-
GEBIET DER
ERFINDUNG UND ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Trennung
von Flüssigkeiten
und Luft und insbesondere eine Entlüftungsvorrichtung und eine
Entlüftungsanlage
zum Entfernen von Luftblasen aus einer Vielfalt von Flüssigkeiten,
wie beispielsweise Beschichtungen.
-
Es
gibt verschiedene Basisprozesse zum Entfernen von Luftblasen durch
Zentrifugalkraft. Jeder Prozess hat seine Nachteile, und keiner
von ihnen wird heute verwendet, um vollständig blasenfreie Beschichtungen
herzustellen.
-
Der
Hydrozyklon schleudert Fluid entsprechend der Eintrittsgeschwindigkeit
in das Innere einer Röhre. Hydrozyklone
können
nur einen begrenzten Viskositätsbereich
verarbeiten, und sie können
nicht alle Luft entfernen, da das Fluid die Trennkammer unter Druck
verlässt,
wodurch bei normalem atmosphärischen
Druck Blasen aufschäumen
können.
-
Ein
Rotationstank hat ähnliche
Probleme. Darüber
hinaus ist er teuer und kann aus Sicherheitsgründen nur eine begrenzte Drehzahl
erreichen.
-
Ein
weiterer Prozess ist ein stationärer
Tank, in dessen Inneren sich Schaufeln drehen. Bei diesen Systemen
ist aber die Entwicklung von Wärme
ein Problem.
-
Es
gibt allerdings einen Prozess, der in der Lage ist, eine vollkommen
luftfreie Beschichtung hervorzubringen. Dieser Prozess arbeitet
mit rotierenden Scheiben im Inneren einer Vakuumkammer, um eine
sehr dünne
Schicht herzustellen. Die Schicht ist so dünn, dass die Blasen zur Oberfläche aufsteigen
und platzen. Leider sind diese Maschinen sehr teuer, weil die Vakuumkammer
sehr dickwandig ist, damit es zu keiner Implosion kommt. Diese Maschinen
sind auch sehr schwierig zu steuern und zu reinigen.
-
Im
Folgenden werden konkrete Vorrichtungen oder Anlagen zum Entfernen
von Luftblasen eingehender besprochen.
-
US-Patent
Nr. 4,435,193 an Gullichsen und Mitarbeiter offenbart eine Zentrifugalpumpe,
umfassend ein Gehäuse,
einen Einlasskanal an einem Ende des Gehäuses, einen Fluideinlass am
Umfangsrand des Gehäuses,
einen Rotor mit sich axial erstreckenden Schaufeln, eine Gasaustrittskammer,
die unter der Trennkammer durch eine Trennwand abgetrennt ist, einen
Gasauslass in der Gasaustrittskammer und Öffnungen in der Trennwand,
um eine strömungsmäßige Verbindung
zwischen den Kammern herzustellen. Eine Suspension wird innerhalb
der Pumpe so rotiert, dass eine Gasblase an einem mittigen Abschnitt
der Pumpe erzeugt wird und Gas aus der Gasblase mit einem Gasablassdruck
abgelassen wird. Der Gasablass führt
zu einer Vakuumpumpe.
-
Die
Ablassströmungsrate
des Fluids wird durch ein Ventil und einen Strömungsmesser im Fluidauslass
gesteuert. Ein dP-Instrument ist zwischen dem Fluidauslass und einem
Flüssigkeitsbehälter, aus
dem das Fluid zu dem Einlass heranströmt, angeschlossen. An den Fluideinlass
und den Gasauslass ist eine dP-Steuerung angeschlossen, um den Druckunterschied
zwischen dem Suspensionseinlass und dem Gasauslass zu messen.
-
US-Patent
Nr. 3,546,854 an Müller
offenbart einen nicht-drehenden Zentrifugalseparator, umfassend ein
zylindrisches Gehäuse,
ein Einlassrohr an einem Ende des Gehäuses, ein Auslassrohr und ein
Abflussrohr am entgegengesetzten Ende und eine Leitblechbaugruppe,
die Schaufeln umfasst, die an einem Montagerand in der Form einer
Scheibe angebracht sind. Zentrifugalkraft trennt ein gasförmiges Fluid
in einen Gasstrom in der Mitte und einen aus Flüssigkeitspartikeln bestehenden
Ringmantel. Der Gasstrom verlässt
den Auslass, während
das Fluid durch den Abfluss austritt.
-
US-Patent
Nr. 3,597,904 an Jakobsson und Mitarbeiter offenbart eine Flüssigkeits-Gas-Trennvorrichtung,
umfassend ein Pumpengehäuse,
einen Einlass, der zu dem Gehäuse
führt,
ein Gasablassrohr, das in dem Einlass entlang einer Mittelachse
des Pumpengehäuses
angeordnet ist, eine Vakuumquelle, die an das Gasablassrohr angeschlossen
ist, einen Pumpenrotor, der von einer Welle angetrieben wird, um
Schaufeln dergestalt anzutreiben, dass das Fluid entlang den Wänden durch
einen Auslass am Umfangsrand des Gehäuses strömt.
-
US-Patent
Nr. 4,136,018 an Clark und Mitarbeiter offenbart einen Wirbelseparator,
umfassend eine zylindrische Kammer, einen Einlass an einem ersten
Ende, der sich koaxial zu einem Leichtrückstandsausstoßrohr erstreckt
und dieses umgibt, eine Welle, die ein Flügelrad an einem zweiten, entgegengesetzten
Ende in Drehbewegung versetzt, eine durchbrochene Wand am zweiten
Ende, eine Gutstoffkammer, die zu einem Gutstoffrohr führt, und
einen Schwerrückstandsauslass
in einer Seitenwand neben der ersten Wand. Das Flügelrad definiert
einen Ringdurchlass.
