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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Dosieren eines Mediums mittels einer Kolbenpumpe.
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Eine Dosiervorrichtung mit einer Kolbenpumpen ist bereits aus dem Stand der Technik bekannt. So zeigt beispielsweise die Patentschrift
DE 42 06 576 B4 ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung der Fördermenge oder des Förderstromes mittels einer Kolbenpumpe. Anhand der Hubzahl oder der Hubfrequenz, sowie dem Fördervolumen der einzelnen Druckhübe lässt sich dann die Fördermenge bestimmen.
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Mit der Druckschrift
DE 10 2011 122 268 B3 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Dosieren eines flüssigen Mediums offenbart. Die Anlage zeigt eine Dosiervorrichtung in Form einer Kolbenpumpe mit einem Zylinder und einem verstellbaren Kolben. Bei der vorliegenden Ausführungsform strömt über eine Einlassleitung das Medium in den Zylinderraum ein und das überschüssige Medium über eine separate Auslassleitung im Kolbenboden aus dem Zylinderraum aus. Das dosierte Volumen strömt über eine zusätzliche Auslassleitung im Zylinderboden aus der Kolbenpumpe aus. Diese Ausführungsform stellt eine sehr aufwendige Konstruktion dar, denn hierfür sind mindestens eine Einlass- und zwei Auslassleitungen notwendig.
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Auch ist die Anordnung von Ventilen im Kolbenboden sehr aufwendig, da die abführenden Leitungen als bewegliche Schläuche ausgebildet sein müssen, um den Bewegungen des Kolbens zu folgen.
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Ein weiterer Nachteil bei dieser Ausführungsform ist, dass nur dann ein Medium durch die Eingangsleitung strömt, wenn es in den Zylinderraum eingeführt wird.
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Dadurch ist stets ein stehendes Medium in der Eingangsleitung vorhanden, was beispielsweise in dieser Zeit abkühlt. Auch kann es bei längeren Standzeiten in der Eingangsleitung zu einer chemischen Veränderung des Mediums kommen.
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Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Eingangsleitung sehr umständlich zu säubern bzw. zu spülen ist, da jeder Spülvorgang durch den Zylinderraum erfolgen muss. Auch ist das Einlassventil weit entfernt von dem Zylinderraum angeordnet. Somit bleibt immer eine gewisse Restflüssigkeit in dem letzten Abschnitt, die möglicherweise dann in den Zylinderraum gespült wird.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine einfachere und bessere volumetrische Dosierung mit einer Kolbenvorrichtung zu ermöglichen.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekennzeichnet.
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Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass die Dosiervorrichtung mindestens eine Eingangs- und mindestens eine Ausgangsleitung im Zylinderboden aufweist, wobei die Einlassleitung als Ringleitung ausgebildet ist.
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Hierbei ist wesentlich, dass das überschüssige Medium über das Einlassventil zurück in eine außerhalb des Arbeitsraums angeordnete Ringleitung strömt, die mediumleitend mit dem Vorratstank verbunden ist.
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Bevorzugt ist die Eingangsleitung so ausgebildet, dass die Einlassleitung als Ringleitung ausgebildet ist, von der mindestens eine Stichleitung abzweigt, die mit dem Einlassventil des Zylinders verbunden ist.
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Dies ist ein Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, der lange, totraum- behaftete Strömungswege verwendete, die erfindungsgemäß nun durch die Anordnung einer außerhalb des Arbeitsraums des Zylinders angeordneten Ringleitung minimiert werden.
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Weiterer Vorteil ist daher, dass aufgrund der Ausbildung der Eingangsleitung als Ringleitung lediglich eine einzige Förderpumpe benötigt wird, welche das notwendige Medium in den Zylinderraum fördert. Der Stand der Technik benötigte hingegen zwei Förderpumpen.
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Bei einem etwaigen Überschuss des Mediums im Zylinderraum kann der Kolben bzw. die Kolbenpumpe gegen den Druck der Förderpumpe das überschüssige Medium zurück in die Ringleitung pumpen.
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Ein weiterer Vorteil besteht bei der vorliegenden Erfindung darin, dass nur noch zwei Sensoren notwendig sind, welche das einzuführende Medium in den Zylinderraum überwachen. So ist bevorzugt ein Temperatursensor in der Ringleitung angeordnet, während der allgemeine Drucksensor sich im Zylinderboden der Kolbenpumpe befindet.
