch welches die zugemessenen Volumina oder Flüssigkeitsportionen nacheinander, beispielsweise in Packungen, ausgetragen werden.
• Das Einlaßrohr 11 ist in dauernder offener Kommunikation mit der Pumpenkammer 17 der Speisekolbenpumpe 12, wobei die Kommunikation einen sehr niedrigen Strömungswiderstand aufweist. Der Kolben 18 der Pumpe ist vertikal in einem Zylinder beweglich, vorgesehen in einem Pumpengehäuse, das den beiden Pumpen 12 und 13 gemeinsam ist. Ein Antriebsmotor 21, der nur als Symbol dargestellt ist, treibt den Kolben 18 in den Zylinder und ist zu diesem Zweck mit dem Kolben über einen Kugelumlauf-Schneckenmechanismus 22 verbunden. Die Kolbenbewegung ist zumindest in der Aufwärtsrichtung erzwungen, d.h. in der Richtung, in welcher der Kolben sich im Sinne einer Kontraktion der Pumpenkammer 17 bewegt. Ein Stoßdämpfungsglied 23, das auf dem Kolben vorgesehen ist, absorbiert jegliche Druckstöße, die in der Pumpenkammer 17 auftreten.
• Die Dosierkolbenpumpe 13 ist seitlich und zweckmäßigerweise unmittelbar neben der Speisekolbenpumpe 12 angeordnet. Ihr Kolben 26 ist vertikal beweglich in einem Zylinder 27, der in dem Pumpengehäuse 20 ausgebildet ist und parallel zum Zylinder 19. Ein Antriebsmotor 28 treibt den Kolben in dem Zylinder 27 über einen Kugelumlauf-Schneckenmechanismus 29 an. Die Bewegung des Kolbens 26 der Dosierkolbenpumpe 13 ist ebenfalls erzwungen, zumindest in der Aufwärtsrichtung, d.h. der Richtung, welche der Kontraktion der Pumpenkammer 30 entspricht.
• Eine horizontale Tranferpassge 31 sorgt für die oben erwähnte Fluidströmungskommunikation zwischen der Pumpenkammer 17, der Speisekolbenpumpe und der Pumpenkammer 30 der Dosierkolbenpumpe 13. Diese Passage ist am oberen Ende der Pumpenzylinder 19 und 27 vorgesehen und gebildet durch das Entfernen über der Breite oder dem Durchmesser der Pumpenkammern des obersten Abschnitts der Pumpengehäusetrennwand 32, welche die Pumpenkammern 17 und 30 trennt. Demgemäß hat die Transferpassage 31 eine Breite, wie horizontal und senkrecht zur Ebene der Fig. 1 gemessen, die mindestens ebenso groß ist wie der Durchmesser der Pumpenkammern 17 und 30. In Vertikalrichtung gemessen ist die Abmessung der Transferpassage erheblich kleiner, doch wegen der großen Weite der Passage ist ihre Strömungsquerschnittsfläche gleichwohl sehr groß, beispielsweise 15 bis 40% der Querschnittsfläche des Kolbens 18 der Speisekolbenpumpe 12. In Horizontalrichtung gemessen und parallel zur Ebene der Fig. 1 ändert sich die Länge der Transferpassage von einem Minimum in der Vertikalebene (der Ebene der Fig. 1), welche die parallelen Achsen der beiden Pumpen enthält, zu einem Maximum auf beiden Seiten dieser Ebene und in einigem Abstand von der Ebene.
• Das Ventil 14, das den Transfer der Flüssigkeit durch die Passage 31 von der Speisekolbenpumpe 12 zu der Dosierkolbenpumpe 13 steuert, umfaßt ein Ventilglied 35 in der Form einer kreiszylindrischen Hülse, welche den Pumpenkolben 26 konzentrisch umschließt und axial verlagerbar ist zwischen einer Schließposition und einer offenen Position mittels einer Zweipositionsventilbetätigungseinrichtung, umfassend drei Solenoide 36. Diese Solenoide sind gleichförmig in Umfangsrichtung um den Pumpenkolben 26 beabstandet und wirken auf die untere Kante des Ventilglieds 35 über zwischengeschaltete jeweilige Schubstangen 37.
• In der Schließposition liegt die obere Kante des Ventilglieds 35 abdichtend an der Unterseite eines oberen Pumpengehäuseteils 40 an, welches das Pumpengehäuse 20 zusammen mit einem bodenseitigen Pumpengehäuseteil 41 bildet. In der offenen Position ist die obere Kante des Ventilglieds 35 bündig mit oder etwas unterhalb der Oberseite der Trennwandung 32 positioniert, welche die Pumpenkammern trennt, so daß die Transferpassage 31 dann über der gesamten Strömungsquerschnittsfläche offen ist.