-
US-Patent
Nr. 4,382,804 an Mellor offenbart einen Fluid-Teilchen-Separator, umfassend
ein zylindrisches Gehäuse,
das einen Separator enthält,
der eine Scheibe von im Wesentlichen dem gleichen Durchmesser wie
die Innenwand des Gehäuses
umfasst, wodurch ein kleiner radialer Spielraum bleibt. Die Scheibe
ist mit mehreren Schaufeln ausgebildet. Hinter dem Separator ist
eine Ablenkplatte angeordnet. Ein Fluideinlass ist an einem Ende
des Gehäuses
angeordnet, und ein Fluidauslass ist am entgegengesetzten Ende angeordnet.
-
US-Patent
Nr. 4,416,672 an Underwood offenbart eine Vorrichtung zum Entfernen
von Gas aus einem Schlamm, umfassend eine Kammer mit einem Einlass
an einem Ende und Schlamm- und Gasauslässen am entgegengesetzten Ende.
Eine Welle ist mittig entlang der Achse der Kammer angeordnet und
ist an Schaufeln und zwei voneinander beabstandeten Scheiben befestigt.
Wenn die Scheiben und Schaufeln der Welle sich drehen, so wirkt
auf den Schlamm eine Fliehkraft ein, wodurch das Gas vom Schlamm
getrennt wird. Der Schlamm tritt durch einen am Umfang oder Rand
liegenden Auslass aus, während
das Gas durch mehrere Gasauslässe
austritt.
-
US-Patent
Nr. 4,955,992 an Goodale und Mitarbeiter offenbart ein Fluidentlüftungssystem,
umfassend einen Flüssigkeitsvorratsbehälter mit
einem Einlass für
den Erhalt einer Flüssigkeit,
einem Auslass zum Ausstoßen
von entlüfteter
Flüssigkeit
und einer Vakuumquelle, die steuerbar über ein Ventil angeschlossen
ist, um Gas aus der Flüssigkeit
abzuziehen. Ein Leitblech verhindert, dass Luftblasen zu dem Auslass
strömen,
während
das Fluid weiter zu dem Auslass strömen kann. Ein Ventil in dem
Flüssigkeitseinlass
kann den Fluss zu dem Vorratsbehälter
unterbrechen, während
ein Vakuum angelegt wird. Ein zweites Ventil in einer Auslassleitung
kann den Fluss von dem Vorratsbehälter unterbrechen, wenn ein
Vakuum anliegt.
-
US-Patent
Nr. 5,324,166 an Elonen und Mitarbeiter offenbart eine Zentrifugalpumpe,
umfassend ein Gehäuse
mit einem Flüssigkeitsströmungseinlass,
ein Flügelrad
mit Pumpschaufeln und einem mittigen Gasdurchlass sowie einen Gasauslass,
der an eine externe Vakuumpumpe angeschlossen ist. Gas wird durch
das Flügelrad
und die Pumpschaufeln abgeschieden und wird in der Mitte des Gehäuses gesammelt,
wo es durch den mittigen Gasdurchlass des Flügelrades zum Gasauslass abgezogen
wird.
-
US-Patent
Nr. 4,976,586 an Richter und Mitarbeiter offenbart ein Pumpensystem,
umfassend ein Gehäuse
mit einem Einlass und einem Auslass, ein Flügelrad mit einer Nabe und Schaufeln,
einen Hohlrohrkörper
mit Schaufeln, die an einer Welle angebracht sind, die sich dreht
und Zellstoffbrei zu dem Flügelrad
drängt. Gas,
das sich am Flügelrad
angesammelt hat, wird durch einen Durchgang in der Welle des Rohrkörpers über eine
externe Vakuumpumpe abgezogen.
-
US-Patent
Nr. 5,622,621 an Kramer offenbart einen Fluidabscheider, umfassend
eine zylindrische rotierende Schale, einen Einlass an einem Ende
der Trommel, umfänglich
voneinander beabstandete Schaufeln nahe dem Einlass sowie Auslassabschnitte,
die entlang des Umfangs um den Einlass beabstandet sind und zu einem
Gasverteiler führen.
Wasser sammelt sich am Umfangsrand der Schale an, während Gas
mit geringerer Dichte in die Auslassabschnitte gedrängt wird.
Das Wasser fließt über axiale
Durchlässe,
die im Umfangsrand der Wände
der Schale ausgebildet sind, auf ein Scheibenpumpenabteil.
-
Ein
Fliehkraftkompressor, der eine Nabe mit radial angeordneten Schaufeln
aufweist, ist aus US-Patent Nr. 2,611,241 an Schulz offenbart.
-
Eine
Drucküberwachungssteuerung
von Ventilen ist aus US-Patent Nr. 5,190,515 an Eaton und Mitarbeiter
bekannt, wo ein System zum Erfassen und Steuern des Flüssigkeitsstandes
in einer Zentrifugenschale offenbart ist, umfassend einen Drucksensor
an dem Auslass der Schale, der mit einer Steuerung und einem Ventil
des Einlasses verbunden ist. Über
eine Vakuumquelle wird Gas aus dem Gehäuse abgezogen.
-
US-Patent
Nr. 1,993,944 an Peebles lehrt eine Zentrifugalpumpe, bei der der
Druck im Inneren der Pumpe überwacht
wird, um ein Ventil am Auslass zu steuern.
