DE102011114554A1

DE102011114554A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Dosiereneines inkompressiblen Arbeitsfluids

Info

Publication number: DE102011114554A1
Application number: DE201110114554
Authority: DE
Inventors: Harald Gentischer; Dr. Biro Daniel; Jan Specht; Florian Clement; Maximilian Pospischil
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2013-04-04
Also published as: WO2013045711A1; EP2760584A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dosieren eines Arbeitsfluids, folgende Verfahrensschritte umfassend: A Bereitstellen des Arbeitsfluids (1, 1') innerhalb einer druckstabilen und formsteifen Pumpkammer (3, 3'); B Zuführen eines vorgegebenen Volumens eines inkompressiblen Pumpfluids (6, 6') mittels einer Dosierpumpe (5) in die Pumpkammer (3, 3'), wobei in der Pumpkammer (3, 3') an einer Grenzfläche zwischen Pumpfluid (6, 6') und Arbeitsfluid, welche Grenzfläche die Pumpkammer (3, 3') in einen Pumpfluidbereich und einen Arbeitsfluidbereich unterteilt, I. eine die Grenzfläche bildende flexible Membran in der Pumpkammer (3, 3') angeordnet wird, oder II. das Pumpfluid (6, 6') an der Grenzfläche unmittelbar an das Arbeitsfluid angrenzt, und Ausgeben des Arbeitsfluids (1, 1') aus mindestens einer Arbeitsfluidöffnung (4, 4') der Pumpkammer (3, 3'), indem das Arbeitsfluid (1, 1') in der Pumpkammer (3, 3') durch Zuführen das Pumpfluids (6, 6') verdrängt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Dosieren eines Arbeitsfluids.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Dosieren eines Arbeitsfluids.
Bei einer Vielzahl technischer Anwendungen ist es erforderlich, Fluide aus einem Reservoir in definierten Einzelmengen oder mit einem definierten Volumenstrom mit einem vorgegebenen Dosiergenauigkeitswert auszugeben bzw. zu fördern.
Üblicherweise werden Fluide beim Dosieren mit Hilfe von Pumpen, wie beispielsweise Membranpumpen, Zahnradpumpen, Zahnringpumpen, Schlauchpumpen, Peristaltikpumpen oder Kolbenpumpen gefördert. Häufig werden auch Systeme verwendet, bei denen das zu dosierende Fluid in einer Kunststoffkartusche bereitgestellt wird und unmittelbar, beispielsweise durch Druckluft aus der Kartusche gedrückt wird oder indem ein mechanisch angetriebener Kolben eine Kraft auf das Fluid in der Kartusche ausübt. Schließlich sind auch noch fluidische Fördervorrichtungen, die nach dem Extruder- bzw. Förderschneckenprinzip arbeiten, bekannt.
Grundsätzlich liegt die Herausforderung beim Dosieren darin, ein Fluid nicht nur zu fördern und auszugeben, sondern dabei auch die geförderte und ausgegebene Menge mit der für die jeweilige Anwendung notwendigen Genauigkeit zu steuern. Wenn es die Anwendung erlaubt, dann kommen zur Messung der geförderten Menge gravimetrische Messverfahren zum Einsatz. Dabei wird die Masse des ausgegebenen Fluides an der Ausgabestelle während des Dosiervorgangs mit einer Wiegevorrichtung bestimmt. Hierbei werden nur geringe Anforderungen an die Fördergenauigkeit der fluidischen Fördervorrichtung gestellt, da die Messgenauigkeit nur durch die Genauigkeit der Wiegevorrichtung begrenzt ist.
Ist es anwendungsbedingt nicht möglich, ein gravimetrisches Messverfahren zur Steuerung des Dosiervorgangs zu verwenden, so bedient man sich eines volumetrischen Verfahrens. In günstigen Fällen kann man dafür Durchflussmessgeräte einsetzen. In anderen Fällen genügt sogar die Kenntnis über das Verdrängungsvolumen der fluidischen Fördervorrichtung in Abhängigkeit von der relativen Vortriebsstellung der verdrängenden Teile der fluidischen Fördervorrichtung, um die geförderte Menge des Fluides zu bestimmen. Im Falle von Systemen, bei denen das Fluid unmittelbar aus einer Kartusche gedrückt wird, kann die geförderte Menge des Mediums beispielsweise ermittelt werden, indem die Kolbenfläche mit dem Versatz der Kolbenposition multipliziert wird. Wenn das Fluid bei diesen Vorrichtungen dagegen mit Hilfe von Druckluft verdrängt wird, kommen üblicherweise zeit-/druckgesteuerte Regelsysteme zum Einsatz. Dabei bildet man das Integral des Druckverlaufs in der Kartusche über die Zeit in Verbindung mit einem mathematischen Modell des Stromungsverhaltens des jeweiligen Fluides in der Kartusche und in allen Verbindungs- und Anschlusselementen bis zur Austrittsstelle.
Während sich eine Vielzahl von Fluiden hervorragend und mit hohen Dosiergenauigkeitswerten dosieren lässt, so gibt es auch Fluide, mit denen dies nur eingeschränkt möglich ist. Sollen beispielsweise Fluide, die eine sehr hohe Viskosität aufweisen dosiert werden, so scheiden unter anderem Membranpumpen oder Schlauchpumpen zu deren Förderung aus, weil diese Pumpen bauartbedingt einen bestimmten Förderdruck nicht überschreiten können. Werden Fluide dosiert, in welche Partikel aus einem Feststoff eingebettet sind, so können Pumpen, wie Zahnrad- und Zahnringpumpen, sowie Kolben- und Förderschneckenpumpen nur dann verwendet werden, wenn zwischen den bewegten Teilen der fluidischen Fördervorrichtung ausreichend mechanisches Spiel vorhanden ist. Das mechanische Spiel ist notwendig, um zu verhindern, dass sich Teile der Dosierpumpe durch die im Fluid eingelagerten Partikel verklemmen, bzw. um zu verhindern, dass die eingelagerten Partikel durch bewegte Teile der fluidischen Fördervorrichtung verformt werden. Das Spiel führt jedoch dazu, dass der erzielbare Druck begrenzt ist, somit lassen sich nur Fluide bis zu einer bestimmten Viskosität fördern. Im gleichen Maße, wie dadurch der Schlupf der fluidischen Fördervorrichtung zunimmt, verliert man die Möglichkeit, die geförderte Menge über das Verdrängungsvolumen der Vorrichtung zu bestimmen. Zudem führt die abrasive Eigenschaft der eingelagerten Partikel zur fortschreitenden Abnutzung aller Teile der fluidischen Fördervorrichtung, die mit dem fließenden Medium in Berührung kommen. Eine unerwünschte Folgeerscheinung ist neben dem Verschleiß der Vorrichtung auch die Tatsache, dass das Medium durch die von Teilen der Vorrichtung abgetragenen Partikel verunreinigt wird.
Auch bei anderen volumetrischen Mess- bzw. Dosierverfahren gibt es Erschwernisse. So lässt sich bei zeit-/druckgeregelten Systemen das Fließverhalten von gefüllten Fluiden mit mathematischen Modellen nur bis zu einem bestimmten Grad beschreiben, wodurch den zu erreichenden Dosiergenauigkeitswerten Grenzen gesetzt werden. Durchflussmessgeräte können generell nur ab einer bestimmten Fließgeschwindigkeit eingesetzt werden. Dabei ist auch die Messgenauigkeit je nach verwendetem Verfahren und je nach Art des zu dosierenden Fluides begrenzt.
Eine weitere Form der Erschwernis stellen Fluide mit aggressiven chemischen oder gesundheitsschädlichen Eigenschaften dar. Werden derartige Stoffe gefördert, so können nur gegen die jeweiligen Stoffe resistente Materialien für die Teile der fluidischen Fördervorrichtung und für Zu- und Ableitungen verwendet werden. Dadurch können sich Einschränkungen für die erzielbaren Betriebsparameter ergeben. Außerdem kann der Aufwand für die Reinigung der Vorrichtung ein hohes Ausmaß und ebenso wie die Bereitstellung solcher Fluide eine Gefährdung für die Bediener darstellen.