• Eine dünne, sehr flexible Membran 42, wie eine Polyurethanfolie, bildet eine Abdichtung zwischen den beiden Pumpenkolben 18 und 26 einerseits undden Zylindern 19 und 27 andererseits. Über ihre gesamte äußere Kante ist die Membran 42 abdichtend zwischen einem oberen Abschnitt 40A und einem unteren Abschnitt 40B des oberen Pumpengehäuseteils 40 geklemmt und überlagert die obere Kante des Ventilglieds 35, die Oberseite der Trennwandung 32 und die Oberseiten der beiden Pumpenkolben 18 und 26. Die Oberseite jedes Pumpenkolbens 18 und 26 wird durch eine umgekehrt topfförmige Kolbenkappe 18A bzw. 26A gebildet, welche lose über einem Kolbenkopf 16B bzw. 26B positioniert ist.
• In dem Spalt zwischen dem Pumpengehäuse 20 und dem Kolben 18 der Speisekolbenpumpe 12, in dem Spalt zwischen dem Pumpengehäuse 20 und dem Ventilglied 35 und in dem Spalt zwischen dem Ventilglied 35 und dem Kolben 26 der Dosierkolbenpumpe 13 hängt die Membran 42 nach unten zur Bildung einer Rollmembran, welche zwischen den Elementen abdichtet, die sich relativ zueinander bewegen.
• Die Abteile 45 und 46 zwischen dem bodenseitigen Pumpengehäuseteil 41 und der Unterseite der Pumpenkolben 18 bzw. 26 sind abgedichtet, relativ zu dem umgebenden Raum. Durch flexible Leitungen 47 und 48 sind sie mit einer pneumatischen Drucksteuervorrichtung 49 verbunden, mittels welchem die Abteile einem gesteuerten verringerten oder erhöhten Druck unterworfen werden können, an vorbestimmten Punkten im Betriebszyklus der Pumpen.
• Nach oben werden die Pumpenkammern 17 und 32 begrenzt durch den oberen Abschnitt 40A des oberen Pumpengehäuseteils 40. Der Teil des oberen Abschnitts 40A, der sich oberhalb der Pumpenkammer 17 befindet, ist mit einem Verbinder 52 versehen für das Einlaßrohr 11. Dementsprechend ist der Teil des oberen Abschnitts 40A, der sich oberhalb der Pumpenkammer 30 befindet, mit einem Verbinder 53 für das Auslaßrohr 15 versehen.
• In dem Auslaßrohr 15, nämlich in dem Einlaßabschnitt desselben, das mit dem Verbinder 53 zusammenwirkt und in Richtung der Pumpenkammer 30 offen ist, ist ein Ventilsitz 55 vorgesehen, der von der Pumpenkammer abgekehrt ist. Eine Membran 56, befestigt an dem Verbinder 53, kann gegen diesen Ventilsitz gepresst werden mittels eines zugeordneten Ventilglieds 57 zum Absperren des Auslaßrohrs 15. Eine relativ weiche Druckfeder 58 drückt das Ventilglied 57 ständig in Richtung der Schließposition. Die Schließkraft auf das Ventilglied 57 kann jedoch erheblich gesteigert werden mittels eines Solenoids 59.
• Eine der Abgabevorrichtung zugeordnete Steuereinheit 60 steuert die Pumpenmotoren 21 und 28, um sie mit einer gewählten Frequenz und mit einer gewählten Zeithubcharakteristik sich bewegen zu lassen. Die Steuereinheit 60 umfaßt kontinuierlich die Position der Pumpenkolben 18 und 26 mittels Bewegungswandler (nicht dargestellt), die mit den Pumpenkolben verbunden sind. Die Steuereinheit 60 steuert auch die Solenoide 36 für das Ventilglied 35 in der Transferpassage 31, das Solenoid 59 für das Auslaßventilglied 57 und die Drucksteuervorrichtung 49. Demgemäß wird der Betriebszyklus der Abgabevorrichtung durch die Steuereinheit 60 gesteuert, die auch einen Selektor umfaßt für das Einstellen der Dosierung oder des Portionsvolumens, Gewichtswandler für das Messen des Gewichts der ausgetragenen Portionen, usw.
• Ein Pump- oder Betriebszyklus der dargestellten Abgabevorrichtung verläuft wie folgt.
• Der gesamte Strömungspfad für die Flüssigkeit, die die Abgabevorrichtung transportiert und austrägt, dieser Pfad, welcher sich durch die Abgabevorrichtung erstreckt, umfaßt das Einlaßrohr 11, die Pumpenkammer 17 der Speisekolbenpumpe 12, die Transferpassage 31, die Pumpenkammer 30 der Dosierkolbenpumpe 13 und schließlich das Auslaßrohr 15, wird als mit Flüssigkeit gefüllt angenommen und es wird auch angenommen, daß die Pumpe gerade den Austrag einer Flüssigkeitsportion durch das Auslaßrohr 15 beendet hat.
• In der so angenommenen Ausgangs- oder Startposition hat das Ventilglied 57 im Auslaßrohr 15 sich gerade gegen den Ventilsitz 55 unter der Wirkung der Feder 58 geschlossen, nachdem der Kolben 26 der Dosierkolbenpumpe seine oberste Position erreicht hatte. Das ringförmige zylindrische Ventilglied 35, nämlich dessen obere Kante, liegt abdichtend am oberen Abschnitt 40A des oberen Pumpengehäuseteils 40 an über die zwischengeschaltete Membran 42 und blockiert dadurch die Transferpassage 31, um Strömung zwischen den Pumpenkammern 17 und 30 zu verhindern.