-
US-Patent
Nr. 5,800,579 an Billingsley und Mitarbeiter offenbart eine Drucksteuerungsvorrichtung
für einen
Zyklonseparator, umfassend einen Druckdifferenzmesswertwandler zum
Messen des Drucks in der Kammer des Zyklonseparators. Ein Drucksensor
befindet sich in der Trennkammer, und eine Mikroprozessorsteuerung
ermittelt Druckunterschiede zwischen Einem voreingestellten Ventil
und einem Druck in der Trennkammer. Ein Steuerventil mit variabler
Strömung
ist mit einer Ablassöffnung
der Kammer verbunden und erhöht
den Luftstrom in Reaktion auf einen erhöhten Druck in der Trennkammer,
der durch die Steuerung erfasst wird.
-
Es
besteht Bedarf an Entlüftungsvorrichtungen,
die eine vollständig
luftfreie Beschichtung herstellen können, während sich in geringem Maße Wärme entwickelt.
Des Weiteren besteht auf diesem technischen Gebiet der Bedarf, dass
diese Vorrichtungen so aufgebaut sind, dass sie zum Reinigen mühelos zerlegt
werden können.
Schließlich
besteht angesichts der derzeitigen Technologien, bei denen teure
Vakuumsysteme zum Einsatz kommen, um vollständig luftfreie Beschichtungen
zu erhalten, Bedarf an einer kostengünstigen Lösung zum Herstellen von vollständig luftfreien
Beschichtungen. Insbesondere wird eine Entlüftungsanlage benötigt, bei
der die hohen Kosten einer großen
Vakuumkammer und die resultierenden hohen Kosten zur Erzeugung eines
Vakuums überwunden
werden. Es besteht des Weiteren Bedarf an einer Druckunterschiedsüberwachung,
um auf ankommende und abgehende Fluide einzuwirken, und an Prozesssteuerungen,
die unabhängig von
Prozessstörungen,
wie beispielsweise übermäßiger ankommender
Luft oder vorübergehender
Vakuumverluste, die Zufuhr von luftfreien Fluiden gewährleisten.
-
KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
-
Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Entlüftungsvorrichtung
bereitzustellen, die eine vollständig
luftfreie Beschichtung herstellen können, während sich nur wenig Wärme entwickelt.
-
Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Entlüftungsvorrichtung
bereitzustellen, die sich zum Reinigen mühelos zerlegen lässt.
-
Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Entlüftungsanlage
bereitzustellen, mit der sich vollständig luftfreie Beschichtung
herstellen lassen, während
die hohen Kosten einer großen
Vakuumkammer und die resultierenden hohen Kosten zur Erzeugung eines
Vakuums überwunden
werden.
-
Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Entlüftungsanlage
bereitzustellen, bei der eine Druckunterschiedsüberwachung verwendet werden
kann, um ankommende und abgehende Fluide zu steuern.
-
Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Prozesssteuerungen
bereitzustellen, die unabhängig
von Prozessstörungen,
wie beispielsweise übermäßiger ankommender
Luft oder vorübergehender Vakuumverluste,
die Zufuhr von luftfreien Fluiden gewährleisten.
-
Dementsprechend
umfasst eine Entlüftungsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung eine stationäre Trennkammer mit einer ersten
und einer zweiten einander gegenüberliegenden
Wand und einer Umfangswand zwischen der ersten und der zweiten einander
gegenüberliegenden
Wand. Eine rotierende Schaufel ist an einer Welle angebracht. Um
das Vermischen mit einer Ringströmung
zu verhindern, können
eine Scheibe, sekundäre
gewinkelte Schaufeln oder ein zylindrisches Element an der rotierenden
Schaufel an geeigneten Stellen angebracht sein. Die Baugruppe der
rotierenden Schaufel mit einer Scheibe ist mittels einer Nabe und
einer Mutter, die die Nabe an der Welle hält, angebracht. Ein mittiger
Abschnitt der Schaufel ist ausgeschnitten oder hat eine Kerbe, dergestalt,
dass ein Zugang zum Abnehmen der Mutter von der Nabe zum Erleichtern
der Demontage geschaffen wird.
-
Ein
großer
Einlass führt
zu der stationären
Kammer an der ersten Wand und ist entlang einer Mittelachse der
Kammer angeordnet. Ein Luftsperranschluss liegt im Inneren des Einlasses
und ist entlang einer Mittelachse der Kammer angeordnet. Zwischen
dem Bereich, der von der rotierenden Schaufel bestrichen wird, und
der Umfangswand ist ein Spalt ausgebildet. Der Spalt führt zu einer
Austrittskammer, die zwischen der zweiten Wand und den rotierenden
Schaufeln angeordnet ist. Die zweite Wand hat einen Auslass, der
mit dem Spalt in strömungsmäßiger Verbindung
steht. Wenn die rotierende Schaufel an einer Scheibe befestigt ist,
so wird zwischen der Scheibe und der Umfangswand ein Ringraum gebildet.
Der Ringraum kann den gleichen Umfang haben wie – oder kann einen anderen Umfang
haben als – der
Spalt, der durch die Schaufel entlang des übrigen Teils der Kammer gebildet
wird. Durch den Luftsperranschluss wird ein Vakuum angeschlossen.
Ein Ventil mit variabler Öffnung
befindet sich am Einlass und am Fluidauslass. Am Einlass und Auslass
sind des Weiteren Drucksensoren angeordnet. Die Ventile werden so
gesteuert, dass die Fluidströmung, der
interne Pegel und der Druck in der Kammer reguliert werden.