Alle genannten Phänomene, die bei der Interaktion von schwer handhabbaren Medien mit den jeweiligen Dosiersystemen auftreten haben dazu geführt, dass nach dem derzeitigen Stand der Technik zum Dosieren der genannten Fluide vorzugsweise zeit-/druckgeregelte Kartuschendosiersysteme eingesetzt werden, bei denen die Fluide in Kartuschen bereitgestellt werden und dadurch nicht bzw. nur in geringem Maße mit der Dosiervorrichtung in Kontakt geraten. Das hat zum einen den Vorteil, dass die Fluide nicht mit Teilen der fluidischen Fördervorrichtung interagieren können. Zum anderen beschränkt sich der Reinigungsaufwand auf das Austauschen der Kartusche und bei Bedarf der daran befestigten Düse. Die Schwierigkeit liegt bei diesem System allerdings darin, dass zum dosiergenauen Ausgeben der Fluide ein mathematisches Modell erstellt werden muss, welches das Strömungsverhalten des jeweiligen Fluides in der Vorrichtung bis zur Austrittsöffnung in Abhängigkeit von einer Vielzahl von Parametern und äußeren Einflüssen beschreibt. Bei gefüllten, thixotropen Fluiden ist es besonders schwierig, die Fließeigenschaften vorauszusagen, weil diese ein nicht-newtonsches Verhalten aufweisen, d. h. die Fließeigenschaften verändern sich insbesondere in Abhängigkeit vom Druck und von der jeweiligen Fließgeschwindigkeit an jeder einzelnen Stelle des Förderweges. Auch äußere Einflüsse, wie Temperatur und Luftdruck müssen ab einem bestimmten Dosiergenauigkeitswert berücksichtigt werden. Schon bei geringsten Änderungen am System oder an den äußeren Bedingungen, beispielsweise wenn eine andere Düse verwendet wird, muss das mathematische Modell in aufwändiger Weise angepasst werden. Besonders ungünstig ist der Umstand, dass für jedes verwendete Fluid gesonderte, außerordentlich aufwändige rheologische Untersuchungen durchgeführt werden müssen, um die für den Betrieb notwendigen Parameter zur Berechnung des Fließverhaltens zu ermitteln. Nicht zuletzt muss auch noch das schwer kalkulierbare Dehnungsverhalten der Kartusche in Abhängigkeit vom Druck in der Kartusche und vom Umgebungsdruck in die Berechnung mit einbezogen werden. Selbst wenn dies gelingt, so führt die Dehnung der Kartusche bei jedem Einzeldosiervorgang zu einem zeitlichen Versatz zwischen dem Zeitpunkt des Druckaufbaus und dem Erreichen der Fließgrenze des Fluides und somit zu einer Verzögerung der Fluidausgabe, wodurch die Anzahl der Einzeldosiervorgänge je Zeiteinheit stark eingeschränkt ist. Etwas bessere Genauigkeitswerte können erreicht werden, wenn die fluidverdrangende Kraft nicht über Druckluft, sondern mit einem mechanisch vorgetriebenen Kolben eingebracht wird. Limitierende Faktoren sind bei dieser Variante jedoch weiterhin das Dehnungsverhalten der Kartusche und die Positioniergenauigkeit des Kolbens. Teilweise wird versucht, die Dehnung der Kartusche unter Druck zu verringern, indem die Kartusche teilweise durch mechanische Vorrichtungen eingekapselt wird. Diese Formen der mechanischen Einkapselung sind jedoch nicht vollständig formschlüssig in Bezug auf die Kartuschen, weshalb eine Dehnung nicht vollständig verhindert werden kann. Auch in günstigen Fällen, in denen Fluide mit eher niedriger Viskosität und mit newtonschen Eigenschaften verwendet werden, können aus den genannten Gründen bei zeit-/druckgeregelten Kartuschendosiersystemen keine vergleichbar hohen Dosiergenauigkeitswerte wie bei starren fluidischen Fördervorrichtungen, die nach dem Volumenverdrängungsprinzip arbeiten, erreicht werden.
Eine Vorrichtung zum Dosieren von Flüssigkeiten umfassend eine optische Flüssigkeitsmessvorrichtung ist in DE 10 2008 016 513 A1 offenbart. Eine Vorrichtung zum Dosieren von kleinen Flüssigkeitsmengen mit Ausgabe aus einem Saugvolumen ist in DE 197 42 005 A1 offenbart, ein volumetrisch arbeitendes Dosierventil in EP 1 864 721 A1 .
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Dosieren eines Arbeitsfluids zu schaffen, um Arbeitsfluide mit einer grollen Bandbreite an Materialparametern, insbesondere an Viskositäten, mit einer verbesserten Dosiergenauigkeit auszugeben. Insbesondere soll das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung die Dosierung von pastösen Arbeitsfluiden und/oder mit Feststoffpartikeln versehenen Arbeitsfluiden hinsichtlich der Dosiergenauigkeit verbessern.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Dosieren eines Arbeitsfluids gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung zum Dosieren eines Arbeitsfluids gemäß Anspruch 5. Vorzugsweise Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 2–4. Vorzugsweise Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung finden sich in den Ansprüchen 6–15. Eine Erfindungsgemäße Verwendung findet sich in Anspruch 16. Hiermit wird der Wortlaut sämtlicher Ansprüche explizit per Referenz in die Beschreibung einbezogen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise zur Durchführung mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder einer vorzugsweisen Ausführungsform hiervon ausgebildet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder einer vorzugsweisen Ausführungsform hiervon ausgebildet.
Die Erfindung ist in der Erkenntnis des Anmelders begründet, dass zwar Pumpen zur hochgenauen Dosierung bekannt sind, solche hochgenaue Dosierpumpen jedoch nur mit Flüssigkeiten bestimmter Parameter, insbesondere Flüssigkeiten in einem bestimmten Viskositätsbereich, die gewünschte hohe Genauigkeit erreichen. Bei Verwendung solcher Pumpen für Arbeitsfluide mit unterschiedlichen physikalischen Parametern, insbesondere unterschiedlichen Viskositäten, schwankt folglich die Dosiergenauigkeit. Darüber hinaus sind hochviskose Arbeitsfluide, beispielsweise Pasten, häufig nicht zur Verwendung mit hochgenauen Dosierpumpen geeignet. Ein erster Aspekt der Erfindung besteht daher darin, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung mittels einer Dosierpumpe ein definiertes Volumen eines inkompressiblen Pumpfluids zu fördern, welches Pumpfluid wiederum durch Verdrängen zu einer synchronen Ausgabe des Arbeitsfluids führt: Das erfindungsgemäße Verfahren zum Dosieren eines Arbeitsfluids umfasst folgende Verfahrensschritte:
In einem Verfahrensschritt A wird ein Arbeitsfluid innerhalb einer druckstabilen und formsteifen Pumpkammer bereitgestellt. Druckstabil bedeutet hierbei und im Folgenden, dass die Pumpkammer einerseits formsteif hinsichtlich des bei Benutzung in der Pumpkammer auftretenden Innendrucks und andererseits formsteif hinsichtlich einer Einwirkung des Umgebungsdrucks auf die Pumpkammer ist. Formsteif wiederum bedeutet hierbei und im Folgenden, dass keine oder zumindest im Wesentlichen keine, bzw. eine im Bereich der geforderten Dosiergenauigkeit vernachlässigbare Verformung der mit Fluid durchströmten Komponenten aufgrund der Druckeinwirkung erfolgt.
In einem Verfahrensschritt A erfolgt ein Zuführen eines inkompressiblen Pumpfluids mittels einer Dosierpumpe in die Pumpkammer, wobei in der Pumpkammer an einer Grenzfläche zwischen Pumpfluid und Arbeitsfluid, welche Grenzfläche die Pumpkammer in einem Pumpfluidbereich und einen Arbeitsfluidbereich unterteilt, in einer ersten Variante I eine die Grenzfläche bildende flexible Membran in der Pumpkammer angeordnet wird oder in einer zweiten Variante II das Pumpfluid an der Grenzfläche unmittelbar an das Arbeitsfluid angrenzt.