• Der unten beschriebene Betriebszyklus beginnt mit dem Erregen des Solenoids 59, um sicherzustellen, daß das Ventilglied 57 in der Schließposition selbst dann gehalten wird, wenn es dem Druck unterworfen wird, der in dem Einlaßrohr herrscht. Daraufhin wird das Ventilglied 35 nach unten verlagert zum Öffnen der Transferpassage 31. Diese Bewegung des Ventilglieds wird herbeigeführt durch den Druck, der auf die Flüssigkeit auf dem Abschnitt der Membran 42 ausgeübt wird, welche von dem Ventilglied abgestützt wird. Gleichzeitig oder beinahe gleichzeitig beginnt der Kolben 26 der Dosierkolbenpumpe 13 die Abwärtsbewegung zum Ermöglichen des Füllens der Pumpenkammer 30 Die Abwärtsbewegung des Kolbens 26 kann herbeigeführt werden durch den Antriebsmotor 28 oder mindestens durch diesen Motor gesteuert werden durch Signale von der Steuereinheit 60.
• Sobald das Ventilglied 35 sich geöffnet hat, kann die Flüssigkeit in die Pumpenkammer 30 strömen, ohne irgendwelchem merkbaren Druckabfall zu unterliegen. Der Druckabfall ist vernachlässigbar wegen der geringen Länge und der großen Breite der Passage. Infolgedessen kann die Pumpenkammer 30 extrem schnell gefüllt werden.
• Wenn die der Abgabevorrichtung zugeführte Flüssigkeit unter einem bestimmten überdruck steht, was normalerweise der Fall ist, hat der Druck die Tendenz, den Kolben 26 nach abwärts zu treiben, und der Antriebsmotor 28 hat dann tatsächlich als Bremse (Generator) zu arbeiten Falls erforderlich, kann der Abwärtskraft auf den Kolben durch einen überdruck in dem Abteil 46 unter dem Kolben entgegengewirkt werden, so daß die Last auf den Motor verringert wird. Ein solcher überdruck kann auch beitragen zum Verhindern der überlastung der Membran 42 an den Faltungen oder Rollmembranabschnitten, die zwischen dem Kolben 26 und dem umgebenden Ventilglied 35 nach unten hängen und zwischen dem letzteren und dem Zylinder 27.
• Gleichzeitig mit oder kurz nach dem Öffnen des Ventilglieds 31 und dem Beginn der Abwärtsbewegung des Kolbens 26 in der Dosierkolbenpumpe 13 beginnt der Antriebsmotor 21 der Speisekolbenpumpe 12 mit dem Antrieb des Kolbens 18 der Speisekolbenpumpe nach oben. Der Kolben 18 verdrängt dabei die bereits in der Pumpenkammer 17 enthaltene Flüssigkeit, und gleichzeitig kann Flüssigkeit mehr oder weniger direkt vom Einlaßrohr 11 in die Pumpenkammer 30 der Dosierkolbenpumpe fließen.
• Während der Bewegung der Kolben 18 und 26 wird der Druck in den Abteilen 45 und 46 unter den Kolben gesteuert durch die Steuervorrichtung 49 derart, daß eine angemessene Druckdifferenz zwischen den Pumpenkammern 17 und 30 einerseits und den Abteilen 45 und 46 andererseits aufrecht erhalten wird. Diese Druckdifferenz sollte sicherstellen, daß die zylindrischen Faltungen der Membran 42, welche Rollmembranen bilden, gespannt bleiben und eine gleichförmige Rollbewegung ausführen, ohne exzessiv belastet zu werden.
• Während das Füllen der Pumpenkammer 30 der Dosierkolbenpumpe weitergeht, wirkt das Solenoid 59 im Zusammenwirken mit der relativ weichen Fedcer 58 so, daß das Ventilglied 57 im Auslaßrohr 15 in der Schließposition gehalten wird, gegen die Wirkung des Drucks der Flüssigkeit, die in die Pumpenkammer 30 einströmt, so daß keine Flüssigkeit aus der Pumpenkammer herausfließen kann.
• Wenn die Pumpenkammer 30 gefüllt worden ist, wird der Kolben 26 abgestoppt und das Ventilglied 35 wird nach oben verlagert in die Schließposition durch die Solenoide 36 Da das kreiszylindrische Ventilglied, dessen Wandung sehr dünn sein kann relativ zu seinem Durchmesser, symmetrisch in Radialrichtung (horizontal) beaufschlagt wird und vertikal abwärts belastet ist nur über einer kleinen ringförmigen Oberfläche, ist keine erhebliche Kraft erforderlich, um das Ventilglied in die Schließposition zu verlagern. Darüber hinaus ist das Flüssigkeitsvolumen, welches das Ventilglied 35 als Konsequenz seiner Bewegung verdrängt, sehr klein.
