DE102016114733A1

DE102016114733A1 - Druckübersetzer

Info

Publication number: DE102016114733A1
Application number: DE102016114733.8A
Authority: DE
Inventors: Martin Reuter
Original assignee: Marco Systemanalyse und Entwicklung GmbH
Current assignee: Marco Systemanalyse und Entwicklung GmbH
Priority date: 2016-08-09
Filing date: 2016-08-09
Publication date: 2018-02-15
Also published as: KR20180018346A; CN107701526A

Abstract

Ein Druckübersetzer für flüssige Medien umfasst einen entlang einer Längsachse in einer Linearbewegung bewegbaren Kolben, der über einen Drehantrieb in Drehung versetzbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckübersetzer für flüssige Medien für Dosiersysteme.
Ein berührungsloses Aufbringen von Flüssigkeiten, beispielsweise Klebstoffen oder Beschichtungen, ist mittlerweile fester Bestandteil moderner Fertigungsprozesse. Hierdurch kann verhindert werden, dass ein Werkstück oder auch Bauelemente auf dem Werkstück während des Prozesses beschädigt werden. Das Aufbringen von Haftvermittlern oder Klebstoffen, ein Underfilling von Bauelementen oder auch ein Verguss von LEDs sind nur einige Beispiele für derartige Fertigungsprozesse. Der Auftrag der jeweiligen Medien erfolgt berührungslos mit Hilfe von sogenannten Jet-Ventilen. Hierbei werden einzelne Tropfen oder Strings eines Mediums über einen geringen Abstand von einem Dosierventil auf das Werkstück "gejettet" bzw. gefeuert.
Bei den oben beschriebenen Anwendungen ist in den meisten Fällen eine sehr hohe Wiederholgenauigkeit gefordert, zum Beispiel um eine gleichbleibende Linienbreite des aufgebrachten Klebstoffs zu gewährleisten oder auch um stets identische Mengen an Medien bzw. Zusatzstoffen beizugeben. Um hierbei konstante Dosiermengen zu realisieren, ist es wichtig, sämtliche Parameter zu kontrollieren, welche die Dosiermenge verändern könnten, und diese Parameter entweder direkt zu regeln und zu verändern, oder durch Variation anderer Parameter zu kompensieren.
Neben der Temperatur, die typischerweise die Viskosität des Mediums verändert, und der Dynamik des eingesetzten Dosierventils (Öffnungsflanke, Öffnungszeit, Schließflanke) ist vor allem auch der Mediendruck ein Parameter, der einen großen Einfluss auf die Dosiermenge ausübt, da Variationen im Druck auch zu Variationen der Dosiermenge führen. Die für ein Jetten geeigneten Mediendrücke können je nach Medieneigenschaften sehr unterschiedlich sein. Für manche Medien genügen nur wenige bar und für andere Medien werden Drücke im Bereich von beispielsweise 50 bar gefordert. Die in den meisten Fertigungsanlagen zur Verfügung stehende Luftdruckversorgung stellt einen Luftdruck im Bereich von etwa 5 bis 6 bar zur Verfügung. Wenn jedoch beim Dosieren höhere Mediendrücke notwendig sind, werden üblicherweise Druckübersetzer eingesetzt, die mit Hilfe von Kolben mit unterschiedlichen Flächen eine Druckübersetzung des zur Verfügung stehenden Drucks (z.B. 6 bar) auf einen durch die Flächenverhältnisse definierten höheren Druck (z.B. 60 bar bei einem Flächenverhältnis von 1:10) erlauben.
In der Praxis hat sich herausgestellt, dass der Ausgangsdruck eines solchen Druckübersetzers trotz konstantem Eingangsdruck Druckschwankungen aufweist, die zwar gering sind (im Bereich von einigen wenigen Prozent), die jedoch für hochpräzise Dosieranwendungen immer noch zu groß sind.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Druckübersetzer für flüssige Medien zu schaffen, der eine verringerte Druckschwankung im Ausgangsdruck aufweist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 und insbesondere durch einen Druckübersetzer für flüssige Medien, der zumindest einen in einem Kolbenraum entlang einer Längsachse in einer Linearbewegung bewegbaren Kolben umfasst sowie einen in einen Medienraum mündenden Einlass und einen aus dem Medienraum führenden Auslass. Einlass und Auslass sind mit Ventilen versehen, wobei ein Linearantrieb vorgesehen ist, um den Kolben in dem Kolbenraum und in dem Medienraum entlang der Längsachse zu bewegen. Erfindungsgemäß ist zusätzlich ein Drehantrieb vorhanden, der den Kolben in Drehung um die Längsachse versetzt. Erfindungsgemäß wurde nämlich erkannt, dass eine drastische Reduzierung der Druckschwankungen des Ausgangsdrucks bei einem Druckübersetzer möglich ist, wenn der Kolben im Kolbenraum kontinuierlich bewegt wird, um die Haftreibung des Kolbens an der Kolbenwandung zu eliminieren. Da bei einer Dosierung des Mediums typischerweise keine