-
Die
verschiedenen neuartigen Merkmale, welche die Erfindung kennzeichnen,
werden konkret in den Ansprüchen
dargelegt, die dieser Offenbarung angehängt sind und einen Teil von
ihr bilden. Für
ein besseres Verständnis
der Erfindung, ihrer funktionalen Vorteile und speziellen Aufgaben,
die durch ihren Gebrauch erfüllt
werden, wird auf die begleitenden Zeichnungen und die Beschreibung
Bezug genommen, worin eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht
wird.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
In
den Zeichnungen ist:
-
1:
ein Schaubild der Entlüftungsanlage
der vorliegenden Erfindung.
-
2A:
eine seitliche Querschnittsansicht der Entlüftungsanlage der vorliegenden
Erfindung.
-
2B:
eine seitliche Querschnittsansicht der Entlüftungsanlage der vorliegenden
Erfindung mit einer Vorscherungskammer.
-
3A:
eine seitliche Querschnittsansicht einer Entlüftungsanlage, bei der eine
Schaufel an einer Scheibe angebracht ist.
-
3B:
eine auseinandergezogene Ansicht des Zusammenbaus der in 3A gezeigten
Schaufel.
-
3C:
eine seitliche Querschnittsansicht einer Entlüftungsanlage, bei der zwei
Schaufeln an einer Scheibe angebracht sind.
-
4A:
eine seitliche Querschnittsansicht, die schematisch sekundäre gewinkelte
Schaufeln zum Verhindern einer Ringströmung in der Austrittskammer
zeigt.
-
4B:
eine Vorderansicht der gewinkelten Schaufeln von 4A.
-
5:
eine seitliche Querschnittsansicht, die schematisch einen Ring zum
Verhindern einer Ringströmung
in der Austrittskammer zeigt.
-
6:
ein Schaubild der Entlüftungsanlage
der vorliegenden Erfindung, bei der entlüftetes Fluid in einer Beschichtungsanwendung
verwendet wird und zusätzliches
Fluid in den Tank zurückgeleitet
wird.
-
BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Wenden
wir uns nun den Zeichnungen zu, wo gleiche Bezugszahlen gleiche
oder ähnliche
Elemente bezeichnen. 1 zeigt eine Entlüftungsanlage 10.
Die Entlüftungsanlage 10 beginnt
mit einem Tank 12, der ein zu entlüftendes Fluid enthält. Ein
Entlüfter 14 liegt
stromabwärts
vom Tank 12. Der Entlüfter 14 hat
einen Einlass 16 und einen Luftsperranschluss 18 an
einem Ende und einen Auslass 46 an einem gegenüberliegenden
Ende. Der Entlüfter 14 empfängt ein
Fluid durch den Einlass 16 und entlässt entlüftetes Fluid durch den Auslass 46 am
gegenüberliegenden
Ende. Ein Ventil 50 befindet sich zwischen dem Tank 12 und
dem Entlüfter 14 zum
Steuern des Volumens an Fluid, das zum Entlüfter 14 strömt. Ein
Drucksensor 55 und ein Auslassventil 57 befinden
sich nahe dem Auslass 46 des Entlüfters 14. Eine Sammelkammer 60 liegt
stromabwärts
vom Entlüfter 14 und
empfängt
entlüftetes
Fluid. Der Luftsperranschluss 18 ist an einen Entgaser 70 und
eine Vakuumquelle 75 angeschlossen. Ein Vakuumsensor 80 ist
an die Vakuumquelle 75 angeschlossen. Bei der Vakuumquelle 75 kann
es sich um eine beliebige Quelle zum Erzeugen eines Vakuums handeln,
die mit minus 12 psi arbeiten kann.
-
Das
Vakuum wird in dem Einlass 16 mit einem Ventil 50 mit
variabler Öffnung
gehalten. Diese Ventilöffnung
sowie der Vakuumpegel steuern die in das System hineingehende Strömung. Ein
Ventil 57 mit variabler Öffnung nahe dem Auslass 46 steuert
die Strömung,
die das System verlässt.
Die Ventile werden von den Drucksensoren 55 und 80 in
dem System über
geeignete Steuerungsmittel, wie beispielsweise elektronische, pneumatische
oder mechanische Mittel, angesteuert.
-
Beispielsweise
können
der Drucksensor und der Vakuumsensor ein elektronisches Signal erzeugen, das
die Stellung des Ventils mit variabler Öffnung steuert. Elektronische
Daten werden an eine programmierbare Logiksteuerung (PLC) in Form
digitaler Daten und Spannungsdaten gesandt. Dann wird das Ventil
mittels einer Proportional-Integral-Derivative-Steuerung (PID-Steuerung)
gesteuert. Eine PID-Steuerung misst einen Ausgangswert eines Prozesses
und steuert einen Eingangswert, mit dem Ziel, den Ausgabewert auf
einem Zielwert zu halten, den man den "Sollwert" nennt. Der Grundgedanke ist, dass die
Steuerung einen Sensor liest. Dann zieht sie die Messung von einem
gewünschten
Sollwert ab, um einen "Fehler" zu ermitteln. Der
Fehler wird dann auf drei verschiedene Arten gleichzeitig behandelt.
Um die Gegenwart zu verarbeiten, wird der Fehler mit einer proportionalen
Konstante P multipliziert. P ist immer negativ, um den Ausgangswert
in Richtung des Sollwerts zu verschieben. Um die Vergangenheit zu
verarbeiten, wird der Fehler über
einen Zeitraum hinweg integriert (oder gemittelt, oder summiert)
und dann mit einer Konstante I multipliziert. Um die Zukunft zu
verarbeiten, wird die erste Ableitung des Fehlers (seine Änderungsrate)
im Verhältnis
zur Zeit berechnet und mit einer weiteren Konstante D multipliziert.