• Das zuletzt erwähnte Volumen kann zum großen Teil oder vollständig von der Pumpenkammer 30 aufgenommen werden, wenn die Endphase der Abwärtsbewegung des Pumpenkolbens 26 in geeigneter Weise angepaßt wird an die Aufwärtsbewegung des Ventilglieds 35 in die Schließposition. Infolgedessen kann die Verlagerung des Ventilglieds in die Schließposition vorgenommen werden, ohne irgendeine Rückströmung von Flüssigkeit in die Pumpenkammer 17 der Speisekolbenpumpe zu bewirken.
• Nachdem das Ventilglied 35 die Schließposition erreicht hat, verlagert der Antriebsmotor 28 der Dosierkolbenpumpe 13 den Kolben 26 nach oben über eine Distanz entsprechend dem für jeden Pumpenbetriebszyklus auszutragenden Volumen. Während die Flüssigkeit abgegeben wird, wird das Solenoid 59 entregt, so daß die Flüssigkeit schnell ausgetragen werden kann, ohne daß das Ventilglied 57 irgendeinen erheblichen Druckabfall bewirkt. Falls erforderlich, kann die Druckdifferenz zwischen der Pumpenkammer 30 und dem Abteil 46 unter dem Kolben 26 während der Endphase der Aufwärtsbewegung des Kolbens vergrößert werden, so daß der "Überschußbewegung" des Kolbens, hervorgerufen durch dynamische Kräfte, entgegengewirkt wird.
• Während der Phase des Betriebszyklus, die dem Schließen der Transferpassage 30 folgt, fließt die Flüssigkeit weiterhin in die Pumpenkammer 17 der Speisekolbenpumpe 12. Dies ist möglich, weil die Aufwärtsbewegung des Kolbens 18 der Speisekolbenpumpe 12 unterbrochen ist und der Kolben sich nach unten bewegen darf, so daß die Pumpenkammer 17 expandieren kann und die einströmende Flüssigkeit aufnimmt. Die Abwärtsbewegung, die durch den Antriebsmotor 22 bewirkt oder zumindest gesteuert wird auf Kommando von der Steuereinheit 60, wird zweckmäßigerweise gleichzeitig mit oder kurz vor der Aufwärtsverlagerung des Ventilglieds 31 in die Schließposition eingeleitet (in der Praxis bewirkt der überdruck der einströmenden Flüssigkeit, daß der Motor 22 ebenfalls als Bremse oder Generator während der Kolbenabwärtsbewegung wirkt.
• Wenn der Kolben 18 seine vorbestimmte unterste Position erreicht hat, ist der Betriebszyklus beendet und die oben beschriebene Abfolge von Ereignissen kann wiederholt werden.
• Wenn die Umkehr der Bewegungsrichtung des Kolbens 18 in geeigneter Weise angepaßt wird an die Aufwärtsverlagerung des Ventilglieds 35 in Schließposition, verhindert das stoßabsorbierende Element 23 des Kolbens 18 die Verlagerung des Ventilglieds am Hervorrufen von Druckstößen im Einlaßrohr und der Speiseleitung, die mit ihm verbunden ist, oder zumindest kann eine wirksame Dämpfung solcher Druckstöße bewirkt werden.
• Wie aus Vorstehendem deutlich wird, kann die abzugebende Flüssigkeit kontinuierlich der Abgabevorrichtung zuströmen, ohne im wesentlichen in dem Einlaßrohr oder der Versorgungsleitung durch die zyklisch arbeitende Abgabevorrichtung beeinflußt zu werden. Da die Flüssigkeitsströmung vom Einlaßrohr 11 in die Pumpenkammer 30 der Dosierkolbenpumpe 13 praktisch frei von Druckabfall ist, ist die Abgabevorrichtung auch sehr unempfindlich gegenüber variablem Druck der der Abgabevorrichtung zugeführten Flüssigkeitsströmung. Solange die Einströmrate zur Abgabevorrichtung hinreichend hoch ist, ist die Abgabevorrichtung demgemäß ohne weiteres in der Lage, Flüssigkeitsportionen von vorbestimmtem Volumen in der vorbestimmten Rate abzusetzen, selbst wenn der Druck auf der stromauf liegenden Seite der Abgabevorrichtung sich im Betrieb der Abgabevorrichtung ändert oder abweicht von dem beabsichtigten Druck.
• Die Funktion der Speisekolbenpumpe als eine "nachgiebige Kammer", d.h. eine Kammer, die expandiert und Flüssigkeit speichert, die weiterhin in die Abgabevorrichtung während der Phase des Betriebszyklus einströmt, in welcher der Transfer durch die Transfer passage 30 nicht möglich ist und dann kontrahiert wird, wenn dieser Transfer möglich wird, braucht nicht notwendigerweise durch eine zwangsangetriebene Kolbenpumpe, wie in der dargestellten Ausführungsform, erfüllt zu werden.