Weiterhin erfolgt im Verfahrensschritt B ein Ausgeben des Arbeitsfluids aus mindestens einer Arbeitsfluidöffnung der Pumpkammer, indem das Arbeitsfluid in der Pumpkammer durch Zuführen des Pumpfluids verdrängt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich somit in zumindest zwei wesentlichen Aspekten vom vorbekannten Verfahren zum Dosieren eines inkompressiblen Arbeitsfluids, indem einerseits eine Entkopplung zwischen Dosierpumpe und Arbeitsfluid derart erfolgt, dass mittels der Dosierpumpe lediglich ein inkompressibles Pumpfluid gefördert wird und andererseits im Sinne der Funktionsweise eines Dosiersystems eine vollständige mechanische Kopplung zwischen Pumpfluid und Arbeitsfluid erzielt wird, indem an einer Grenzfläche in der Pumpkammer eine flexible Membran (Variante I) angeordnet wird oder das Pumpfluid unmittelbar an das Arbeitsfluid angrenzt (Variante II).
Hierdurch ergeben sich insbesondere die Vorteile, dass Pumpfluid und Dosierpumpe hinsichtlich einer größtmöglichen Dosiergenauigkeit optimiert werden können. Insbesondere können die physikalischen Eigenschaften des Pumpfluids derart gewählt werden, dass eine größtmögliche Dosiergenauigkeit mittels der verwendeten Dosierpumpe erzielt wird. Darüber hinaus ist die Dosiergenauigkeit wesentlich durch die Dosiergenauigkeit, durch welche die Dosierpumpe das Pumpfluid fördert, bedingt, sodass die erzielte Dosiergenauigkeit weitgehend unabhängig von dem verwendeten Arbeitsfluid ist. Darüber hinaus wird die Grenzfläche zwischen Arbeitsfluid und Pumpfluid entweder durch eine flexible Membran gebildet oder das Pumpfluid grenzt unmittelbar an das Arbeitsfluid an. Hierdurch kann eine erheblich größere Bandbreite an Arbeitsfluiden mit höherer Genauigkeit dosiert werden, verglichen mit vorbekannten Verfahren zum Dosieren. Insbesondere bei vorbekannten Verfahren, bei welchen innerhalb eines Zylinders das Arbeitsfluid mittels eines Kolbens aus dem Zylinder herausgedrückt wird, treten typischerweise an Dichtungselementen zwischen Kolben und Zylinder Fehler auf, insbesondere bei Verwendung von Arbeitsfluiden, welche feste Partikel umfassen, da insbesondere die festen Partikel sich zwischen Zylinder und Kolben verklemmen können und somit den Kolben blockieren oder die Dichtwirkung beeinträchtigen.
Solche Fehlerquellen sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beseitigt, da in Variante I eine flexible Membran verwendet wird, welche somit durch Formveränderung und/oder Ausdehnung ein Verdrängen des Arbeitsfluids innerhalb der Pumpkammer ermöglicht, ohne dass eine Relativbewegung zwischen flexibler Membran und einer Wand der Pumpkammer – etwa wie sie zwischen Kolben und Zylinder erfolgt – notwendig ist. In Variante II grenzt das Pumpfluid unmittelbar an das Arbeitsfluid, sodass keinerlei Elemente vorliegen, welche zu den vorgenannten Problemen führen könnten.
Die Erfindung ist insbesondere in der Erkenntnis des Anmelders begründet, dass höchstmögliche Dosiergenauigkeitswerte dann erreicht werden können, wenn die Dosiermenge weder direkt noch indirekt gemessen werden muss, sondern das gewünschte auszugebende Volumen mit einer geeigneten Vorrichtung gezielt und verlässlich vorbestimmt verdrängt werden kann. Dies ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwirklicht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Dosieren eines Arbeitsfluids umfasst eine druckstabile und formsteife Pumpkammer und eine Dosierpumpe zum Fördern eines inkompressiblen Pumpfluids. Die Dosierpumpe ist über eine Fluidleitung mit einer Pumpfluidöffnung der Pumpkammer verbunden, um Pumpfluid zu- und/oder abzuführen und die Pumpkammer weist mindestens eine Arbeitsfluidöffnung auf, um ein Arbeitsfluid zu- und/oder abzuführen.
Die Pumpkammer ist derart ausgebildet, dass bei Benutzung eine Grenzfläche zwischen Pumpfluid und Arbeitsfluid in der Pumpkammer ausgebildet ist, welche Grenzfläche die Pumpkammer in einen Pumpfluidbereich, in welchem die Pumpfluidöffnung mündet und einen Arbeitsfluidbereich, in welchem die Arbeitsfluidöffnung mündet, unterteilt, wobei in einer Variante I eine die Grenzfläche bildende flexible Membran in der Pumpkammer angeordnet ist oder in einer Variante II das Pumpfluid an der Grenzfläche unmittelbar an das Arbeitsfluid angrenzt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ebenfalls die vorgenannten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auf.
In einer vorzugsweisen Ausführungsform ist die Pumpkammer zur Aufnahme einer Arbeitsfluid enthaltenden Kartusche mit einer zumindest teilweise flexibel ausgestalteten Kartuschenwand ausgebildet. In dieser vorzugsweisen Ausführungsform bildet somit zumindest der flexibel ausgebildete Teil der Kartuschenwand die flexible Membran gemäß Variante I. In dieser vorzugsweisen Ausführungsform kann somit in einfacher Weise gemäß Verfahrensschritt A ein Bereitstellen des Arbeitsfluids erfolgen, indem die Kartusche in der Pumpkammer angeordnet ist. Vorzugsweise weist die Pumpkammer Dichtungen und/oder ein Verschlusssystem zum fluiddichten Anlegen der Kartuschenwände an Wände der Pumpkammer auf, sodass nach Anordnen der Kartusche in der Pumpkammer der nicht durch die Kartusche ausgeführte Bereich in der Pumpkammer fluiddicht ist und lediglich über die Pumpfluidöffnung ein Volumenaustausch möglich ist.
In einer anderen vorzugsweisen Ausführungsform gemäß Variante I ist die flexible Membran in der Pumpkammer angeordnet und mit einer oder mehreren Wänden der Pumpkammer fluiddicht verbunden. Durch die Membran ist somit die Aufteilung der Pumpkammer im Pumpfluidbereich und Arbeitsfluidbereich gegeben und die Volumenänderungen dieser Bereiche, das heißt beispielsweise Vergrößerung des Volumens des Pumpfluidbereichs und gleichzeitig Verkleinerung des Volumens des Arbeitsfluidbereichs zum Ausgeben von Arbeitsfluid erfolgt durch eine Verformung und/oder ein Dehnen der Membran.
Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die Membran nach einer Blase ausgebildet ist, welche Blase innerhalb der Pumpkammer angeordnet ist und lediglich eine Öffnung aufweist, welche die Pumpfluidöffnung oder in einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform die Arbeitsfluidöffnung umschließt. Im ersten Fall ist somit über die Pumpfluidöffnung Pumpfluid in die Blasenöffnung und somit in die Blase zuführbar und aus der Blase abführbar. Im zweiten Fall ist umgekehrt über die Arbeitsfluidöffnung Arbeitsfluid durch die Blasenöffnung in die Blase einführbar oder aus der Blase ausführbar.
Untersuchungen des Anmelders ergaben weiterhin, dass die Dosiergenauigkeit vorbekannter Dosiersysteme überraschenderweise in einem nicht zu vernachlässigenden Ausmaß durch Schwankungen im Umgebungsdruck beeinträchtigt wird. In einer vorzugsweisen Ausführungsform ist daher zumindest der Flussweg zwischen Dosierpumpe und Pumpkammer druckstabil gegenüber auf die Vorrichtung einwirkendem Umgebungsdruck ausgebildet. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Dosierpumpe über außen- und innendruckstabile und formsteife Leitungen fluidleitend mit der Pumpkammer verbunden ist. Hierdurch ist somit eine Verringerung der Dosiergenauigkeit ganz oder zumindest im Wesentlichen ausgeschlossen, da das System Dosierpumpe, Pumpkammer und Fluidleitung zwischen Dosierpumpe und Pumpkammer nicht durch einen sich ändernden Umgebungsdruck beeinflusst wird und insbesondere das jeweilige Innenvolumen sich nicht aufgrund eines sich ändernden Umgebungsdrucks ändert. Eine formsteife Ausführung der Zuleitungen bewirkt darüber hinaus eine Aufrechterhaltung der mechanischen Kopplung zwischen Pumpfluid und Arbeitsfluid im für die Steuerung der Dosiermenge relevanten Bereich des Systems und damit auch eine Unabhängigkeit der Dosiergenauigkeit von Schwankungen des Umgebungsdrucks.