kontinuierliche Abgabe einzelner Dosen erfolgt, sondern üblicherweise einzelne Tropfen oder auch Reihen von Tropfen unterbrochen von Wartezeiten abgegeben werden, wird der Kolben entlang der Längsachse nicht gleichmäßig bewegt, sondern es kommt immer wieder zu einem Stillstand. Hierbei muss der Kolben bei jeder neuerlichen Bewegung zunächst die Haftreibung mit der Kolbenwand überwinden, die typischerweise sehr viel höher als die Gleitreibung ist. Dies hat zur Folge, dass am Anfang der Linearbewegung ein vergleichsweise großer Widerstand vorhanden ist und der Kolben beim Überwinden der Haftreibung beschleunigt. Durch dieses Verhalten kommt es zu Druckschwankungen des Ausgangsdrucks und damit auch zu Schwankungen der Dosiermenge.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann jedoch die Haftreibung des Kolbens eliminiert und dadurch ein konstanter Ausgangsdruck erreicht werden, indem der Kolben in Drehung um die Längsachse versetzt wird. Eine solche Rotationsbewegung kann dem Kolben zu jedem Zeitpunkt auferlegt werden, unabhängig davon, an welcher Position sich der Kolben innerhalb des Kolbenraums befindet.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, der Zeichnung sowie den Unteransprüchen beschrieben.
Nach einer ersten vorteilhaften Ausführungsform kann der Kolben durch den Drehantrieb unabhängig von der Linearbewegung drehbar sein. Hierdurch kann der Kolben kontinuierlich in Bewegung gehalten werden, auch wenn der Kolben keine Linearbewegung entlang der Längsachse ausführt, so dass während der Drehbewegung keine Haftreibung zwischen Kolben und Kolbenwandung auftritt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Kolben eine mit dem Drehantrieb verbundene Kolbenstange aufweisen, die den Kolben in Drehung versetzt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Auslass mit einem Dosierventil in Verbindung stehen, um ein hochpräzises Dosieren von flüssigen Medien zu erlauben.
Um eine kontinuierliche Druckversorgung des Mediums zu ermöglichen, können nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zwei Kolbenräume mit jeweils einem Kolben und einem Medienraum mit jeweils einem Einlass und einem Auslass vorgesehen sein, wobei die Kolben entlang der Längsachsen im Gegentakt antreibbar sind. Durch eine wechselseitige Kolbenbewegung kann am Ausgang eine kontinuierliche Druckversorgung erreicht werden, wobei hierzu nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform Einlass und Auslass der beiden Kolbenräume über Rückschlagventile derart miteinander verbunden sein können, dass eine kontinuierliche Abgabe von Medium erfolgt, wenn die beiden Kolben im Gegentakt entlang der Längsachse bewegt werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann ein gemeinsamer Drehantrieb für beide Kolben vorgesehen sein, wodurch die Vorrichtung kostengünstig herstellbar ist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist es möglich, den oder die Kolben mit einer Hubmesseinrichtung zu versehen. Hierdurch kann zum einen eine Endlagenerkennung der Kolben erfolgen und es ist auch eine genaue kontinuierliche Wegmessung der Kolben möglich. Hierdurch lässt sich das dosierte Volumen ermitteln und bei sich während des Prozesses verändernden Eigenschaften des Mediums (z.B. einer Viskositätsänderung über Zeit oder Temperatur) nachregeln.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Hubmesseinrichtung zumindest einen in dem Kolben integrierten Magneten aufweist, da hierdurch beispielsweise mit Hilfe von im Kolbengehäuse integrierten Hall-Sensoren eine berührungslose Wegmessung durchgeführt werden kann.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese ein Verfahren zum Betreiben eines Druckübersetzers der vorstehend beschriebenen Art, wobei der Kolben in dem Kolbenraum durch den Linearantrieb entlang der Längsachse bewegt wird und gleichzeitig durch den Drehantrieb um die Längsachse gedreht wird. Hierbei kann es besonders vorteilhaft sein, wenn der Kolben kontinuierlich gedreht jedoch entlang der Längsachse diskontinuierlich bewegt wird, da in diesem Fall zu jedem Zeitpunkt (abgesehen von einem Start und einem Ende der Drehbewegung die Haftreibung eliminiert ist.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Druckübersetzers; und
2 einen Schemaplan eines Druckübersetzers mit zwei in Gegentakt betreibbaren Kolben.