• Diese Funktion kann auch erfüllt werden durch eine Anordnung, durch die der Raum, der in der dargestellten Ausführungsform durch die Pumpenkammer 17 gebildet wird, unter der Wirkung des Drucks der einströmenden Flüssigkeit gegen die Wirkung einer Federvorspannung einer verlagerbaren Wandung der Kammer expandiert wird, wobei die Kontraktion des Raumes dann erfolgt, weil die in der Feder gespeicherte Engergie die Wandung verlagert.
• Die Energie, die in der Feder während der Schließperiode der Transferpassage 30 gespeichert wird, bewirkt, wenn die Passage wieder geöffnet wird, einen sehr schnellen Transfer in die Pumpenkammer 30 an Flüssigkeitsvolumen, das in der Pumpenkammer 17 während derselben Periode gespeichert worden war. Da der Transfer praktisch ohne Druckabfall erfolgen kann, braucht die Feder keinen merkbaren Flüssigkeitsdruck zu überwinden und, nebenbei, ist die Menge, die die Feder zu beschleunigen hat, während gespeicherte Energie abgegeben wird, ziemlich klein. Diese Menge wird gebildet zusätzlich zu der beweglichen Wandung und eines Abschnitts der Feder von der Flüssigkeitsmenge, die in der Pumpenkammer 17 gespeichert ist. Es gibt auch während des Transfers keine Tendenz zur Bildung eines Leerraums, der mit Flüssigkeit von dem Einlaßrohr 11 zu füllen wäre. Deshalb braucht die einströmende Flüssigkeit im Einlaßrohr nicht beschleunig zu werden, sondern kann einfach direkt in die Pumpenkammer mit derselben Geschwindigkeit wie zuvor einströmen.
• In der dargestellten Ausführungsform können demgemäß der Antriebsmotor 21 und der zugeordnete Rollschneckenmechanismus 22 ersetzt werden durch eine Federanordnung, die auf den Kolben 18 wirkt und kontinuierlich den Kolben nach oben drückt. Eine solche Federanordnung unterwirft zweckmäßigerweise den Kolben einer aufwärts gerichteten Kraft, die im wesentlichen unabhängig ist von der Position des Kolbens über zumindest den größten Teil des Hubes.
• Die dargestellte Ausführungsform mit einem Kolben, der nach oben zwangsverlagert wird, kann jedoch bevorzugt sein, weil sie die Möglichkeit bietet, die Verlagerung in Übereinstimmung mit einer bestimmten Zeithubcharakteristik unter Steuerung durch die Steuereinheit 60 stattfinden zu lassen.
• Der gerade beschriebene Verstärkungs- oder Aufladeeffekt auf das Füllen der Pumpenkammer 30 kann auch, zumindest zum Teil, durch eine Modifikation der dargestellten Ausführungsform herbeigeführt werden, umfassend einen zwangsverlagerten Kolben, nämlich durch Zusatz einer Federanordnung zur Speisekolbenpumpe 12 der oben beschriebenen Art. Der einfachste Weg zum Realisieren des Hinzufügens ist es, in dem Stoßabsorptionselement 23 eine solche Elastizität vorzusehen, daß es als die beschriebene Federanordnung dienen kann. In einem solchen Falle bewirken diese Federanordnung und der Kolben 18 gemeinsam den Transfer des gespeicherten Flüssigkeitsvolumens.
• Jene Elemente der Abgabevorrichtung, die in Kontakt mit der Flüssigkeit stehen, bilden eine Wegwerfeinheit, die vollständig oder teilweise weggeworfen wird und ausgetauscht wird gegen eine neue, nachdem sie für eine bestimmte Zeit genutzt worden ist, etwa für eine Arbeitsschicht oder irgendeine andere Arbeitsperiode, nach welcher die mit der Abgabevorrichtung versehene Packmachine normalerweise gereinigt werden müßte In der dargestellten Ausführungsform sind diese Elemente das Einlaßrohr 11, Auslaßrohr 15, der Verbinder 52 für das Einlaßrohr, der Verbinder 53 (einschließlich der Membran 56) für das Auslaßrohr, der obere Pumpengehäuseteil 40 mit seinem oberen Abschnitt 40A und unteren Abschnitt 40B, die Membrane 42, die Kolbenkappen 18A und 26A und das Ventilglied 35.
• Die Wegwerfeinheit kann in sterilem Zustand verpackt sein, und nach dem Öffnen der Verpackung wird die Wegwerfeinheit auf dem bodenseitigen Pumpengehäuseteil 41 positioniert, auf dem sie festgeklemmt wird mittels Schnellschlußklemmen 41A, die schwenkbeweglich an dem unteren Pumpengehäuseteil montiert sind. Anfänglich werden das Solenoid 59 und das Ventilglied 57 zur Seite bewegt und dann in die in Fig 1 gezeigte Position gebracht, nachdem die Wegwerfeinheit in ihre Position gebracht worden ist.