Es ist daher insbesondere vorteilhaft, dass Pumpfluid und Arbeitsfluid vom Ort der Vorgabe des Dosiervolumens bis zum Ort der Ausgabe des Arbeitsfluids in einem geschlossenen System in Form einer druckstabilen und formsteifen Einhausung eingeschlossen sind, welche während des Dosiervorgangs allenfalls mit dem Umgebungsdruck über die Ausgabeöffnung der Pumpkammer bzw. einer sich in der Pumpkammer befindlichen Kartusche in Druckverbindung steht.
Aufgrund der druckstabilen und formsteifen Ausführung der Pumpkammer sowie der Verbindungselemente zur Dosierpumpe und aufgrund der Tatsache, dass sich Pumpfluid und Arbeitsfluid im Bereich zwischen der Dosierpumpe und der Arbeitsfluidöffnung dasselbe Volumen teilen, entspricht das in die Pumpkammer einströmende Volumen zu jeder Zeit dem an den Arbeitsfluidöffnungen aussträmenden Volumen.
Vorzugsweise weist die Pumpkammer ein mit dem Pumpfluidbereich fluidleitend verbundenes Entlüftungsventil auf. Hierdurch ist es insbesondere möglich, in einer vorzugsweisen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zwischen Verfahrensschritt A und B das nicht durch das Arbeitsfluid belegte Volumen der Pumpkammer mittels der Dosierpumpe mit Pumpfluid zu füllen, wobei gegebenenfalls in der Pumpkammer vorhandenes Gas über das Entlüftungsventil aus der Pumpkammer abgeführt wird. Anschließend kann das Entlüftungsventil geschlossen werden, sodass keine Wechselwirkung zwischen Umgebungsdruck und Pumpkammer besteht.
Vorzugsweise ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Dosierpumpe einerseits mit der Pumpfluidfüllung der Pumpkammer und andererseits mit einem Pumpfluidreservoir fluidleitend verbunden. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass das Pumpfluidreservoir gegenüber dem Umgebungsdruck druckstabil abgeschlossen oder druckstabil verschließbar ausgebildet ist. Durch das Pumpfluidreservoir kann in einfacher Weise Pumpfluid zum Einführen in die Pumpkammer bereitgestellt werden und bei Entleeren der Pumpkammer das von der Pumpkammer abgepumpte Pumpfluid wieder in dem Pumpfluidreservoir gespeichert werden. Die druckstabile Ausführung führt zu einer zusätzlichen Erhöhung der Dosiergenauigkeit, da in dieser vorzugsweisen Ausführungsform auch saugseitig der Dosierpumpe (bei Fördern von Pumpfluid in die Pumpkammer) keine oder zumindest im Wesentlichen keine Druckschwankungen bei einer Änderung des Umgebungsdrucks, bzw. durch die Druckschwankungen, die sich durch die Veränderungen des Füllstandes im Pumpfluidreservoir ergeben, auftreten.
Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, dass eine Druckgasquelle fluidleitend mit dem Pumpfluidreservoir verbunden ist. Hierdurch kann mittels der Druckgasquelle ein konstanter Druck in dem Pumpfluidreservoir auch bei Entnahme von Pumpfluid aufrechterhalten werden, sodass zusätzlich die Druckbedingungen saugseitig der Dosierpumpe konstant gehalten werden und somit zusätzlich die Dosiergenauigkeit erhöht wird.
Eine weitere Erhöhung der Dosiergenauigkeit wird in einer vorzugsweisen Ausführungsform erzielt, indem zwischen Pumpfluidreservoir und Dosierpumpe ein Druckregelventil angeordnet ist, sodass mittels des Druckregelventils saugseitig der Dosierpumpe der anliegende Druck auf einen konstanten Wert geregelt werden kann, um die Dosiergenauigkeit noch weiter zu erhöhen.
Entsprechend wird in einer vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in Verfahrensschritt B der Dosierpumpe saugseitig Pumpfluid aus einem Pumpfluidreservoir zugeführt, welches Pumpfluidreservoir vorzugsweise druckstabil dem Umgebungsdruck abgeschlossen ist. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass dem Pumpfluidreservoir mittels einer Druckgasquelle Gas zum Aufrechterhalten eines vorgegebenen Drucks in dem Pumpfluidreservoir zugeführt wird. Hierdurch wird wie zuvor beschrieben, jeweils die Dosiergenauigkeit erhöht.
Um Arbeitsfluid in der druckstabilen und formsteifen Kammer im Arbeitsfluidbereich bereitzustellen, liegt es im Rahmen der Erfindung, wie zuvor beschrieben, eine Kartusche, welche Arbeitsfluid enthält, in der Pumpkammer anzuordnen.
In einer anderen vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Verfahrensschritt A Pumpfluid mittels der Dosierpumpe aus der Pumpkammer abgeführt, um einen Unterdruck in der Pumpkammer zu erzeugen und Arbeitsfluid aus einem Arbeitsfluidreservoir in die Pumpkammer einzuführen. Hierdurch kann somit die Dosierpumpe zusätzlich dazu verwendet werden, Arbeitsfluid in die Pumpkammer einzusaugen, um das Arbeitsfluid für einen nachfolgenden Dosiervorgang in der Pumpkammer zur Verfügung zu stellen.
Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, dass zum Füllen des Arbeitsfluidbereichs der Pumpkammer mit Arbeitsfluid eine Fluidleitung, welche mit einem Arbeitsfluidreservoir verbunden ist, an die Arbeitsfluidöffnung angeschlossen wird und nach Bereitstellen des Arbeitsfluids in der Pumpkammer diese Fluidleitung wieder entfernt wird.
In einer vorzugsweisen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Arbeitsfluidreservoir vorgesehen, welches fluidleitend mit dem Arbeitsfluidbereich der Pumpkammer verbunden ist. Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, dass das Arbeitsfluidreservoir über eine zweite Öffnung der Pumpkammer fluidleitend mit dieser verbunden ist, sodass diese Öffnung somit als Arbeitsfluidzuführöffnung ausgebildet ist, um Arbeitsfluid aus dem Arbeitsfluidreservoir in die Pumpkammer zu leiten und weiterhin die Pumpkammer die vorgenannte Arbeitsfluidöffnung aufweist, welche in dieser vorzugsweisen Ausführungsform somit als Arbeitsfluidausgabeöffnung ausgebildet ist. Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, zur Entlüftung der Pumpkammer in dem Flussweg zwischen Arbeitsfluidreservoir und Pumpkammer und/oder an der Arbeitsfluidausgabeöffnung wahlweise verschließbare Ventile vorzusehen, um bei Befüllen des Arbeitsfluidbereiches der Pumpkammer die Arbeitsfluidausgabeöffnung zu verschließen und den Flussweg zwischen Arbeitsfluidreservoir und Pumpkammer zu öffnen. Bei Entleeren des Arbeitsfluidbereiches der Pumpkammer, das heißt bei Ausgabe von Arbeitsfluid, wird in umgekehrter Weise der Flussweg zwischen Arbeitsfluidreservoir und Pumpkammer geschlossen und die Arbeitsfluidausgabeöffnung geöffnet.
Das Arbeitsfluidreservoir ist vorzugsweise gegenüber dem Umgebungsdruck druckstabil und formsteif abgeschlossen oder zumindest druckstabil und formsteif verschließbar ausgebildet. Hierdurch wird erreicht, dass das Arbeitsfluidreservoir mit einem Überdruck beaufschlagt werden kann, um beim Befüllen der Pumpkammer aus dem Arbeitsfluidreservoir zu verhindern, dass an der Ausgabeöffnung er Pumpkammer ein Unterdruck entsteht. Somit wird das Risiko beseitigt, Umgebungsluft oder Partikel aus der Umgebung über die Ausgabeöffnung in die Pumpkammer einzusaugen.