Wenn die Summe aus dem Obigen ungleich Null ist, aber zu klein,
um eine Auswirkung zu haben, so wird der kleinste Wert mit dem gleichen
Vorzeichen (in der Regel –1 oder
1) erzeugt. Die Summe aus dem Obigen wird zu dem letzten Ausgangswert
der PID-Schleife addiert. Dadurch wird jeglicher konstanter Versatz
in dem Steuerungsverhalten beseitigt. Ein Computer übermittelt
einen erzeugten Ausgangswert an das Ventil. Die Ausgangszahl wird
einer Funktion zugeordnet, wie beispielsweise Öffnen oder Schließen. Dadurch öffnet oder
schließt
das Ventil auf der Grundlage der ausgegebenen Ausgangszahl.
-
Während des
Betriebes arbeitet das Steuerungsmittel folgendermaßen mit
dem Vakuumpegel. Aufgrund der Eigenart von Vakuumgeneratoren schwankt
der tatsächliche
Vakuumpegel dergestalt, dass der Luftstrom ausgeglichen wird, der
aus dem Fluid abgezogen wird. Ein größerer Luftstrom bringt ein
geringeres Vakuum mit sich, wodurch natürlich die Pumpwirkung des Vakuumgenerators
verstärkt
wird. Wenn das Vakuum zu gering wird, so muss die Flüssigkeitsströmungsrate
verlangsamt werden, um den Gasstrom zu verringern und das Vakuum über dem
Wert zu halten, der für
einen guten Blasenaustrag erforderlich ist. Wenn der Eingangsstrom
sich verlangsamt, so muss sich auch der Ausgangsstrom verlangsamen,
um den Pegel im Inneren des Entlüfters 14 aufrecht
zu erhalten. Die Vakuumkapazität
wird groß genug
bemessen, damit sie die ankommende Luft mit der gewünschten
Strömungsrate
und dem gewünschten
Luftgehalt austragen kann. Es ist wichtig, dass das Steuerungsmittel
einen Mindestvakuumpegel aufrecht erhält, selbst wenn der ankommende
Luftgehalt mit einer unerwarteten Stoßbelastung schwankt, wie beispielsweise
im Fall einer neuen Beschichtungsladung mit hohem Luftgehalt. Andernfalls
würden
Blasen in den nächsten
Prozess hineingetragen werden.
-
Des
Weiteren muss der Pegel im Inneren des Entlüfters 14 so gehalten
werden, dass weder der Vakuumempfänger mit Fluid überschwemmt
wird, noch dass die Kammer mit zu wenig Fluid für den Prozessablauf unterversorgt
wird.
-
Schließlich müssen die
Prozessströmungsrate
und der Mindestvakuumpegel durch den Bediener justiert werden können, um
sie an die Anforderungen des Prozesses und an die hergestellte Güte anzupassen.
-
Unter
Verwendung des oben beschriebenen Steuerungsmittels stellt der Bediener
ein Maximalströmungsziel
und einen Mindestvakuumpegel ein. Wenn das Vakuum unter diesem Pegel
liegt, so wird die Eingangsströmung
verringert, um die Gasbelastung zu verringern. Sobald der Mindestvakuumpegel
erreicht ist, wird das Einlassventil in einer Stellung gehalten,
mit der die maximale Strömungsrate
erzeugt wird. Diese Strömungsrate
entspricht einem Vakuumpegel und einer Ventilstellung.
-
Die
Pegelregelung im Inneren des Entlüfters 14 wird durch
Erfassen des Unterschiedes zwischen dem Druck am Auslass 46 und
dem Einlassdruck gesteuert. Wenn der Pegel im Inneren des Entlüfters 14 abfallen kann,
so fällt
der Druckunterschied, da die Zentrifugalkraft den Beitrag vom Kern
verloren hat. Wenn der Druckunterschied fällt, schließt sich ein Steuerventil am
Auslass 46, um den Pegel wiederherzustellen.
-
Wenden
wir uns nun dem Entlüfter
der vorliegenden Erfindung zu. 2A zeigt
einen Entlüfter 14,
der eine stationäre
Trennkammer 22 umfasst, die ein Volumen definiert und eine
Mittelachse hat. Die Trennkammer 22 umfasst eine Kammerwand
mit einem vorderen Wandabschnitt 24, einem Umfangsrandabschnitt 26 und
einen Rückwandabschnitt 28.
-
Der
Einlass 16 ist ein Ringraum, der am vorderen Wandabschnitt 24 angeordnet
ist und eine L-Form mit einem Knie 17 aufweist. Der Einlass 16 mündet in
die Kammer 22 entlang der Mittelachse. Dadurch tritt Fluid
in den Einlass 16 in einer Achse ein, die im rechten Winkel
zur Mittelachse verläuft,
und wird dann durch das Knie 17 so umgelenkt, dass es parallel
zu – und
entlang der – Mittelachse
strömt.
Der Luftsperranschluss 18 liegt im Inneren des Eingangs 16 und
tritt durch eine Außenwand
des Einlasses an einem Abschnitt des Einlasses aus, der eine Achse
aufweist, die im rechten Winkel zur Mittelachse verläuft. Der
Einlass 16 hat einen großen Durchmesser, der zwischen
25 % und 50 % des Durchmessers der Kammer liegt und ganz besonders
bevorzugt 33 % des Durchmessers der Kammer misst. Der große Durchmesser
des Einlasses minimiert die Flüssigkeitssäule im Tank,
die erforderlich ist, um das Fluid in die Kammer zu drängen, verhindert,
dass der Einlassdruck zu einem Vakuum wird, und erzeugt etwas Druck,
um Rückstände aus
der Kammer zu drängen. Der
große
Durchmesser minimiert außerdem
Turbulenzen während
des Übergangs
von der linearen zur rotierenden Strömung, was wiederum die Entwicklung
von Wärme
minimiert.