• Das Aussehen der Wegwerfeinheit in der Konfiguration, die sie aufweist, wenn sie auf dem unteren Pumpengehäuseteil 41 positioniert wird, ist in Fig. 2 und 3 gezeigt Die Verbinder 52 und 53 sind drehbar und lösbar verbunden mit dem oberen Abschnitt 40A des oberen Pumpengehäuseteils über eine Bajonettkupplung 52A, 53A, einschließlich Dichtringen 528, 53bc. Im verpackten Zustand der Wegwerfeinheit sind die Verbinder in die in Fig 2 gezeigte Position verdreht, um Platz zu sparen. Aus dieser Position werden sie in die Betriebsposition verschwenkt (Fig. 1, 3), nachdem die Wegwerfeinheit auf dem bodenseitigen Pumpengehäuseteil 41 positioniert worden ist.
• Die Membran 42 ist an den Abschnitten 40A und 408 des oberen Pumpengehäuseteils 40 mittels Heißversiegerung oder nach irgendeinem anderen geeigneten Verfahren verbunden; die gerade erwähnten Abschnitte bestehen aus Kunststoff und werden ebenfalls durch Heißversiegelung miteinander verbunden.
• Wenn die Wegwerfeinheit an dem bodenseitigen Pumpengehäuseteil 41 angebracht wird, ruht der bodenseitige Abschnitt 408 des oberen Pumpengehäuseteils 40 auf der oberen Kante der sich in Umfangsrichtung erstreckenden Wandung des unteren Pumpengehäuseteils derart, daß er auch genau seitlich (horizontal) positioniert wird. Die Trennwand 32, welche die Pumpenkammern 17 und 30 trennt, wird von einem oberen Abschnitt gebildet, der zu dem bodenseitigen Abschnitt 40A des oberen Pumpengehäuseteils 40 gehört und einem unteren Abschnitt, der zu dem bodenseitigen Pumpengehäuseteil 41 gehört. Der ersterwähnte Abschnitt der Trennwand ruht auf dem letzterwähnten Abschnitt, wie in Fig. 1 gezeigt. Das Ventilglied 35 ruht auf den Schubstangen 37 und die Kolbenkappen 18A und 26A überlagern die Kolbenköpfe 188 bzw. 268, wie ebenfalls in Fig. 1 gezeigt. Darübe hinaus berührt das Ventilglied 47 die Membran 56 des Verbinders 53.
• An ihrem Auslaßende hat das Auslaßrohr 15 einen Einsatz 65, der mit einer großen Zahl paralleler durchgehender Passagen für die abzugebende Flüssigkeit versehen ist. Dieser Einsatz 65 hindert Flüssigkeit am Ausströmen aus dem Auslaßrohr, nachdem der Pumpenkolben 26 seine oberste Position erreicht hat.
• In der sterilen Verpackung, welche die Wegwerfeinheit vor ihrer Benutzung umschließt, wird das Auslaßende des Auslaßrohres 15, welches Ende von dem Verbinder 53 entfernt ist, umschloßen von einer Schutzhülse 66, die dazu dient, die Sterilität der Innenoberflächen der Wegwerfeinheit aufrecht zu halten, nachdem die Packung in Verbindung mit der Positionierung der Wegwerfeinheit auf dem bodenseitigen Pumpengehäuseteil 41 geöffnet worden ist. Wenn das Einlaßrohr 11 der Wegwerfeinheit mit einer Speiseleitung (nicht dargestellt) verbunden worden ist, zugeordnet der Flüssigkeit liefernden Anlage zu der Abgabevorrichtung und wenn der Betrieb der letzteren begonnen wurde, wird die Schutzhülse 66 von dem Auslaßrohr durch den darin herrschenden Druck während des ersten Aufwärtshubes des Pumpenkolbens 26 heruntergeschoben.
• Das Ende des Einlaßrohrs 11, das von dem Verbinder 52 entfernt ist, das Einlaßende, ist ebenfalls mit einer umschließenden Schutzhülse 67 versehen, die die Sterilität der Innenoberflächen der Wegwerfeinheit aufrecht erhält, nachdem die Packung geöffnet worden ist. Bei der mechanischen Verbindung der Wegwerfeinheit und der Speiseleitung wird die Fluid führende Passage zwischen der Wegwerfeinheit und der Speiseleitung in der unten beschriebenen Weise geöffnet. Extern, bezüglich des Verbinders 52, ist ein verlagerbarer Leitungsabschnitt 68 montiert, versehen mit einem Flansch 69 an dem innseren Ende, d.h. dem Ende nächst dem oberen Pumpengehäuseteil 40 Dichtringe 70 dichten zwischen dem Leitungsabschnitt 68 und dem Verbinder 52 Die Schutzhülse 67 umfaßt einen rohrförmigen Abschnitt 71, der das äußere Ende des Leitungsabschnitts 68 umschließt und die Schutzhülse hat außerdem einen Flansch 72 an einem Ende. Dichtringe 73 dichten zwischen der Innenseite der Schutzhülse 67 und der Außenseite des Leitungsabschnitts 68. Eine dünne Membran 74 bildet einen fluiddichten Boden der Schutzhülse an deren Ende entfernt von dem Flansch.