Vorzugsweise ist eine Druckgasquelle vorgesehen, welche fluidleitend mit dem Arbeitsfluidreservoir verbunden ist. Hierdurch wird zusätzlich verhindert, dass bei Befüllen der Pumpkammer mit Arbeitsfluid Umgebungsluft oder Partikel aus der Umgebung über die Ausgabeöffnung in die Pumpkammer eingesaugt werden.
Die Dosierpumpe kann nach Art an sich bekannter Fördervorrichtungen für inkompressible Pumpfluide ausgebildet sein und es liegt grundsätzlich im Belieben des Fachmanns, eine beliebige Fördervorrichtung als Dosierpumpe zu verwenden. Insbesondere ist kein dauerhaft kontinuierlicher Betrieb notwendig, das heißt eine Pumpvorrichtung, welche aus einem mit Pumpfluid gefüllten Zylinder-Kolben-Aggregat besteht, wobei der Kolben mittels weiterer hydraulischer Komponenten und/oder mechanischer Komponenten bewegbar ist, kann ebenfalls als Dosierpumpe verwendet werden.
Insbesondere ist jedoch die Verwendung von Fördersystemen mit einer hohen Dichtheit und somit einem besonders niedrigen Schlupf hinsichtlich des Pumpfluids vorteilhaft. Somit ist die Dosierpumpe vorzugsweise als Kolben-, Zahnrad- oder Zahnringpumpe ausgebildet. Die einzelnen Bauteile der verwendeten Dosierpumpe weisen vorzugsweise im Zusammenspiel eine genügend hohe Präzision auf, sodass auf elastische Dichtungen verzichtet werden kann und hierdurch die Dosiergenauigkeit erhöht wird.
Das Pumpfluid weist vorzugsweise newtonsche Fließeigenschaften auf. Vorzugsweise liegt die Viskosität des Pumpfluids im Bereich zwischen 5000 mPas und 40000 mPas. In diesem Bereich weisen geeignete Dosierpumpen erfahrungsgemäß die größte Dichtheit, bzw. den geringsten Schlupf auf.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, gasförmige Arbeitsfluide zu verwenden. Eine besonders hohe Genauigkeit des ausgegebenen Volumens des Arbeitsfluids ergibt sich jedoch insbesondere bei Verwendung von inkompressiblen Arbeitsfluiden und hierbei bevorzugt von einer Flüssigkeit als Arbeitsfluid.
Eine weitere Erhöhung der Dosiergenauigkeit kann in folgender vorzugsweisen Ausgestaltung erzielt werden: Im Flussweg zwischen Dosierpumpe und Pumpfluidöffnung der Pumpkammer ist vorzugsweise ein Hydraulikzylinder angeordnet, sodass ein erstes Volumen eines ersten Hydraulikzylinders mit der Pumpfluidöffnung der Pumpkammer und ein erstes Volumen des zweiten Hydraulikzylinders fluidleitend mit der Dosierpumpe verbunden ist. Die Kolben der beiden Hydraulikzylinder sind mechanisch gekoppelt, sodass eine Volumenänderung im ersten Volumen des zweiten Zylinders aufgrund der mechanischen Kopplung der Kolben zu einer Volumenänderung im ersten Volumen des zweiten Hydraulikzylinders führt. Wesentlich ist, dass die Kolbenquerschnittsfläche des zweiten Hydraulikzylinders größer ist als die Kolbenquerschnittsfläche des ersten Hydraulikzylinders. Hierdurch wird somit ein volumetrisches Übersetzungsverhältnis erzielt, indem mittels der Dosierpumpe ein erstes Volumen gefördert wird, welches zum Einbringen eines zweiten Volumens an Pumpfluid in die Pumpkammer führt, wobei das erste Volumen größer als das zweite Volumen ist. Vorzugsweise liegt hierbei ein Übersetzungsverhältnis von mindestens 1:2. Das Übersetzungsverhältnis wird vorzugsweise entsprechend der geforderten Dosiergenauigkeit gewählt.
Hierdurch wird eine weitere Erhöhung der Dosiergenauigkeit erzielt, da insbesondere kleine Volumina nicht mit hoher Genauigkeit mittels einer Dosierpumpe dosiert werden können. Aufgrund der volumetrischen Übersetzungen mittels der beiden Hydraulikzylinder mit unterschiedlicher Kolbenquerschnittsfläche kann somit zum Einbringen eines vorgegebenen Volumens ein Pumpfluid in die Pumpkammer ein demgegenüber größeres Volumen mittels der Dosierpumpe gefördert werden.
Vorzugsweise sind die beiden Hydraulikkolben wahlweise mittels einer Bypassleitung überbrückbar, sodass wahlweise eine direkte fluidleitende Verbindung zwischen Dosierpumpe und Pumpkammer besteht, insbesondere um den Pumpfluidbereich der Pumpkammer mit Pumpfluid zu füllen. Eine besonders einfache Ausgestaltung dieser wahlweise einschaltbaren Bypass-Fluidleitung ergibt sich, indem in der Bypass-Fluidleitung ein Ventil angeordnet ist und in einer Fluidleitung zwischen Dosierpumpe und zweitem Hydraulikzylinder ebenfalls ein Ventil angeordnet ist. Die Flusswege sind vorzugsweise derart ausgestaltet, dass – bei Fördern von Pumpfluid in die Pumpkammer – druckseitig der Dosierpumpe eine Flusswegverzweigung ausgebildet ist, wobei ein Zweig über ein wahlweise verschließbares Ventil als Bypassleitung unmittelbar zur Verfüllung der Pumpkammer führt und der andere Zweig über ein zweites wahlweise verschließbares Ventil in das erste Volumen des zweiten Zylinder-Kolben-Aggregates mündet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind grundsätzlich für Anwendungen geeignet, bei denen eine hochgenaue Dosierung eines Arbeitsfluids notwendig ist. Insbesondere ergibt sich aufgrund der Entkopplung des durch die Dosierpumpe geförderten Pumpfluids und des für den Anwendungsbereich verwendeten Arbeitsfluids eine besondere Eignung für Anwendungsbereiche, bei denen hochviskose Arbeitsfluide verwendet werden insbesondere Arbeitsfluide mit einer hohen Viskosität und/oder Anwendungsgebiete, bei denen pastenartige Arbeitsfluide verwendet werden und/oder Anwendungsgebiete, bei denen mit Feststoff versehene Fluide verwendet werden und/oder Anwendungen, bei denen Arbeitsfluide mit nicht-newtonschen Eigenschaften und/oder Fluide mit aggressiven oder gesundheitsschädlichen chemischen Eigenschaften verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und/oder das erfindungsgemäße Verfahren sind daher vorzugsweise ausgebildet zur Verwendung von und/oder werden vorzugsweise verwendet mit

– einem nicht newtonschen Fluid als Arbeitsfluid, bevorzugt einem mit Feststoffpartikeln gefüllten Fluid, insbesondere mit Metallpartikeln und/oder Keramikpartikeln (z. B. Glasfritte) gefüllten Fluid; und/oder
– einem Fluid einer Viskosität größer 100 mPas, bevorzugt größer 1000 mPas, bevorzugt größer 10.000 mPas, weiter bevorzugt größer 100.000 mPas.

Eine vorzugsweise Anwendung betrifft die Herstellung von fotovoltaischen Solarzellen: Hierbei sind häufig Prozessschritte notwendig, bei welchen ein pastenartiges Arbeitsfluid in einer oder mehrerer paralleler Bahnen auf ein Halbleitersubstrat aufgebracht werden sollen. Das pastenartige Arbeitsfluid kann beispielsweise eine Metallpartikel enthaltende Paste mit einer Viskosität von bis zu 500.000 mPas zur Herstellung einer metallischen Kontaktierungsstruktur sein. Ebenso ist die Verwendung einer Dotierstoff enthaltenden Paste zur Erzeugung von Dotierbereichen in dem Halbleitersubstrat möglich.