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Durch die Anordnung des Sensors im Zylinderboden der Kolbenpumpe ist es nun erstmals möglich, dass dieser sowohl die Drücke der Eingangsleitung, als auch die Drücke der Ausgangsleitung überwachen kann. So findet eine Drucküberwachung sowohl während des Befüllens des Zylinderraumes, während des Tariervorganges, als auch während der volumetrischen Bestimmung statt.
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Dies bewirkt eine Minimierung der Messtoleranzen, da lediglich ein Drucksensor Verwendung findet. Ein Abgleichen von unterschiedlichen Messwerten, die von unterschiedlichen Sensoren erzeugt werden, wird bei der vorliegenden Erfindung vermieden.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Drucksensor im Zylinderboden eine perfekte Anordnung für die volumetrische Dosiervorrichtung ist, denn dadurch kann der Druck innerhalb des Zylinderraumes direkt gemessen werden, was der Stand der Technik nicht vorsieht, denn bei diesem hat jedes Medium einen eigenen Drucksensor im Zulaufkanal.
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Ein weiterer Vorteil bei der vorliegenden Erfindung ist, dass ausgehend von der Ringleitung eine lediglich kurze Stichleitung, das zu fördernde Medium in den Zylinderraum fördert. Dies hat wesentliche Vorteile, da bei der Ringleitung das zu fördernde Medium ständig in Bewegung ist und somit eine ständige Kontrolle des Mediums in Bezug auf Temperatur und Druck stattfinden kann.
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Durch die kurze Stichleitung zum Zylinderraum wird der stehende Anteil des Mediums innerhalb der Leitung stark reduziert. Der Stand der Technik hat hingegen lange Eingangsleitungen vorgesehen, in welchen das Medium teilweise über längere Zeiträume ohne eine Bewegung gestanden ist.
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Ein weiterer Vorteil bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform besteht darin, dass diese unabhängig von der Aufstellsituation der Vorratsbehälter ist. So kann beispielsweise der Vorratsbehälter in einem anderen Raum bzw. in einer anderen Halle angeordnet sein, während das Medium über die Ringleitung relativ nah an die Dosiereinheit gefördert wird und nur im letzten Abschnitt über eine kurze Stichleitung dem Zylinder zugeführt wird. Durch diese Ausführungsform sind eine ständige Kontrolle der Temperatur und somit stets eine gleichbleibende Qualität gewährleistet.
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Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Ringleitung einen Bypass auf, welcher insbesondere die Förderpumpe in der Ringleitung entlastet und dadurch u. a. eine gleichbleibende Temperatur des strömenden Mediums gewährleistet. So besteht der Vorteil, dass die Pumpe in der Ringleitung ständig in Betrieb ist und somit der Druck und die Temperatur durch eine Drossel in dem Bypass gut kontrolliert werden kann.
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Bevorzugt fördert die Pumpe in der Ringleitung mit einem geringeren Druck, als die Kolbenpumpe im Zylinder, sodass beim Vorhandensein eines überschüssigen Mediums innerhalb des Zylinderraumes, dieses gegen den Druck der Förderpumpe wieder zurück in die Ringleitung gepumpt werden kann.
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Vorteil der vorliegenden Erfindung ist nun, dass sich die Anzahl der Sensoren auf ein Minimum reduziert und das Medium in der Ringleitung stets zur Verfügung steht. Dies ist ein Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, bei welchem über längere Zeiträume das Medium in den Einlassleitungen „gestanden” ist und für jede Einlassleitung ein Sensor notwendig gewesen ist.
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Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
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Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von einer, lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnung näher erläutert. Hierbei gehen aus der Zeichnung und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
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Es zeigen:
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1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungswesentlichen Dosiervorrichtung
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2 zeigt eine den Zylinder mit der Anordnung eines Drucksensors.
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1 zeigt die erfindungswesentliche Dosiervorrichtung 1. Die Dosiervorrichtung 1 besteht aus einer Kolbenpumpe 3, welche einen Zylinder 2 und einem darin, beweglich angeordnet Kolben 4 aufweist.
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Der Zylinder 2 weist einen Zylinderboden 5 auf, in welchem bevorzugt mindestens ein Einlass- 7 und mindestens ein Auslassventil 8 angeordnet sind. Der Kolben 4 definiert zusammen mit dem Zylinder 2 einen Arbeitsraum 6, in welchem das zu dosierenden Medium volumetrisch bestimmt wird. Der Weg des Kolbens 4 ist mithilfe eines linearen Wegsensors 23 erfassbar, wodurch die aktuelle Position des Kolbens 4 innerhalb des Zylinders 2 detektierbar ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die gesamte Dosiervorrichtung 1 mit Heizmanschetten auf einer einheitlichen Temperatur gehalten werden, sodass auch anspruchsvolle Medien gefördert bzw. dosiert werden können.