• Um die Wegwerfeinheit und die Zufuhrleitung zu verbinden, wird das Einlaßrohr mit dem Auslaßende der Zufuhrleitung ausgefluchtet, wie in Fig. 1 mit Phantomlinien angedeutet. Mittels eines (nicht dargestellten) Mechanismus, der keinen Teil der Abgabevorrichtung bildet, wird eine auswärts gerichtete Kraft auf den Flansch 69 des Leitungsabschnitts 68 ausgeübt, so daß der Leitungsabschnitt und die Schutzhülse 67 darauf in Richtung des Endes der Speiseleitung verlagert werden.
• Die Schutzhülse 67 wird abgestoppt, weil ihr Flansch 72 auf einen Anschlag trifft, während der Leitungsabschnitt 68 weiter verlagert wird. Das Ende des Leitungsabschnitts 68 bricht dann die Membran 74 auf und wird über eine bestimmte Distanz in die Speiseleitung eingefügt und dichtet gegen die Innenseite der Leitung mittels der Dichtringe 73 ab. Die Membran 74 kann mit geeigneten Aufbrechlinien versehen sein, damit sie beim Aufbrechen Klappen bildet, die sich gegen die Außenseite des Leitungsabschnitts 68 legen. Das Aufbrechen der Membran längs vorbestimmter Aufbrechlinien kann auch sichergestellt werden, wenn das freie Ende des Leitungsabschnitts 68 radiale Aufbrechteile besitzt, gebildet beispielsweise durch einen Einsatz, der mit Schneidkantengliedern versehen ist.
• Die Anordnung für das sterile Abdichten des Einlaßrohrs 11, dargestellt in den Zeichnungen, ist auch brauchbar in anderen Anwendungsfällen wo ein Einlaßrohr mit einem Zufuhrrohr zu verbinden ist, während strikte Erfordernisse bezüglich der Hygiene zu erfüllen sind.
• In der dargestellten und beschriebenen Ausführungsform gibt es nur eine einzelne Dosierkolbenpumpe, die aus der Speichereinrichtung gefüllt wird, gebildet von der Speisekolbenpumpe Es ist jedoch auch möglich, die Abgabevorrichtung mit mehreren Dosierkolbenpumpen auszustatten, die durch einzelne Transferpassagen von einer gemeinsamen Speichereinrichtung oder Speisekolbenpumpe in der oben beschriebenen Weise gefüllt werden. Die Dosierkolbenpumpen können dann in unterschiedlicher Weise, relativ zu der Speichereinrichtung oder Speisekolbenpumpe angeordnet werden, abhängig von der Anzahl der Dosierkolbenpumpen und abhängig davon, was in jedem Einzelfalle geeignet ist, unter Beachtung der Anlage, mit der die Abgabevorrichtung zu verwenden ist, wie in einer Reihe mit der Speichereinrichtung oder Speisekolbenpumpe, positioniert auf einer Seite der Reihe oder längs eines Kreises oder einer bogenförmigen Linie.
• Wie aus der vorstehenden Beschreibung offensichtlich wird, kann die beschriebene Vorrichtung auch als ein Motor verwendet werden, wobei die Energie, geliefert mit dem einströmenden Fluid, dann primär in mechanische Arbeit umgewandelt wird und möglicherweise weiter umgewandelt wird in beispielsweise elektrische Energie.

Claims (21)

1. Vorrichtung für das wiederholte Abgeben zugemessener Volumina von Flüssigkeit, umfaßend

eine Dosierkolbenpumpe (13) mit einem Dosierpumpenzylinder (27) und einem Dosierpumpenkolben (26), der in dem Dosierpumpenzylinder hin- und herbeweglich ist und gemeinsam mit dem Dosierpumpenzylinder eine Dosierpumpenkammer (3) begrenzt, mit einem Auslaß (53,54) für die Abgabe von zugemessenen Flüssigkeitsvolumina,

eine Sammeleinrichtung (12) einschließlich eines Sammelbehälters (19) und eines beweglichen Wandungsglieds (18), das in dem Sammelbehälter hin- und herbeweglich ist und mit ihm eine Sammelkammer (17) begrenzt mit einem Einlaß (52) für abzugebende Flüssigkeit,

eine Transferpassage (31), die sich zwischen den beiden Kammern erstreckt und der ein Ventil zugeordnet ist für das Steuern des Transfers von Flüssigkeit aus der Sammelkammer (17) in die Dosierpumpenkammer (30),

einen Betätigungsmechanismus (28) für den wiederholten und zwangsweisen Antrieb des Dosierpumpenkolbens (26) zumindest in der Richtung entsprechend der Kontraktion der Dosierpumpenkammer (30) und Mittel für das Kontrahieren der Sammelkammer (17) durch Verlagern des beweglichen Wandungsglieds (18) der Sammeleinrichtung.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelbehälter (19) ausgebildet ist zur Aufnahme von Flüssigkeit von dem Einlaß (52) über den gesamten oder im wesentlichen gesamten Betriebszyklus

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosierpumpenkammer (3) und die Sammelkammer (17) seitlich nebeneinander angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transferpassage (31) in einer Wandung (32) ausgeausgebildet ist, deren eine Seite ein Teil des Dosierpumpenzylinders (27) bildet und deren andere Seite einen Teil des Sammelbehälters (19) bildet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Transferpassage (31) gemessen quer zur Transferrichtung in einer Ebene quer zur Bewegungsrichtung des Dosierpumpenkolbens (26) mindestens annähernd gleich der Querabmessung (Durchmesser) des Dosierpumpenkolbens ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammeleinrichtung (12) eine zweite Kolbenpumpe umfaßt, deren Pumpenzylinder (19) den Sammelbehälter (17) bildet, wobei ein Antriebsmotor ausgebildet ist zum Antrieb des Pumpenkolbens (18) der zweiten Kolbenpumpe zumindest in der Richtung entsprechend der Kontraktion der Sammelkammer (17).