1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Druckübersetzers für flüssige Medien, der einen Kolben 10 umfasst, welcher entlang einer Längsachse in einer Linearbewegung in einem Kolbenraum 12 hin und her bewegbar ist. Der Kolben 10 besitzt innerhalb des Kolbenraums 12 eine erste Querschnittsfläche, die größer ist als eine zweite Querschnittsfläche des Kolbens 10, die sich in einen Medienraum 14 erstreckt. Hierdurch kann auf an sich bekannte Weise eine Druckübersetzung im Verhältnis der Kolbenflächen erfolgen.
Der Medienraum 14 ist mit einem Einlass 16 und einem Auslass 18 versehen, wobei im Einlass 16 und im Auslass 18 gegensinnig geschaltete Rückschlagventile 20 und 22 vorgesehen sind.
Um den Kolben 10 innerhalb des Kolbenraums 12 und gleichzeitig innerhalb des Medienraums 14 hin und her zu bewegen, ist ein nicht näher dargestellter Linearantrieb in Form zweier Druckleitungen P1 und P2 vorgesehen. Durch wechselseitiges Beaufschlagen der Druckleitungen P1 und P2 mit Druck, was durch eine nicht dargestellte Drucksteuerung erfolgt, kann der Kolben 10 in einer Linearbewegung entlang der Längsachse hin und her bewegt werden. Selbstverständlich sind jedoch auch andere Linearantriebe möglich, wie beispielsweise ein Spindelantrieb oder ein sonstiger Antrieb.
Wird der Kolben 10 durch Druckbeaufschlagung der Druckleitung P1 nach oben bewegt, so kann über den Einlass 16 Medium in den Medienraum 14 angesaugt werden. Bei einer Umkehr der Kolbenbewegung durch Druckbeaufschlagung der Druckleitung P2 wird das Medium dann über das Rückschlagventil 22 in den Auslass 18 unter erhöhtem Druck abgegeben.
Da der Kolben 10 in dem Kolbenraum 12 über beispielsweise einen O-Ring 11 abgedichtet ist, unterliegt die Linearbewegung des Kolbens stets einer Haftreibung, wenn der Kolben aus dem Stillstand bewegt wird. Um diese Haftreibung zu eliminieren, ist erfindungsgemäß ein Drehantrieb 20 vorgesehen, der den Kolben 10 in Drehung um seine Längsachse versetzt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Drehantrieb 20 einen in beide Drehrichtungen beliebig drehbaren Motor 22 auf, der über ein Ritzel 24 ein Zahnrad 26 antreibt, das wiederum über eine Kolbenstange 28 mit dem Kolben 10 drehfest verbunden ist. Bei einer Linearbewegung des Kolbens kann das Zahnrad 26 entlang des Ritzels 24 gleiten und gleichzeitig den Kolben 10 in Drehung versetzen.
Mit der in 1 dargestellten Vorrichtung ist es möglich, den Kolben 10 kontinuierlich um seine Längsachse zu drehen, jedoch gleichzeitig diskontinuierlich entlang der Längsachse hin und her zu bewegen.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Druckübersetzers, wobei für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet sind. Bei dieser Ausführungsform sind zwei Kolben 10 vorgesehen, wobei jeder Kolben 10 in einem eigenen Kolbenraum 12 entlang seiner Längsachse linear auf und ab bewegbar ist und mit seinem jeweiligen kleineren Kolbenquerschnitt in einen eigenen zugehörigen Medienraum 14 eintaucht. Für einen Linearantrieb der beiden Kolben 12 sind wiederum Druckleitungen P1 und P2 vorgesehen, die unter Zwischenschaltung von nicht näher bezeichneten Ventilen, die von einer Zentralsteuerung 30 angesteuert werden, eine Druckbeaufschlagung des Kolbens im Kolbenraum 12 an seiner Oberseite oder an seiner Unterseite ermöglichen. Die Einlässe 16 und Auslässe 18 der beiden Medienräume 14 sind über Rückschlagventile 34 und 36 derart miteinander verbunden, dass bei im Gegentakt angetriebenen Kolben 10 eine kontinuierliche Abgabe von Medium erfolgt.
Wie 2 ferner verdeutlicht, ist für beide Kolben 10 ein gemeinsamer Drehantrieb 20 vorgesehen, der wiederum einen Elektromotor 22 aufweist, der über ein gemeinsames Ritzel 24 zwei Zahnräder 26 antreibt, die entlang des Ritzels in Längsrichtung auf und ab bewegt werden können. Die Zahnräder 26 sind wiederum mit Führungsstangen 28 drehfest verbunden, so dass die beiden Kolben 10 während ihrer Linearbewegung gleichzeitig jedoch unabhängig von der Linearbewegung in Drehung versetzt werden können.
Schließlich zeigt 2, dass für beide Kolben 10 eine Hubmesseinrichtung 36 vorgesehen ist, beispielsweise in Form von zu einer Kette verbundenen Hall-Sensoren, die mit einem in die Kolben 10 integrierten Magneten zusammenwirken, so dass die jeweilige Position der Kolben entlang der Längsachse detektiert werden kann.
Der in 2 dargestellte Druckübersetzer kann auf vorteilhafte Weise an seinem Einlass 16 an ein Medienreservoir, beispielsweise eine Kartusche angeschlossen sein und an seinem Auslass 18 mit einem Dosierventil in Verbindung stehen, um das Medium dosiert zu applizieren.