-
Die
Trennkammer 22 beherbergt eine rotierende Schaufel 32 oder
mehrere solcher Schaufeln, die an einer Welle 36 befestigt
sind, die durch die Rückwand 28 in
die Kammer 22 eintritt. Die Welle 36 wird durch einen
(nicht gezeigten) Motor gedreht. Die Schaufel 32 ist von
den Wänden
der Kammer beabstandet, so dass ein kleiner Spalt 44 entsteht.
Die Drehung der Schaufel 32 definiert ein Bestreichungsvolumen,
das einen wesentlichen Teil des Kammervolumens einnimmt, und zwar
im Bereich von 40 % bis 97 % des Kammervolumens. Das Bestreichungsvolumen
ist daher als das Kammervolumen definiert, das bestrichen wird,
wenn sich die Schaufel 32 entlang ihrer Achse dreht.
-
Der
kleine Spalt 44 führt
zu einer Austrittskammer 68, die sich zwischen dem Rückwandabschnitt 28 und
der Rückseite
der Schaufel 32 befindet. Der Rückwandabschnitt 28 hat
einen Auslass 46. Der Bereich des Spalts 44 ist deutlich
größer als
der Bereich des Auslasses 46, um Rückstau zu minimieren. Dieser
Bereich ist vorzugsweise 30 % größer als
der Auslassbereich, kann aber auch bis zu 60 % größer sein
als der Auslassbereich. Fluid strömt schneller durch den Auslass 46 als
durch den Spalt 44. Es wurde festgestellt, dass der Spalt 44 zur
Verringerung der Entwicklung von Wärme beiträgt.
-
Eine
in 2B gezeigt alternative Ausführungsform enthält eine
Vorscherungskammer. Die Vorscherungskammer enthält ein großes Luftsperrrohr 18b des
Luftsperranschlusses 18, das an der Vorderseite der rotierenden
Schaufel 32 angebracht ist und von einem Vorscherungsringraum 19 umgeben
ist, durch den das Fluid in die Kammer eintritt. Der Vorscherungsringraum 19 zerstört jegliche
Struktur in dem heranströmenden Fluid,
die eine Blase während
ihres Entfernens überwinden
müsste.
Er beschleunigt auch das heranströmende Fluid auf die Drehgeschwindigkeit
der Schaufeln. Dies ist wichtig, da Fluide Polymere aufweisen, die
mit anderen Polymeren Strukturen bilden, und eine Vorscherung dieser
Strukturen senkt die Viskosität,
gegen die eine Blase während
ihres Entfernens arbeitet. Dies wiederum verringert die Prozessintensität des Entlüfters. Oder
anders ausgedrückt:
Die Vorscherung ermöglicht
das Entfernen von Luft mit weniger Arbeit und weniger Wärmeentwicklung
durch den Entlüfter.
-
Bei
anderen alternativen Ausführungsformen
können
verschiedene Strukturen verwendet werden, um eine Ringströmung in
der Austrittskammer 68 zu vermeiden. Bei der in 3A gezeigten
alternativen Ausführungsform
beherbergt die Trennkammer 22 eine rotierende Schaufel 32,
die über
eine Scheibe 34 an einer Welle 36 befestigt ist.
Die Welle 36 wird durch einen (nicht gezeigten) Motor gedreht,
der wiederum die Scheibe und die daran angebrachten Schaufeln 32 dreht.
Die rotierenden Schaufeln 32 sind an der Welle 36 und
der Scheibe 34 mittels einer Nabe 38 und einer
Mutter 40 befestigt, wie in 3B gezeigt.
Die Schaufeln 32 haben eine Kerbe 42, um den Zugang
zu der Mutter 40 zu gestatten, um die Mutter von der Nabe 38 abnehmen
zu können
und die Schaufeln 32, die Scheibe 34 und die Nabe leichter
zerlegen zu können.
Die Scheibe 34 verhindert außerdem eine Ringströmung in
der Auslasskammer 68.
-
Die
Scheibe 34 ist von der Umfangswand der Kammer durch einen
Ringraum 30 beabstandet, der den gleichen Durchmesser haben
kann wie – oder
einen anderen Durchmesser haben kann als – der Spalt 44.
-
Wie
in 3C gezeigt, kann mehr als eine einzige Schaufel
an der Scheibe 34 befestigt sein. 3C zeigt
Schaufeln 33a und 33b, die an einer Scheibe 34 befestigt
sind. Der Durchmesser des Ringraums 30 ist außerdem kleiner
als der Durchmesser des Spalts 44.
-
Bei
einer weiteren alternativen Ausführungsform
können
sekundäre
gewinkelte Schaufeln verwendet werden, um einen ausgleichenden Pumpdruck
zu erzeugen, um eine Ringströmung
in der Austrittskammer 68 zu verhindern. 4A zeigt
schematisch eine gewinkelte Schaufelbaugruppe 41, die gewinkelte
Schaufeln 45 umfasst, die an der Rückseite der Schaufel 32 mittels
einer Nabe 38 und einer Mutter 40 (nicht gezeigt)
befestigt sind, welche die Nabe an der Welle hält. Die gewinkelten Schaufeln
weisen zur Kammerrückwand 28. 4B zeigt
eine Vorderansicht der gewinkelten Schaufeln, die zur Kammerrückwand 28 weisen.