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Transferventil (14) ein Ventilglied (35) umfaßt, gebildet aus einer zylindrischen Wandung, deren Achse im wesentlichen mit der Zylinderachse der Dosierpumpe (13) zusammenfällt oder zu ihr parallel ist und die zumindest einen Teil der Dosierpumpenkammer (30) oder der Sammelkammer (17) bildet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Transferventil (14) eine Betätigungseinrichtung (37, 38) umfaßt für die Verlagerung, vorzugsweise zwangsweise, des Ventilglieds (35) in eine Schließposition.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rollmembran eine Dichtung zwischen dem Dosierpumpenkolben (26) und dem Dosierpumpenzylinder (27) und zwischen dem beweglichen Wandungsteil (18) und dem Sammelbehälter (19) bildet.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Dosierpumpenkolben (26) das bewegliche Wandungsglied (18) der Sammeleinrichtung (12), das Ventilglied (35) des Transferventils (14) und Gehäuseabschnitte (408), welche die Dosierpumpenkammer (30) und die Sammelkammer (17) umschließen, von einem cohärenten Teil (42) aus flexiblem Bahnmaterial überdeckt sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil (42) aus flexiblem Bahnmaterial eine Einheit mit einem oberen Teil (40) eines Gehäuses bildet, das die Dosierpumpenkammer (30) und die Sammelkammer (17) enthält, welche Einheit austauschbar an einem Bodenteil (41) des Gehäuses, vorzugsweise mittels Schnellverbindungsmitteln (41A), anbringbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11 in Verbindung mit Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit das Ventilglied (35) umfaßt.

13 Vorrichtung nach Anspruch 11 in Verbindung mit Anspruch 7 oder mit Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (35) in seiner Schließposition an dem oberen Teil (40) unter Zwischenlage des Teils aus flexiblem Bahnmaterial (42) zur Anlage bringbar ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (52) und der Auslaß (53, 54) in dem oberen Teil (40) vorgesehen sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fluiddruckkammer (46) auf der Seite des Dosierpumpenkolbens (26), abgewandt der Dosierpumpenkammer (30) ausgebildet ist, um unter einen steuerbaren Fluiddruck, vorzugsweise einen Gasdruck, gesetzt zu werden.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Fluiddruckkammer (45) auf der Seite des beweglichen Wandungsgliedes (18) der Sammeleinrichtung (12), abgekehrt der Sammelkammer (17) ausgebildet ist, um unter einen steuerbaren Fluiddruck, vorzugsweise einen Gasdruck, gesetzt zu werden.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß (54) der Dosierpumpenkammer (30) ein Ventil (55, 57) umfaßt, das ausgebildet ist, um sich unter der Wirkung eines überdrucks in der Dosierpumpenkammer zu öffnen und das ständig in Richtung einer Schließposition durch eine schwache Schließkraft (58) gedrückt wird und ausgebildet ist, um zusätzlich in Richtung der Schließposition gedrückt zu werden durch eine selektiv zur Einwirkung bringbare erheblich größere Schließkraft (59).

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Wandungsglied (18) der Sammeleinrichtung (12) verlagerbar ist für das Expandieren der Sammelkammer (17) gegen die Wirkung einer konstant einwirkenden Last, beispielsweise einer Federbelastung oder eines Fluiddrucks.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammeleinrichtung (12) elastische Mittel (23) umfaßt für das Auffangen von Druckänderungen in der Sammelkammer (17).

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder 15 bis 19 in Verbindung mit einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit ein Rohr (11) umfaßt, verbunden mit dem Einlaß (52) und mit einem freien Ende entfernt von dem Einlaß, welches freie Ende mittels einer Schutzeinrichtung (67) versperrt ist, die durch relative Axialverlagerung der Schutzeinrichtung und des Rohres zu öffnen ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (35), zugeordnet der Transferpassage (31), eine Betätigungseinrichtung (36, 37) umfaßt, die wirksam ist zum Schließen des Ventils, unabhängig von der Strömung in der Transferpassage.