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In einer ersten vorteilhaften Ausführungsform weist die Dosiervorrichtung 1 mindestens einen Vorratstank 12 auf, welcher bevorzugt ein erstes Medium 24 beinhaltet.
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Der Vorratstank 12 kann klimatisiert ausgebildet sein, was bei der vorliegenden Ausführungsform insbesondere eine Heizung betrifft, welche das Medium 24 auf einer konstanten Temperatur hält.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird das Volumen des Mediums innerhalb der Dosiervorrichtung über die Dichte, die Temperatur und den Verfahrweg des Kolbens bestimmt. Optional kann anhand der Kompressibilität das enthaltene Gasvolumen im Medium ermittelt werden.
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In Bezug auf das Medium 24 beansprucht die vorliegende Erfindung sämtliche flüssige bzw. gasförmig bzw. feste (schüttfähige) Medien, welche mit einer Dosiereinrichtung förderbar sind.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Vorratstank 12 ein Rührwerk aufweisen mit welchem das zu fördernde Medium 24 ständig umgerührt wird und somit keine „Hot Spots” entstehen.
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Wichtig ist, dass die vorliegende Erfindung nicht auf einen Vorratstank 12 und ein Medium 24 beschränkt ist, sondern auch mit der erfindungswesentlichen Dosiervorrichtung 1 mehrere Medien volumetrisch bestimmt werden können, welche anschließend beispielsweise einem Mischer zugeführt werden. Es handelt sich somit bevorzugt um eine Vielstoff-Dosiervorrichtung.
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In der ersten bevorzugten Ausführungsform ist am Vorratstank 12 eine Ringleitung 13 mit einer Förderpumpe 14 angeordnet. Der Vorratstank weist mindestens einen Auslass und mindestens einen Einlass auf, welche durch die erfindungswesentliche Ringleitung 13 verbunden sind. Durch die Förderpumpe 14 zirkuliert das Medium 24 innerhalb der Ringleitung 13.
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Das Medium 24 verlässt den Vorratstank 12 über einen Auslass und gelangt in die Ringleitung 13. Wird kein Medium 24 in die Stichleitung 15 abgeführt, so strömt das Medium 24 wieder in Pfeilrichtung 20 zurück in den Einlass des gleichen Vorratstankes 12. Die Ringleitung 13 dient somit als mediumleitende Verbindung zwischen dem Auslass und dem Einlass des Vorratstankes 12.
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Die Anordnung einer Ringleitung 13 und der Dauerbetrieb der Förderpumpe 14 haben den wesentlichen Vorteil, dass eine konstante Qualität des Mediums stets zur Verfügung steht. Unterschiedliche Temperaturbereiche werden innerhalb der Leitung vermieden.
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Die Ringleitung 13 weist bevorzugt ein T-Stück 16 auf, an welchem eine Stichleitung 15 angeordnet ist. Die Stichleitung 15 ist gegenüber der Ringleitung 13 relativ kurz ausgebildet und stellt eine Verbindung für das Medium 24 zwischen der Ringleitung 13 und dem Zylinder 2 bzw. Zylinderboden 5 her.
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Wesentlicher Vorteil der kurzen Stichleitung 15 ist, dass Temperaturschwankungen bzw. Temperaturunterschiede in Bezug auf das Medium 24 vermieden werden können. Aufgrund der kurzen Länge der Stichleitung 15 ist eine gleichbleibende Temperatur bis zum Zylinder 2 bzw. bis in den Arbeitsraum 6 gewährleistet.
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Die Stichleitung 15 ist bevorzugt über ein T-Stück 16 an die Ringleitung 13 angeschlossen. Es ist jedoch auch ein regelbares Ventil möglich, durch welches eine Absperrung zwischen der Ringleitung 13 und der Stichleitung 15 stattfindet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird über die Stichleitung 15, sowohl das Medium 24 in den Zylinder 2 bzw. den Arbeitsraum 6 in Pfeilrichtung 25 einführt, als auch in entgegen gesetzter Richtung das überschüssige Medium in Pfeilrichtung 29 wieder zurückgeführt. Das überschüssige Medium ist hierbei von der Dosiervorrichtung 1 im Arbeitsraum 6 ermittelt worden und muss während des Dosiervorganges mindestens einmal abgeführt werden.
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Die Anordnung einer Ringleitung 13 zusammen mit einer kurzen Stichleitung 15 hat den wesentlichen Vorteil, dass nur noch eine Leitung 15 notwendig ist, welche das Medium 24 in dem Arbeitsraum 6 zu- und wieder abführt.