-
5 zeigt
eine alternative Ausführungsform,
bei der ein zylindrisches Element oder ein Ring 47 an der
Rückseite
der Schaufel 32 befestigt ist, um eine Ringströmung in
der Austrittskammer 68 zu verhindern.
-
Der
Entlüfter
arbeitet folgendermaßen.
Fluid aus einem Speichertank wird über den Einlass 16 in
die Trennkammer 22 geleitet. Die Schaufel 32 dreht
sch mit einer relativ hohen Drehzahl (beispielsweise zwischen 2500
und 7200 U/min) und bewirkt, dass das Fluid in der Kammer verwirbelt
wird. Wenn eine Scheibe verwendet wird, so wird das Fluid bis nahe
an die Winkelgeschwindigkeit der Scheibe beschleunigt. Insbesondere
beginnt das einströmende
Fluid in dem Einlass 16 infolge der Drehung des Fluids
in der Kammer, sich zu drehen. Das Drehen des einströmenden Fluids
in dem Einlass 16 gestattet es dem Fluid, seine Drehbewegung
in dem Einlassringraum allmählich
aufzunehmen, bevor die Schaufeln ihm die volle Geschwindigkeit verleihen,
wodurch die Turbulenzen verringert werden, die entstehen, wenn eine
axiale Strömung
in eine rotierende Strömung
umgewandelt wird. Eine wichtige Entdeckung der vorliegenden Erfindung
ist deshalb, dass die verringerten Turbulenzen die Wärmeentwicklung
verringern, was ein typisches Problem bei Entlüftern mit rotierenden Schaufeln
und Zentrifugalpumpen ist. Das Verringern des Schereffekts zwischen
den Schaufeln und der Kammerwand kann die Energie ebenfalls – je nach
der Größe des Spalts 44 – bis zu
90 % verringern.
-
Wenn
das einströmende
Fluid das Einlassventil 50 passiert, so hat es einen verringerten
Druck. Die Blasen dehnen sich sofort aus und erhöhen ihren Auftrieb um das Doppelte
oder Vierfache. Bei einem verringerten Druck kocht gelöste Luft
aus der Lösung
aus, wodurch ebenfalls diese Blasen vergrößert werden. Des Weiteren kocht
etwas Wasser, um den Dampfdruck wiederherzustellen, und trägt zur Größe der Blasen
bei. Größere Blasen
lassen sich einfacher aus viskosen Fluiden entfernen. In dem Maße, wie
sich das Fluid während
der Zentrifugierung der Außenwand
der Kammer nähert,
steigt der Druck, und alle verbliebenen Blasen platzen, und die
Luft geht in die Lösung
zurück.
Das Fluid, das den Entlüfter
durch den Auslass 46 verlässt, ist eine luftverarmte
Lösung
und löst
Luft aus der Umgebung auf. Dies ist besondern hilfreich für Beschichtungsvorrichtungen,
die diese Luft aus den Leitungen, Filtern und allen Kammern, wo
sich Luft ansammeln kann, herausspülen müssen. Infolge der Zentrifugalkraft
sammelt sich Schaum mit hohem Luftgehalt entlang der Mittelachse
der Kammer an. Die Rotation hilft, die Flüssigkeit aus dem Schaum abzulassen,
kleine Blasen zu größeren platzen
zu lassen und einen Schaum mit hohem Luftgehalt zu erzeugen. Der
Schaum mit hohem Luftgehalt wird dann mittels der Vakuumquelle 75 über den
Luftsperranschluss 18 aus der Kammer 22 abgezogen. Der
prozentuale Luftgehalt, der durch den Luftsperranschluss 18 austritt,
beträgt
etwa 90–99
% und wird im Entgaser 70 weiter abgelassen, bevor die
Gasphase in die Vakuumquelle 75 gezogen wird.
-
Luftarmes
Fluid wandert zur Umfangswand der Kammer 22. Auf die Umfangswand
der Kammer kann ein Druck von 60 psi einwirken, während der
Schaum am mittigen Kern einen Druck von 10 Inch Wassersäule bzw.
12 psig hat. Dieser Druckgradient verhindert, dass die Luft nach
außen
wandert, und gewährleistet
ihr Ansammeln entlang der Mittelachse der Kammer 22. Fluid
mit geringem Luftgehalt strömt über den
Spalt 44 oder den Ringraum 30, wenn eine Scheibe 34 verwendet
wird, von der Trennkammer 22 zum Auslass 46.
-
Vier
Merkmale der vorliegenden Erfindung tragen zu einer verringerten
Wärmeentwicklung
bei. Zu diesen vier Faktoren gehören
der Spalt 44 zwischen den Kammerwänden und der Schaufel, ein
Mittel zum Verhindern einer Ringströmung in der Austrittskammer 68 durch
eine radiale Scheibe, gewinkelte Schaufeln oder Schaufeln, die an
einer Scheibe befestigt sind, die Struktur und der große Bereich
des Einlasses, wodurch die Turbulenzen des heranströmenden Fluids
verringert werden und die Drehbewegung des heranströmenden Fluids
allmählich
beschleunigt wird, und ein Vorscherungsringraum in dem Einlass,
der die Viskosität
des Fluids verringert, wodurch die Prozessintensität verringert
wird, die nötig
ist, um Blasen zu entfernen. Die folgenden Tabellen 1–6 zeigen
die Wärmeentwicklung
bei verschiedenen Kombinationen dieser Merkmale.
