Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fördern von feinkörnigen Pulvern mit Hilfe einer Membranpumpe, die einen ein Arbeitsvolumen umschließenden Förderraum, mindestens eine auslenkbare Membran, die in eine Saugstellung und eine Druckstellung bringbar ist, und ein an einer Saugseite der Membranpumpe angeordnetes Einlassventil und ein an der Druckseite der Membranpumpe angeordnetes Auslassventil aufweist.
Verfahren zum Fördern von feinkörnigen Pulvern sind beispielsweise zur Zuführung dosierter Mengen von feinkörnigen Pulvern für Plasma-Beschichtungsprozesse erforderlich. Pulverablagerungen und Agglomerationen des Pulvers in den Förderwegen und der Pumpe müssen vermieden werden, da andernfalls die Förderung des Pulvers zum Erliegen kommen kann.
Die Förderung feiner Pulver mit Korngrößen von weniger als 150 µm ist mit bekannten Pumpen kaum möglich. Unterhalb dieser Korngröße nehmen die Adhäsionskräfte zwischen den Pulverpartikeln erheblich zu. Die Oberfläche der Partikel vergrößert sich im Verhältnis zum Volumen erheblich. Ein Würfel mit einer Kantenlänge von 1 cm weist eine Oberfläche von 0,006 m2 auf. Das gleiche Volumen mit Partikeln von fünf Nanometern Kantenlänge aufgefüllt, weist indes eine Oberfläche von 2.400 m2 auf. Die starke Zunahme der Oberflächenkräfte behindert die Förderung derart kleiner Partikel. Durch permanente Energieeinkopplung, insbesondere hohe Strömungsgeschwindigkeiten, die mit einem hohen Gas- bzw. Luftverbrauch einhergehen, kann ein Agglomerieren des Pulver-/ Gasgemisches vermieden werden. Hohe Gasvolumenströme sind jedoch in verschiedenen nachgeschalteten Arbeitsprozessen, wie beispielsweise bei Plasma-Beschichtungsprozessen oder Laser-Beschichtungsprozessen, nachteilig. Darüber hinaus bedingen hohe Gasvolumenströme einen höheren Energieeinsatz für die Förderung.
Die
Des Weiteren sind aus dem Stand der Technik Membran-Pumpen zur Förderung von Flüssigkeiten oder Gasen bekannt. Der Arbeitsraum ist durch eine auslenkbare Membran vom Antrieb getrennt. Durch diese Trennung ist der Antrieb von schädlichen Einflüssen des Fördermediums abgeschirmt. Die oszillierende Auslenkung der Membran bewirkt in einem Saughub in die voll ausgelenkte Saugstellung eine Vergrößerung des Arbeitsvolumens des Förderraums und in einem Druckhub in die voll ausgelenkte Druckstellung eine Verkleinerung des Arbeitsvolumens des Förderraums. Die Auslenkung der Membran erfolgt hydraulisch, pneumatisch oder mechanisch. An der Saugseite der Membranpumpe ist ein durch das Fördermedium betätigtes Einlassventil und an der Druckseite ein durch das Fördermedium betätigtes Auslassventil angeordnet. Über das Einlassventil wird beim Saughub der Membran das Fördermedium angesaugt und beim Druckhub durch das Auslassventil ausgestoßen.
Sofern eine Membranpumpe zur Förderung eines Pulver-/ Gasgemisches eingesetzt wird, tritt insbesondere bei feinkörnigen Pulvern der Zustand ein, dass die Strömungsgeschwindigkeit im Arbeitsvolumen des Förderraums der Membranpumpe nicht ausreicht, um die gesamte Pulvermenge durch das Auslassventil auszustoßen.
In Folge dessen bilden sich während des laufenden Betriebs der Membranpumpe zunehmende Ansammlungen von Pulver innerhalb des Förderraums der Membranpumpe, die zunächst die Saugleistung reduzieren und schließlich die Membranpumpe verstopfen. Insbesondere bei sehr feinkörnigen Pulvern können sich darüber hinaus Pulveragglomerate bilden, die die Förderung des Pulvers behindern bzw. die Membranpumpe blockieren. Eine Verstopfung der Membranpumpe kann durch eine Erhöhung der Pumpleistung nicht aufgehoben werden. Vielmehr ist es erforderlich, den Förderraum zu öffnen und die Verstopfung zu beseitigen.