Weitere vorzugsweise Anwendungsgebiete sind:

– Dispensieren von Klebstoffen, Leitklebern und Lotpasten bei der Herstellung von elektronischen Schaltungen
– Dosieranwendungen in der Pharmaindustrie
– Dosieranwendungen in der Lebensmittelindustrie
– Dosieranwendungen in der Medizintechnik
– Dosieranwendungen in der chemischen Industrie
– Generell Dosieranwendungen bei denen das Arbeitsfluid auf keinen Fall kontaminiert werden darf
– Generell Dosieranwendungen bei denen Gefahr durch das Arbeitsfluid für Mensch oder Umwelt besteht
– Generell hochgenaues volumetrisches Dosieren von Gasen
– Generell hochgenaues volumetrisches Dosieren von nicht-newtonschen Fluiden

Weitere vorzugsweise Merkmale und Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert. Dabei zeigt:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher ein Arbeitsfluidbereich einer Pumpkammer über eine Arbeitsfluidöffnung gefüllt wird;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher Arbeitsfluid aus einem Arbeitsfluidbereich über eine Arbeitsfluidausgabeöffnung ausgebbar ist und über eine separate Arbeitsfluidzuführöffnung Arbeitsfluid aus einem Arbeitsfluidreservoir in die Pumpkammer zuführbar ist;
3 ein drittes Ausführungsbeispiel nach dem Aufbau gemäß 1, welches zusätzlich eine volumetrische Übersetzungsvorrichtung umfasst.
4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 2, welches zusätzlich eine volumetrische Übersetzungsvorrichtung aufweist.
In den 1–4 bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung A zum Dosieren eines Arbeitsfluids 1. Anhand der Vorrichtung gemäß 1 wird weiterhin ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
Das Arbeitsfluid 1 befindet sich in einer Kartusche 2. Die Kartusche 2 wird in einem Verfahrensschritt A in einer Pumpkammer 3 angeordnet. Die Kartusche 2 weist eine Arbeitsfluidöffnung 4 auf und wird nach Einsetzen in die Pumpkammer 3 an den Rändern der Arbeitsfluidöffnung 4 fluiddicht mit einem die Arbeitsfluidöffnung 4 umgebenden Rand der Pumpkammer 3 verbunden.
In den 1 bis 4 und den hierzu beschriebenen Ausführungsbeispielen ist das Arbeitsfluid 1 jeweils als mit Metallpartikeln versehene Druckpaste ausgebildet. Die Druckpaste wird auf ein Halbleitersubstrat, vorzugsweise eine Vorstufe im Herstellungsprozess einer photovoltaischen Solarzelle aufgebracht, um eine metallische Kontaktierungsstruktur auszubilden.
Das durch die Kartusche 2 eingeschlossene Volumen, welches mit Arbeitsfluid befällt ist, stellt somit den Arbeitsfluidbereich in der Pumpkammer 3 dar. Eine Dosierpumpe 5, welche beispielsweise als Zahnringpumpe ausgebildet ist, ist über eine druckstabile und formsteife Fluidleitung 8 mit einer Pumpfluidöffnung der Pumpkammer 3 verbunden. Die Dosierpumpe 5 ist weiterhin über eine druckstabile Fluidleitung mit einem Pumpfluidreservoir 9 verbunden.
Nach Einführen der Kartusche 2 in die Pumpkammer kann somit mittels der Dosierpumpe 5 Pumpfluid 6 aus dem Pumpfluidreservoir 9 in einen Pumpfluidbereich der Pumpkammer 3 gefördert werden. Gegebenenfalls sich in dem Pumpfluidbereich der Pumpkammer 3 befindendes Gas wird über ein Entlüftungsventil 7 abgeleitet, wobei ein Auffangbehälter 15 vorgesehen ist, um gegebenenfalls über das Entlüftungsventil austretendes Pumpfluid 6 aufzufangen.
Sobald der Pumpfluidbereich der Pumpkammer 3 vollständig mit Pumpfluid 6 gefüllt ist, wird das Entlüftungsventil 7 geschlossen.
Anschließend wird in einem Verfahrensschritt B eine vorgegebene Menge Pumpfluid 6 mittels der Dosierpumpe 5 der Pumpkammer 3 zugeführt. Da das Pumpfluid inkompressibel ist und da sowohl das Pumpfluid, als auch das Arbeitsfluid sich das in der druckstabilen und formsteifen Pumpkammer befindende Volumen teilen, entspricht das der Pumpkammer zugeführte Volumen an Pumpfluid 6 dem an der Arbeitsfluidöffnung 4 ausgegebenen Volumen von Arbeitsfluid 1.
Das Arbeitsfluid 1 wird somit ausgegeben, da sich in der Pumpkammer 3 durch Zuführen von Pumpfluid 6 das Volumen des Pumpfluidbereiches vergrößert und entsprechend aufgrund Verdrängung des Volumens des Arbeitsfluidbereiches verkleinert. Die Außenwand der Kartusche 2 ist flexibel ausgebildet und bildet somit die flexible Membran zwischen Pumpfluidbereich und Arbeitsfluidbereich. Bei dem Ausgabevorgang von Arbeitsfluid 1 wird somit ohne wesentliche Verzögerung ein Druck P durch Zuführen von Pumpfluid 6 in die Pumpkammer 3 aufgebaut, welcher zu einer Verkleinerung des Volumens des Arbeitsfluidbereiches in der Pumpkammer 3 führt.
Die hohe Dosiergenauigkeit wird somit einerseits durch die Ausgestaltung der Dosierpumpe als hochgenaue Dosierpumpe in der Ausbildung beispielsweise als Zahnringpumpe, welche keine elastischen Dichtungen aufweist, gewährleistet. Weiterhin sind zumindest die in dem Bereich C angeordneten Elemente jeweils druckstabil und formsteif ausgebildet, sodass sich ein von diesen Elementen umschlossenes Innenvolumen weder bei einer Änderung des Umgebungsdrucks B, noch durch den Überdruck im Innern ändert.
Die Dosierpumpe 5 ist saugseitig (hinsichtlich der Flussrichtung bei Zuführen von Pumpfluid 6 zu der Pumpkammer 3) über eine Fluidleitung mit einem Pumpfluidreservoir 9 verbunden. Die Fluidleitung zwischen Pumpfluidreservoir 9 und Dosierpumpe 5 ist ebenfalls druckstabil ausgebildet, um die Dosiergenauigkeit weiter zu erhöhen. Eine druckstabile Ausführung genügt an dieser Stelle, da vor der Pumpe nur der konstante Druck von Bedeutung ist und nicht ein konstantes Volumen. Eine formstabile Ausführung dieser Fluidleitung ist somit nicht zwingend notwendig.
Weiterhin ist in dieser Leitung ein Druckregelventil 11 vorgesehen, mittels welchem der saugseitig der Dosierpumpe (Befördern von Pumpfluid in die Pumpkammer 3) anliegende Druck vorgebbar ist, sodass aufgrund dieses saugseitig konstant an der Dosierpumpe während des Fördervorgangs anliegenden Drucks eine weitere Erhöhung der Dosiergenauigkeit erzielt wird.
Zusätzlich wird die Dosiergenauigkeit erhöht, indem das Pumpfluidreservoir 9 druckstabil ausgebildet und druckdicht gegenüber der Umgebung abgeschlossen ist. Bei Entnahme von Pumpfluid 6 aus dem Pumpfluidreservoir 9 wird mittels einer Druckgasquelle 10 über eine Fluidleitung, welche eine wahlweise verschließbares Ventil 13 aufweist, ein konstanter Gasdruck in dem nicht durch das Pumpfluid belegten Bereichs des Pumpfluidreservoirs 9 erzeugt, sodass zusätzlich eine Druckschwankung saugseitig der Dosierpumpe 3 vermieden wird.
Sofern die Kartusche 2 ausgetauscht werden soll, insbesondere wenn die Kartusche leer ist, wird durch Förderumkehr Pumpfluid aus der Pumpkammer 3 mittels der Dosierpumpe 5 in das Pumpfluidreservoir 9 gefördert. Hierbei wird das Ventil 13 geschlossen und ein Entlüftungsventil 14 geöffnet.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, anhand dessen ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben wird. Das zweite Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens gleicht grundsätzlich dem jeweiligen ersten Ausführungsbeispiel. Im Folgenden wird zur Vermeidung von Wiederholungen insbesondere auf die Unterschiede eingegangen:
Die Vorrichtung gemäß 2 weist ebenfalls die vorbeschriebenen Komponenten Dosierpumpe 5, Druckregelventil 11, Pumpfluidreservoir 9, Ventile 13 und 14 sowie Druckgasquelle 10 zur Bereitstellung eines Vordrucks Q auf.