-
Tabelle
1: Wärmeentwicklung
in Abhängigkeit
von der Fluidviskosität
bei einem Entlüfter
mit Schaufeln, wobei der Einlass durch ein 0,5 Inch messendes Rohr
gebildet wird, das von der Drehachse versetzt ist, und mit einem
0,25 Inch messenden Spalt.
-
Tabelle
2: Wärmeentwicklung
in Abhängigkeit
von der Fluidviskosität
bei einem Entlüfter
mit zwei Schaufeln, einem 0,5 Inch messenden Einlassrohr, das von
der Drehachse versetzt ist, und mit einem 0,5 Inch messenden Spalt.
-
Tabelle
3: Wärmeentwicklung
auf der Grundlage der Viskosität
von Wasser bei einem Entlüfter
mit vier Schaufeln, einem 0,5 Inch messenden Einlassrohr, das von
der Drehachse versetzt ist, und mit einem 0,25 Inch messenden Spalt.
-
Tabelle
4: Wärmeentwicklung
auf der Grundlage der Viskosität
von Wasser bei einem Entlüfter
mit zwei Schaufeln, einem 0,5 Inch messenden Spalt, einem 0,5 Inch
messenden Auslass und einem 2 Inch messenden Einlass.
-
Tabelle
5: Wärmeentwicklung
auf der Grundlage der Viskosität
von Wasser bei einem Entlüfter
mit 2 oder 4 Schaufeln, die mit einer Scheibe verbunden sind, und
mit verschieden großen
Spalten und Auslässen.
-
Tabelle
6: Wärmeentwicklung
bei einem Entlüfter
mit 2 Schaufeln, die mit einer Scheibe verbunden sind, und mit einem
0,5 Inch messenden Spalt bei verschiedenen Fluidverdünnungen.
-
Tabelle
5: Wärmeentwicklung
auf der Grundlage der Viskosität
von Wasser bei einem Entlüfter
mit 2 oder 4 Schaufeln, die mit einer Scheibe verbunden sind, und
mit verschieden großen
Spalten und Auslässen.
-
Tabelle
6: Wärmeentwicklung
bei einem Entlüfter
mit 2 Schaufeln, die mit einer Scheibe verbunden sind, und mit einem
0,5 Inch messenden Spalt bei verschiedenen Fluidverdünnungen.
-
Der
Entlüfter
der vorliegenden Erfindung kann durch verschiedene Charakteristika
des heranströmenden
Fluids beeinflusst werden. Erstens eignet sich die vorliegende Erfindung
für viele
verschiedene Arten von Fluiden mit einer breit gefächerten
Vielfalt an Viskositäten.
Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung mit Drucktinten, Ölen (beispielsweise
Motoröl),
Shampoos, Konditionierern und anderen ähnlichen Konsumgütern, Beschichtungsfluiden,
Lebensmittelprodukten (beispielsweise Tomatenpaste), Anstrichfarben
und Lacken verwendet werden.
-
Zweitens
erreicht der Entlüfter
der vorliegenden Erfindung eine deutliche Verringerung der Wärmeentwicklung
trotz sogenannter Eintrittseffekte von nicht-Newtonschen Fluiden,
die in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung
mit der Seriennummer 10/662,666 des Anmelders beschrieben sind.
Fluide haben eine Scherenergieabsorption (SAE), was die Voraussetzung
dafür ist,
Energie zu absorbieren, wenn das Fluid zu einer höheren Scherrate übergeht.
Die SAE eines Fluids hängt
mit der Auflösung
oder dem Zusammenbrechen der chemischen Strukturen, wie beispielsweise
Wasserstoffbrückenbindungen,
Van-der-Waals-Kräften
und der ionischen Assoziation zusammen. Sobald diese Energie vorhanden
ist, weist das Fluid eine geringere Viskosität auf. Da praktisch alle handelsüblichen
Fluide von nicht-Newtonscher Art sind, kann die SAE oder der Eintrittseffekt
in einem breiten Spektrum variieren.
-
Schließlich eignen
sich die Entlüftungsanlage
und der Entlüfter
der vorliegenden Erfindung besonders für Beschichtungsanwendungen. 6 zeigt
eine Entlüftungsanlage 100 zum
Entlüften
einer Beschichtung bei Beschichtungsanwendungen. Die Anlage 100 umfasst
einen Tank 112, der die zu entlüftende Beschichtung enthält, einen
Entlüfter 114,
der an den Tank 112 angeschlossen ist, und ein Einlassventil 150,
das sich zwischen dem Tank 112 und dem Entlüfter 114 befindet
und der Steuerung des Beschichtungsvolumens, das zu dem Entlüfter 114 strömt, dient.
Der Entlüfter 114 hat
einen Einlass 116 und einen Luftsperranschluss 118 an einem
Ende und einen Auslass 146 an einem gegenüberliegenden
Ende. Ein Drucksensor 155 and ein Ventil 157 befinden
sich nahe einem Auslass 146 des Entlüfters 114. Als nächstes trägt die Beschichtungsvorrichtung 140 die
fließende
Beschichtung auf eine Bahn auf, und ein Rückgewinnungsmittel 190 leitet
einen Teil der Beschichtung zurück
in den Tank 112. Der Luftsperranschluss 118 ist
an einen Entgaser 170 und an eine Vakuumquelle 175 angeschlossen.
Ein Vakuumsensor 180 ist mit der Vakuumquelle 175 verbunden.
-
Obgleich
eine konkrete Ausführungsform
der Erfindung im Detail gezeigt und beschrieben wurde, um die Anwendung
der Prinzipien der Erfindung zu veranschaulichen, versteht es sich,
dass die Erfindung auch auf andere Weise verkörpert sein kann, ohne von diesen
Prinzipien abzuweichen.