Claims

Druckübersetzer für flüssige Medien, umfassend zumindest einen in einem Kolbenraum (12) entlang einer Längsachse in einer Linearbewegung bewegbaren Kolben (10), einen in einen Medienraum (14) mündenden Einlass (16) und einen aus dem Medien führenden Auslass (18), wobei Einlass (16) und Auslass (18) mit Ventilen (20, 22) versehen sind, sowie einen Linearantrieb, um den Kolben (10) in dem Kolbenraum (12) und dem Medienraum (14) entlang der Längsachse zu bewegen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehantrieb (20) vorgesehen ist, der den Kolben (10) in Drehung um die Längsachse versetzt.
Druckübersetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (10) durch den Drehantrieb (20) unabhängig von der Linearbewegung drehbar ist.
Druckübersetzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (10) eine von dem Drehantrieb angetriebene Kolbenstange (28) aufweist.
Druckübersetzer nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (18) mit einem Dosierventil in Verbindung steht.
Druckübersetzer nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Kolbenräume (12) mit jeweils einem Kolben (10) und einem Medienraum (14) mit einem Einlass (16) und einem Auslass (18) vorgesehen sind, wobei die Kolben (10) entlang der Längsachsen im Gegentakt antreibbar sind.
Druckübersetzer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Einlass (16) und Auslass (18) der beiden Medienräume (14) über Rückschlagventile (34, 36) derart miteinander verbunden sind, dass bei im Gegentakt angetriebenen Kolben (10) eine kontinuierliche Abgabe von Medium erfolgt.
Druckübersetzer nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsamer Drehantrieb (20) für beide Kolben (10) vorgesehen ist.
Druckübersetzer nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Kolben (10) mit einer Hubmesseinrichtung (36) versehen sind.
Druckübersetzer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubmesseinrichtung (36) zumindest einen in den Kolben (10) integrierten Magneten aufweist.
Verfahren zum Betreiben eines Druckübersetzer für flüssige Medien, umfassend zumindest einen in einem Kolbenraum entlang einer Längsachse in einer Linearbewegung bewegbaren Kolben, einen in einen Medienraum mündenden Einlass und einen aus dem Medienraum führenden Auslass, wobei Einlass und Auslass mit Ventilen versehen sind, sowie einen Linearantrieb, um den Kolben in dem Kolbenraum und dem Medienraum entlang der Längsachse zu bewegen, wobei ein Drehantrieb vorgesehen ist, der den Kolben in Drehung um die Längsachse versetzt, bei welchem Verfahren der Kolben in dem Kolbenraum und dem Medienraum durch den Linearantrieb entlang der Längsachse bewegt wird und gleichzeitig durch den Drehantrieb um die Längsachse gedreht wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben kontinuierlich gedreht jedoch entlang der Längsachse diskontinuierlich bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus dem Auslass abgegebenes flüssiges Medium einem Dosierventil zugeführt und dosiert wird.