Eine Pumpkammer 3' der Vorrichtung weist eine elastische Blase 23 auf, welche durch eine elastische Membran gebildet ist. Die elastische Membran ist innenseitig an einer Wand der Pumpkammer 3 fluiddicht befestigt und umschließt mit einer Öffnung der elastischen Blase eine Pumpfluidöffnung 24 der Pumpkammer 3'. Mittels der Dosierpumpe 5 ist somit wahlweise Pumpfluid über die Pumpfluidöffnung 24 in die elastische Blase 23 zuführbar oder aus der elastischen Blase abführbar.
Die elastische Blase unterteilt somit die Pumpkammer 3' in einen durch die elastische Blase umschlossenen Pumpfluidbereich und einen außerhalb der elastischen Blase liegenden Arbeitsfluidbereich in der Pumpkammer 3'.
Im Unterschied zu der Vorrichtung gemäß 1, weist die Vorrichtung gemäß 2 ein Arbeitsfluidreservoir 16 auf, welches druckstabil ausgebildet ist und über druckstabile Leitungen 18 und 18' über ein Absperrventil 17 fluidleitend mit dem Arbeitsfluidbereich der Pumpkammer 3' verbunden Ist. Weiterhin weist die Pumpkammer 3' ein Entlüftungsventil 19 auf, welches ebenfalls mit dem Arbeitsfluidbereich der Pumpkammer 3' fluidleitend verbunden ist, wobei eine Entlüftungsleitung über das Entlüftungsventil 19 in einen Auffangbehälter 20 mündet.
Zum ersten Bereitstellen von Arbeitsfluid im Arbeitsfluidbereich der noch leeren druckstabilen und formsteifen Pumpkammer 3' wird zunächst das Entlüftungsventil 19 geöffnet und Pumpfluid mittels der Dosierpumpe 5 in die elastische Blase 23 eingeführt, sodass sich die elastische Blase 23 ausdehnt und gegebenenfalls vorhandenes Gas im Arbeitsfluidbereich der Pumpkammer 3' über die Entlüftungsleitung und das Entlüftungsventil 19 ausgegeben wird. Anschließend wird das Entlüftungsventil 19 geschlossen und das Absperrventil 17 geöffnet, sodass bei Abführen von Pumpfluid aus der elastischen Blase 23 mittels der Dosierpumpe 5 sich die elastische Blase 23 im Volumen verkleinert und somit Arbeitsfluid aus dem Arbeitsfluidreservoir 16 in den Arbeitsfluidbereich der Pumpkammer 3' fließt. Hierbei wird mittels einer Druckgasquelle 26 über ein weiteres Absperrventil 25 ein konstanter Druck in dem Arbeitsfluidreservoir 16 und somit auch im Bereich der Pumpkammer 3' vorgegeben, um zu verhindern, dass während des Befüllens an der Arbeitsfluidausgabeöffnung 22 ein Unterdruck entsteht. Zur vollständigen Entlüftung der Pumpkammer 3' kann dieser Vorgang wiederholt werden.
Nach Bereitstellen des Arbeitsfluids in der Pumpkammer 3' wird das Absperrventil 17 geschlossen.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, bei Befüllen des Arbeitsfluidbereiches der Pumpkammer 3' die Arbeitsfluidausgabeöffnung 22 der Pumpkammer 3' mittels eines weiteren Ventils zu verschließen. Ebenso ist es jedoch möglich, kein solches Ventil an der Arbeitsfluidausgabeöffnung 22 vorzusehen und stattdessen den Vordruck mittels der Druckgasquelle 26 stets während des Befüllvorganges gleich dem Umgebungsdruck zu wählen, sodass an der Arbeitsfluidausgabeöffnung 22 weder ein Über- noch ein Unterdruck entsteht.
Nach Befüllen des Arbeitsfluidbereiches der Pumpkammer 3' mit Arbeitsfluid 1' sind die Ventile 17 und 19 geschlossen und es wird in einem Verfahrensschritt B mittels der Dosierpumpe 5 wie zuvor bei 1 beschrieben Pumpfluid 6 aus dem Pumpfluidreservoir 9 in die Pumpkammer 3', das heißt in die elastische Blase 23, eingeführt. Die elastische Blase 23 dehnt sich entsprechend aus und verdrängt Arbeitsfluid 1', welches aus der Arbeitsfluidöffnung 22 ausgegeben wird.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, welches im Grundaufbau dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 gleicht. Anhand des dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, welches somit ebenfalls dem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens im Grundablauf gleicht.
Wesentlich ist, dass die Vorrichtung gemäß 3 eine volumetrische Übersetzungsvorrichtung 30 aufweist. Diese umfasst ein erstes Zylinder-Kolben-Aggregat 31 und ein zweites Zylinder-Kolben-Aggregat 32. Ein erstes Volumen 31a des ersten Aggregates 31 ist fluidleitend mit einer Pumpfluideingangsöffnung einer Pumpkammer verbunden. Ein erstes Volumen 32a des zweiten Aggregates 32 ist mit einer Dosierpumpe zum Fördern von Pumpfluid verbunden. Weiterhin ist zwischen Dosierpumpe und Pumpkammer eine Bypassleitung zum Umgehen der Aggregate 31 und 32 vorgesehen, welche Bypassleitung ein Absperrventil 28 aufweist. Zwischen Absperrventil 28 und Dosierpumpe ist eine Verzweigung im Flussweg vorgesehen, welche über ein weiteres Absperrventil 29 zu dem ersten Volumen 32a des Aggregates 32 führt.
Zum Befüllen des Pumpfluidbereichs der Pumpkammer und zum Entfernen von Pumpfluid aus der Pumpkammer kann somit durch Schließen des Ventils 29 und Öffnen des Ventils 28 wie zuvor beschrieben mittels der Dosierpumpe Pumpfluid in die Pumpkammer zugeführt oder aus der Pumpkammer abgeführt werden.
Während des Dosiervorgangs wird bei der Vorrichtung gemäß 3 das Ventil 28 verschlossen und des Ventil 29 geöffnet. Während des Dosiervorgangs erfolgt somit hier nur mittelbar ein Fördern von Pumpfluid mittels der Dosierpumpe in die Pumpkammer:
Mittels der Dosierpumpe wird Pumpfluid über das geöffnete Ventil 29 in das erste Volumen 32a des Aggregates 32 gefördert. Ein Kolben des Aggregates 33 ist mechanisch mit einem Kolben des Aggregates 31 verbunden. Eine Ausdehnung des ersten Volumens 32a führt somit aufgrund der mechanisch gekoppelten Kolbenverschiebung zu einer Verringerung des ersten Volumens 31a des Aggregates 31 und entsprechend zum Einführen von Pumpfluid aus dem ersten Volumen 31a in die Pumpkammer.
Da die Querschnittsfläche des Kolbens des Aggregates 32 doppelt so groß wie die Querschnittsfläche des Kolbens des Aggregates 31 ist, erfolgt hierbei eine volumetrische Übersetzung im Verhältnis 2:1:
Um ein vorgegebenes Volumen A aus dem ersten Volumen 31a des Aggregates 31 in die Pumpkammer zu fördern, muss somit ein doppelt so großes Volumen, das heißt 2a, von Pumpfluid mittels der Dosierpumpe in das erste Volumen 32a des Aggregates 32 gefördert werden. Hierdurch wird die Dosiergenauigkeit weiter erhöht, da der absolute Fehler der Dosiermenge bei größeren Volumen kleiner ist.
4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel, welches grundsätzlich im Aufbau den zweiten Ausführungsbeispielen gleicht. Auch hier ist zusätzlich eine volumetrische Übersetzungseinheit 30 mit einem ersten Aggregat 31 und einem zweiten Aggregat 32 sowie einem Ventil 28 und einer Bypassleitung und einem Ventil 29 angeordnet. Der Betrieb folgt analog des zu 2 beschriebenen Verfahrens, wobei bei Ausgabe von Arbeitsfluid die volumetrische Übersetzung wie zu 3 beschrieben zur Erhöhung der Dosiergenauigkeit Anwendung findet.