Einen weiteren Einfluss auf die Ausbildung von Ablagerungen hat die geometrische Ausbildung des Förderraums. Insbesondere in Bereichen mit geringerer Strömungsgeschwindigkeit des Pulver-/ Gasgemisches kommt es zu Pulverablagerungen. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass im Bereich der Auslassventile bei der Förderung feinkörniger Pulver Verstopfungen auftreten. Eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit ist bei einem gegebenen Arbeitsbereich einer Membranpumpe mit einem bestimmen Unterdruck an der Saugseite und einem bestimmten Überdruck an der Druckseite nicht ohne weiteres möglich, um diese Problemzonen des Förderraums zu entschärfen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein System vorzuschlagen, mit dem eine Förderung von feinkörnigen Pulvern, insbesondere auch nicht fließfähiger Pulver mit Partikelgrößen von 0,01 µm bis 100 µm möglich ist. Außerdem soll ein Verfahren zu Förderung derartiger Pulver vorgeschlagen werden.
Diese Aufgabe wird bei einem System mit einer Membranpumpe der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass an dem Förderraum eine Gaszuführung zum Einbringen eines Gases in den Förderraum angeordnet ist.
Außerdem wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen der Ansprüche 8 bis 13 gelöst.
Das Einlassventil der Membranpumpe wirkt als Rückschlagventil, so dass das zugeführte Gas, insbesondere Luft, nur in Förderrichtung der Membranpumpe aus dem Auslassventil ausströmen kann. Das zusätzlich eingebrachte Gas bewirkt, dass im Arbeitsvolumen der Membranpumpe stets optimale Strömungsbedingungen herrschen und Pulverablagerungen im Förderraum vermieden werden.
Die maximale Menge des zusätzlich eingebrachten Gases wird durch die Saugleistung der Membranpumpe während des Saughubs begrenzt. Wird die maximale Menge überschritten, kann die Membranpumpe über das druckgesteuerte Einlassventil kein Pulver bzw. Pulver-/Gasgemisch mehr ansaugen und das Einlassventil bleibt geschlossen.
Das Einbringen des Gases in den Förderraum bewirkt, dass das Einlassventil früher schließt und dass das in den Arbeitsraum angesaugte Pulver bzw. Pulver-/ Gasgemisch zusammen mit dem zusätzlich in den Förderraum eingebrachten Gas vollständig durch das Auslassventil ausgetragen wird.
Eine pulsationsarme Pulverförderung für kontinuierliche Folgeprozesse wird ermöglicht, wenn die Gaszuführung einen Verdichter zur Erzeugung eines konstanten Volumenstroms des Gases aufweist.
Eine besonders wirksame Reinigung des Förderraums mit Hilfe des zugeführten Gases wird erreicht, wenn die Gaszuführung einen Verdichter zur Erzeugung eines pulsierenden Volumenstromes des Gases aufweist.
Bei nachfolgenden, druckgeführten Folgeprozessen weist die Gaszuführung vorzugsweise einen Verdichter zur Erzeugung eines konstanten Drucks des zugeführten Gases auf.
Das Gas wird vorzugsweise an einer Wand des Förderraums über einen Einlass eingebracht. Der Einlass kann als Durchgang in der Wand oder aber auch als Düse ausgestaltet sein.
Insbesondere bei Ausbildung des Einlasses als Düse kann der Einlass zweckmäßigerweise derart ausgerichtet sein, dass Bereiche des Förderraums mit Gas beaufschlagt werden, in denen sich aufgrund der Strömungsverhältnisse leicht Ablagerungen des geförderten Pulvers bilden können.
Die erfindungsgemäße Membranpumpe eignet sich insbesondere zur Förderung feinstkörniger Pulver. Sie lässt sich jedoch auch mit Vorteil zum Fördern kondensathaltiger Gase einsetzen.