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So dient die Stichleitung 15, sowohl als Einlassleitung in den Arbeitsraum 6, als auch als (Auslass-)Überschussleitung, welche das überschüssige Medium zurück in die Ringleitung 13 fördert.
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In der Ringleitung 13 ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ein Ventil 18 angeordnet, welches als Drosselventil 18 ausgebildet ist. Durch das einstellbare Drosselventil 18 lässt sich der Druck innerhalb der Ringleitung 13 kontrollieren und regeln.
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Mit der Drossel 18 werden innerhalb der Ringleitung 13 relativ hohe Drücke erreicht, was den Vorteil hat, dass über die Stichleitung 15 das Medium 24 in den Zylinderraum bzw. Arbeitsraum 6 relativ schnell einströmt, wodurch u. a. die Entstehung von Kavitation vermieden wird.
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Bevorzugt weist die Ringleitung 13 ein Temperatursensor 22 auf, welche die Temperatur des Medium 24 überwacht. Durch die Ausbildung der Einlassleitung als Ringleitung 13 ist bei der erfindungswesentlichen Ausführungsform nur ein Temperatursensor 22 notwendig, da keine unterschiedliche Temperaturbereiche in der Dosiervorrichtung 1 vorhanden sind.
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Wird nun bei dem volumetrischen Dosiervorgang innerhalb des Zylinders 2 bzw. des Arbeitsraumes 6 ein überschüssiges Medium festgestellt, so findet ein Zurückpumpen des überschüssige Mediums über das Einlassventil 7 in die Ringleitung 13 statt.
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Der Druck auf das überschüssige Medium erfolgt hierbei durch die Kolbenpumpe 3, wobei der Kolben 4 in einer linearen Bewegung in Pfeilrichtung 28 nach unten fährt. Entscheidend ist nun, dass der Druck der Kolbenpumpe 3 höher ist, als der Druck, der von der Pumpe 14 in der Ringleitung 13 erzeugt wird. Bei einem geöffneten Einlassventil 7 kann somit das überschüssige Medium aus dem Zylinder 2 zurück in die Ringleitung 13 geführt werden.
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Während des Rückführens des überschüssigen Mediums 24 aus dem Arbeitsraum 6 wird an der Ringleitung 13 ein Bypass 17 über ein Ventil 19 geöffnet, wodurch der Druck innerhalb der Ringleitung 13 abfällt. Die Kolbenpumpe 3 kann somit das überschüssige Medium 24 zurück in die Ringleitung 13 pumpen.
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Den gesamten Dosiervorgang überwacht ein Sensor 11. Der Sensor 11 ist bevorzugt im Zylinderboden 5 des Zylinders 2 angeordnet und überwacht ständig den Druck innerhalb des Arbeitsraumes 6.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist an der Ringleitung 13 eine Begleitheizung 26 angeordnet, welche für eine konstante Temperierung des Mediums 24 innerhalb der Ringleitung 13 sorgt.
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Im Folgenden wird der Ablauf eines möglichen volumetrischer Dosiervorgang beschrieben:
- 1. Die Pumpe 14 fördert ein Medium 24 innerhalb der Ringleitung 13.
Der Kolben 4 befindet sich auf Höhe des Zylinderbodens 5, der Arbeitsraum 6 ist leer.
Öffnen des Einlassventils 7. Über die Stichleitung 15 strömt das Medium 24 in den Arbeitsraum 6 des Zylinders 2.
Der Drucksensor 11 überwacht während des gesamten Vorganges den Druck im Arbeitsraum 6 und steuert das Hochfahren des Kolbens 4 im Zylinder 2, so dass kein Vakuum im Arbeitsraum 6 entsteht.
- 2. Befühlen des Arbeitsraumes 6, solange bis die Einfüllmenge größer ist, als die zu dosierende Menge. Bevorzugt ist die Einfüllmenge circa 10% größer, als die zu dosierende Menge.
Die Ermittlung der Einfüllmenge erfolgt bevorzugt über einen Wegsensor 23, welcher den Weg des Kolbens 4 überwacht. Der Weg des Kolbens muss daher eine gewisse Prozentanzahl gegenüber der dosierten Menge überschreiten. Die Geschwindigkeit des Kolbens 3 ist über das Ventil 27 und einen extra dafür vorgesehenen Regelkreis regelbar.
- 3. Ist die gewünschte Einfüllmenge erreicht, schließt das Einlassventil 7 und der Kolben 4 fährt linear nach unten, wodurch das Medium 24 innerhalb des Arbeitsraumes 6 verdichtet wird und eine permanente Messung der Kompressibilität mit dem Drucksensor 11 stattfindet.