Allen Ausführungsbeispielen ist gemein, dass aufgrund der druckstabilen und formsteifen Ausführung der Pumpkammer (3, 3') sowie der Verbindungselemente (8) zur Dosierpumpe (5) und aufgrund der Tatsache, dass sich Pumpfluid (6, 6') und Arbeitsfluid (3, 3') im Bereich zwischen der Dosierpumpe (5) und der Arbeitsfluidöffnung (4, 4') das selbe Volumen teilen, das in die Pumpkammer (3, 3') einströmende Volumen zu jeder Zeit dem an den Arbeitsfluidöffnungen (4, 4') ausströmenden Volumen entspricht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008016513 A1 [0010]
DE 19742005 A1 [0010]
EP 1864721 A1 [0010]

Claims

Verfahren zum Dosieren eines Arbeitsfluids (1, 1'), folgende Verfahrensschritte umfassend: A Bereitstellen des Arbeitsfluids (1, 1') innerhalb einer druckstabilen und formsteifen Pumpkammer (3, 3'); B Zuführen eines vorgegebenen Volumens eines inkompressiblen Pumpfluids (6, 6') mittels einer Dosierpumpe (5) in die Pumpkammer (3, 3'), wobei in der Pumpkammer (3, 3') an einer Grenzfläche zwischen Pumpfluid (6, 6') und Arbeitsfluid, welche Grenzfläche die Pumpkammer (3, 3') in einen Pumpfluidbereich und einen Arbeitsfluidbereich unterteilt, I. eine die Grenzfläche bildende flexible Membran in der Pumpkammer (3, 3') angeordnet wird, oder
das Pumpfluid (6, 6') an der Grenzfläche unmittelbar an das Arbeitsfluid angrenzt. und Ausgeben des Arbeitsfluids (1, 1') aus mindestens einer Arbeitsfluidöffnung (4, 4') der Pumpkammer (3, 3'), indem das Arbeitsfluid (1, 1') in der Pumpkammer (3, 3') durch Zuführen das Pumpfluids (6, 6') verdrängt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt B der Dosierpumpe (5) saugseitig Pumpfluid (6, 6') aus einem Pumpfluidreservoir (9) zugeführt wird, welches Pumpfluidreservoir (9) druckstabil gegenüber dem Umgebungsdruck abgeschlossen ist und welchem Pumpfluidreservoir (9) mittels einer Druckgasquelle (10) Gas unter einem konstanten Druck zum Aufrechterhalten eines vorgegebenen Drucks in dem Pumpfluidreservoir (9) und somit zum Aufrechterhalten eines vorgegebenen Vordrucks an der Saugseite (12) der Dosierpumpe (5) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt A Pumpfluid (6, 6') mittels der Dosierpumpe (5) aus der Pumpkammer (3, 3') abgeführt wird, um einen Unterdruck in der Pumpkammer (3, 3') zu erzeugen und Arbeitsfluid (1, 1') aus einem Arbeitsfluidreservoir (16) in die Pumpkammer (3, 3') einzuführen.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Verfahrensschritt A und B das nicht durch das Arbeitsfluid (1, 1') belegte Volumen (ΔY) der Pumpkammer (3, 3') mittels der Dosierpumpe (5) mit Pumpfluid (6, 6') gefüllt wird, wobei gegebenenfalls in der Pumpkammer (3, 3') vorhandenes Gas über eine Entlüftungsventil (7, 19) aus der Pumpkammer (3, 3') abgeführt wird.
Vorrichtung (A, A') zum Dosieren eines Arbeitsfluids (1, 1'), umfassend eine druckstabile und formsteife Pumpkammer (3, 3') und eine Dosierpumpe (5) zum Fördern eines inkompressiblen Pumpfluids (6, 6'), wobei die Dosierpumpe (5) über eine druckstabile und formsteife Fluidleitung (8) mit einer Pumpfluidöffnung (24) der Pumpkammer (3, 3') verbunden ist, um Pumpfluid (6, 6') zu- und/oder abzuführen und die Pumpkammer (3, 3') mindestens eine Arbeitsfluidöffnung (4, 4') aufweist, um ein Arbeitsfluid (1, 1') zu- und/oder abzuführen, und wobei die Pumpkammer (3, 3') derart ausgebildet ist, dass bei Benutzung eine Grenzfläche zwischen Pumpfluid (6, 6') und Arbeitsfluid (1, 1') in der Pumpkammer (3, 3') ausgebildet ist, welche Grenzfläche die Pumpkammer (3, 3') in einen Pumpfluidbereich, in welchen die Pumpfluidöffnung (24) mündet und einen Arbeitsfluidbereich, in welchen die Arbeitsfluidöffnung (4, 4') mündet, unterteilt, wobei I. eine die Grenzfläche bildende flexible Membran in der Pumpkammer (3, 3') angeordnet ist, oder II. das Pumpfluid (6, 6') an der Grenzfläche unmittelbar an das Arbeitsfluid (1, 1') angrenzt.
Vorrichtung (A, A') nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpkammer (3, 3') zur Aufnahme einer Arbeitsfluid (1, 1') enthaltenden Kartusche (2) mit einer zumindest teilweise flexibel ausgebildeten Kartuschenwand ausgebildet ist, welche Kartuschenwand die flexible Membran gemäß Variante I bildet.
Vorrichtung (A, A') nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Variante I die flexible Membran in der Pumpkammer (3, 3') mit einer oder mehreren Wänden der Pumpkammer (3, 3') fluiddicht verbunden angeordnet ist.
Vorrichtung (A, A') nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Flussweg zwischen Dosierpumpe (5) und Pumpkammer (3, 3') druckstabil gegenüber auf die Vorrichtung (A, A') einwirkenden Umgebungsdruck ausgebildet ist, vorzugsweise, dass die Dosierpumpe (5) über außendruckstabile Leitungen fluidleitend mit der Pumpkammer (3, 3') verbunden ist.
Vorrichtung (A, A') nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpkammer (3, 3') ein mit dem Pumpfluidbereich fluidleitend verbundenes Entlüftungsventil (7, 19) aufweist.
Vorrichtung (A, A') nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosierpumpe (5) einerseits mit der Pumpfluidöffnung (24) der Pumpkammer (3, 3') und andererseits mit einem Pumpfluidreservoir (9) fluidleitend verbunden ist, vorzugsweise, dass das Pumpfluidreservoir (9) gegenüber dem Umgebungsdruck druckstabil abgeschlossen oder verschließbar ausgebildet ist.
Vorrichtung (A, A') nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Pumpfluidreservoir (9) und Dosierpumpe (5) ein Druckregelventil (11) angeordnet ist.
Vorrichtung (A, A') nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckgasquelle (10) fluidleitend mit dem Pumpfluidreservoir (9) verbunden ist.
Vorrichtung (A, A') nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitsfluidreservoir (16) vorgesehen ist, welches fluidleitend mit dem Arbeitsfluidbereich der Pumpkammer (3, 3') verbunden ist, vorzugsweise, dass zumindest der Flussweg zwischen Arbeitsfluidreservoir (16) und Pumpkammer (3, 3') druckstabil gegenüber auf die Vorrichtung (A, A') einwirkenden Umgebungsdruck ausgebildet ist, insbesondere, dass das Arbeitsfluidreservoir (16) über außendruckstabile Leitungen fluidleitend mit der Pumpkammer (3, 3') verbunden ist.
Vorrichtung (A, A') nach einem Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluidreservoir (16) gegenüber dem Umgebungsdruck druckstabil abgeschlossen oder verschließbar ausgebildet ist.
Vorrichtung (A, A') nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckgasquelle (10) fluidleitend mit dem Arbeitsfluidreservoir (16) verbunden ist.
Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 15 und/oder eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Herstellung einer photovoltaischen Solarzelle, insbesondere zum Aufbringen einer Metallpartikel enthaltenden Paste auf ein Halbleitersubstrat zum Erzeugen einer Kontaktierungsstruktur.