Nachfolgend wird eine Membranpumpe eines erfindungsgemäßen Systems anhand der
Die Membranpumpe 1 umfasst einen ein Arbeitsvolumen V1 bzw. V2 umschließenden Förderraum 2, der an einer Seite durch eine auslenkbare Membran 3 begrenzt ist. Die Membran 3 ist in eine Saugstellung 4 und eine Druckstellung 5 bringbar. In
An einer Saugseite 9 der Membranpumpe 1 ist ein Einlassventil 11 und an einer Druckseite 10 der Membranpumpe 1 ein Auslassventil 12 angeordnet. Sowohl das Einlassventil 11 als auch das Auslassventil 12 werden durch das von der Membranpumpe 1 geförderte Pulver-/ Gasgemisch 13 druckgesteuert betätigt, wobei das Einlassventil 11 beim Saughub der Membran 3 in die Saugstellung 4 öffnet und beim Druckhub in die Druckstellung 5 schließt, während das Auslassventil 12 beim Saughub der Membran 3 schließt und beim Druckhub öffnet.
An einer Wand 14 des Förderraums 2 ist eine Gaszuführung 15 zum Einbringen eines Gases 16, insbesondere Luft, in den Förderraum 2 angeordnet. Die Gaszuführung 15 umfasst einen als Düse 17 die Wand 14 durchsetzenden Injektor, mit dem das Gas gezielt in den Förderraum 2 eingebracht wird, um Pulveransammlungen aufzulösen und dem Pulver-/ Gasgemisch 13 eine zusätzliche Gasmenge aufzuprägen. Die Gaszuführung 15 umfasst weiterhin einen schematisch dargestellten Verdichter 18, der über eine Leitung mit der Düse 17 verbunden ist. Der Verdichter 18 erzeugt je nach Zusammensetzung des zu fördernden Pulver-/ Gasgemisches 13 und/oder in Abhängigkeit von dem nachgeordneten, an der Druckseite 10 angeschlossenen Prozess einen konstanten Druck 19 des Gases 16, einen konstanten Volumenstrom 20 des Gases 16 oder einen pulsierenden Volumenstrom 21 des Gases 16, das über die Düse 17 in den Förderraum 2 eingebracht wird.
Zur Förderung kleiner Pulvermengen des feinkörnigen Pulvers wird Gas 16 mit einem Volumenstrom in einem Bereich von 1 I/min - 50 I/min in den Förderraum 2 eingebracht. Die Oszillationsfrequenz der Membran 3 liegt für das Fördern feiner Pulver vorzugsweise in einem Frequenzbereich von 10 Hz bis 200 Hz bei einem maximalen Arbeitsvolumen in einem Bereich von 0,1 bis 20 ml.
Die hohen Frequenzen der Membranpumpe 1 begünstigen die kontinuierliche Förderung kleiner Mengen des feinkörnigen Pulvers. Für die kontinuierliche, pulsationsarme Förderung feiner Pulver ist es vorteilhaft, wenn jede Membranpumpe 1 an ihrer Saugseite 9 über eine möglichst kurze Saugleitung mit einem Ansaugmittel zum Ansaugen von Pulver aus einem Pulvervorrat verbunden ist. Als vorteilhaft hat sich eine Länge der Saugleitung von 0,01 m bis 1 m, vorzugsweise 0,01 m bis 0,5 m herausgestellt, während die Länge der Druckleitung zur pulsationsarmen Förderung vorzugsweise mindestens um den Faktor 10 länger ist. In Versuchen mit Saug- und Druckleitungen mit einem Innendurchmesser von 2,5 mm konnte keine pulsationsarme Förderung bei Druckleitungslängen von 3 m erzielt werden, während gute Ergebnisse bei Druckleitungslängen mit mehr als 10 m erzielt wurden. Aufgrund der Versuche wurde erkannt, dass eine gleichmäßige, pulsationsarme Förderung des feinen Pulvers erreicht wird, wenn die Membranpumpe 1 an der Druckseite 10 mit einer Druckleitung verbunden ist und die Länge der Druckleitung deren Durchmesser mindestens um den Faktor 2000 übersteigt.
Durch Einbringen des Gases 16 in den Förderraum 2 sowie die Anordnung der Düse 17 wird erreicht, dass im Arbeitsvolumen V1 bzw. V2 des Förderraums 2 stets optimale Strömungsbedingungen herrschen und Pulverablagerungen in dem Förderraum 2, die zu einer Verstopfung und damit zum Ausfall der Membranpumpe 1 führen können, sicher vermieden werden.
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