- 4. Feststellung der Kompressibilität und Zuaddierung dieses Wertes zu dem Soll-Dosiervolumen.
- 5. Öffnen des Bypassventils 19 innerhalb der Ringleitung 13 und anschließendes Öffnen des Einlassventils 7, um das überschüssige Medium aus dem Arbeitsrum 6 abzuführen.
- 6. Schließen des Einlassventils 7 bei Erreichen des gewünschten Volumens.
- 7. Anschließendes Öffnen des Auslassventils 8, wodurch das gewünschte Volumen über eine Auslassleitung 21 in Pfeilrichtung 30 aus dem Arbeitsraum 6 strömt.
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Entscheidend bei der vorliegenden Ausführungsform ist, dass das überschüssige Medium über das gleiche Einlassventil 7 wieder aus dem Arbeitsraum hinausgedrückt wird und zurück in die Ringleitung 13 gepumpt wird.
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Mit der 2 wird eine erfindungswesentliche Ausführungsform des Zylinders 2 der Dosiervorrichtung gezeigt.
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Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist im Zylinderboden 5 ein Drucksensor 11 angeordnet, welcher den Druck des Arbeitsraumes 6 ständig misst.
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Das Einlassventil 7 bzw. das Auslassventil 8 sind so im Zylinderboden 5 angeordnet, dass diese weitgehend bündig mit dem Zylinderboden 9 auf der Arbeitsseite sind. Die Ventile 7 bzw. 8 bilden daher eine Dichtfläche 10 mit dem arbeitsseitigen Zylinderboden 9.
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Wesentlicher Vorteil bei der Anordnung eines Einlass- bzw. Auslassventils 7, 8 innerhalb des Zylinderbodens 5 ist, dass das Kontaminationsmedium verringert wird, was bei dem bisherigen Stand der Technik nicht bekannt war. Der Stand der Technik hat lange Zu- bzw. Ablaufleitungen vorgesehen, wobei das Einlass- bzw. Auslassventil relativ weit entfernt vom Zylinderboden angeordnet gewesen ist.
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Durch die direkte Anordnung des Einlass- bzw. Auslassventils 7, 8 im Zylinderboden wird bei der vorteilhaften Ausführungsform der Totraum reduziert, bzw. vermieden. Dies ist besonders wichtig, wenn in den Arbeitsraum 6 mehrere, unterschiedliche Medien eingeführt werden bzw. dort dosiert werden, welche auf keinen Fall miteinander vermischt werden dürften.
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Durch die relativ totraumfreie Anordnung, ist die Dosiervorrichtung für zahlreiche unterschiedliche Medien geeignet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Stellung des Einlass- bzw. Auslassventils 7, 8 elektrisch bzw. elektronisch überwacht werden.
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Auch kann das Einlass- bzw. Auslassventil 7, 8 hydraulisch bzw. auch pneumatisch bzw. auch elektrisch ausgebildet sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann über eine Hydraulikeinheit, sowohl das Ventil 27 für die Steuerung des Zylinders 2, als auch die Einlass- und Auslassventile 7, 8 gesteuert werden. Hierauf soll jedoch nicht die Erfindung beschränkt sein, es ist ebenso möglich, dass jedes Ventil separat über eine Hydraulikeinheit oder eine andere Energiequelle verfügt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Dosiervorrichtung
- 2
- Zylinder
- 3
- Kolbenpumpe
- 4
- Kolbenboden
- 5
- Zylinderboden
- 6
- Arbeitsraum
- 7
- Einlassventil
- 8
- Auslassventil
- 9
- Zylinderboden (Arbeitsraumseitig)
- 10
- Dichtfläche von 9
- 11
- Sensor (Druck)
- 12
- Vorratstank
- 13
- Ringleitung (Einlass)
- 14
- Pumpe Ringleitung
- 15
- Stichleitung
- 16
- T-Stück
- 17
- Bypass
- 18
- Ventil (Drossel)
- 19
- Ventil Bypass
- 20
- Pfeilrichtung
- 21
- Auslassleitung (von 8)
- 22
- Temperatursensor
- 23
- Wegsensor (linear)
- 24
- Medium
- 25
- Pfeilrichtung
- 26
- Begleitheizung
- 27
- Ventil
- 28
- Pfeilrichtung
- 29
- Pfeilrichtung
- 30
- Pfeilrichtung Auslass
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4206576 B4 [0002]
- DE 102011122268 B3 [0003]
