DE102021003048A1

DE102021003048A1 - Vorrichtung zum Befüllen eines nicht vakuumfesten Systems mittels Vakuum-Druck-Befüllung

Info

Publication number: DE102021003048A1
Application number: DE102021003048.6A
Authority: DE
Inventors: Dany Dietel; Uwe Staffa; Stefan Rumbke; Michael Rathe
Original assignee: Duerr Somac GmbH
Current assignee: Duerr Somac GmbH
Priority date: 2021-06-02
Filing date: 2021-06-02
Publication date: 2022-12-08
Also published as: WO2022253377A3; EP4347411A2; CN117529438A; WO2022253377A2; CA3219978A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Befüllen einer Baugruppe eines nicht vakuumfesten Systems mit einem Betriebsstoff. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der solche nicht vakuumfesten Systeme mittels einer Vakuum-Druck-Befüllung luftfrei befüllt und verschlossen werden können. Diese Aufgabe wird gelöst, indem die Vorrichtung eine Vakuumkammer (1) zur Aufnahme von mindestens einer zu befüllenden Baugruppe (3) aufweist, wobei im Innenraum der Vakuumkammer (1) im unteren Bereich eine Drehvorrichtung (4) zur Abstützung und Verlagerung von mindestens einer Aufnahmeeinheit (5) für eine zu befüllende Baugruppe (3) angeordnet ist, wobei die mindestens eine Aufnahmeeinheit (5) aus mindestens zwei separaten Segmenten (51; 52) zusammengefügt ist, die in der zusammengefügten Position in ihrem Innenraum einen gemeinsamen freien Bauraum (53) ausbilden, dessen Innenkontur kongruent ist zur Außenkontur der zu befüllenden Baugruppe (3) und wobei in einem Segment (52) der Aufnahmeeinheit (5) oberhalb der Außenkontur der zu befüllenden Baugruppe (3) ein weiterer freier Bauraum (54) ausgebildet ist, wobei im Innenraum der Vakuumkammer (1) oberhalb der Aufnahmeeinheit (5) ein Schraubwerkzeug (7) für ein Verschlusselement (8) der zu befüllenden Baugruppe (3) und eine Befülleinheit (6) angeordnet sind und wobei die mit der zu befüllenden Baugruppe (3) in Wirkverbindung zu bringenden Abschnitte vom Schraubwerkzeug (7) und der Befülleinheit (6) jeweils in den weiteren freien Bauraum (54) der Aufnahmeeinheit (5) oberhalb der Außenkontur der zu befüllenden Baugruppe (3) verlagerbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Befüllen einer Baugruppe eines nicht vakuumfesten Systems mit einem Betriebsstoff mittels einer Vakuum-Druck-Befüllung und deren nachfolgendes Verschließen.
Für zahlreiche technische Anwendungen müssen Flüssigkeiten oder Gase als Betriebsstoffe einem gerätetechnischen System zugeführt werden. Um hierbei eine luftfreie Befüllung des jeweiligen Systems zu ermöglichen, werden zunehmend mittels Vakuum unterstützte Druckbefüllungen realisiert. Das zu befüllende System wird zunächst evakuiert, indem die in diesem System enthaltenen Gase mit einer Vakuumpumpe abgesaugt werden. Somit wird eine Luftfreiheit des Systems vor der Befüllung mit dem jeweiligen Befüllmedium erreicht.
Ein typisches Einsatzgebiet der Vakuum-Druck-Befüllung ist die Automobilindustrie. Dabei werden die Fahrzeuge an Montagelinien der Hersteller mit den notwendigen Betriebsstoffen befüllt. Diese Betriebsstoffe werden aus Befüllanlagen über Verbindungsleitungen und Befülladapter in die zu befüllenden Kreisläufe und Behälter der Fahrzeuge eingespeist. Derartige Anwendungen sind zum Beispiel aus DE 197 00 436 C2 , DE 10 2007 029 020 A1 und DE 10 2014 011 611 B4 bekannt und ergeben keine prinzipbedingten Probleme, weil die zu befüllenden Kreisläufe und Behälter der Fahrzeuge vakuumfest ausgeführt sind.
Sofern eine Vakuum-Druck-Befüllung hingegen zur Befüllung eines nicht vakuumfesten Systems eingesetzt werden soll, würde dieses System unter der Vakuumbeaufschlagung kollabieren. Ein diesbezüglich typisches Beispiel sind Ultraschallsonden für Anwendungen in der Medizintechnik. Diese Baugruppen werden überwiegend mittels einer Durchspülung befüllt, die jedoch keine luftfreie Befüllung bewirkt. Bisher sind auch keine alternativen Verfahren am Markt verfügbar, um solche Baugruppen luftfrei zu befüllen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der auch nicht vakuumfeste Systeme mittels einer Vakuum-Druck-Befüllung luftfrei befüllt und verschlossen werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem die Vorrichtung eine Vakuumkammer zur Aufnahme von mindestens einer zu befüllenden Baugruppe aufweist. Im Innenraum der Vakuumkammer ist im unteren Bereich eine Drehvorrichtung zur Abstützung und Verlagerung von mindestens einer Aufnahmeeinheit für eine zu befüllende Baugruppe angeordnet. Die mindestens eine Aufnahmeeinheit ist aus mindestens zwei separaten Segmenten zusammengefügt, die in der zusammengefügten Position in ihrem Innenraum einen gemeinsamen freien Bauraum ausbilden, dessen Innenkontur kongruent ist zur Außenkontur der zu befüllenden Baugruppe. In einem Segment der Aufnahmeeinheit oberhalb der Außenkontur der zu befüllenden Baugruppe ist ein weiterer freier Bauraum ausgebildet. Im Innenraum der Vakuumkammer sind oberhalb der Aufnahmeeinheit ein Schraubwerkzeug für ein Verschlusselement der zu befüllenden Baugruppe und eine Befülleinheit angeordnet. Die mit der zu befüllenden Baugruppe in Wirkverbindung zu bringenden Abschnitte vom Schraubwerkzeug und der Befülleinheit sind jeweils in den weiteren freien Bauraum der Aufnahmeeinheit oberhalb der Außenkontur der zu befüllenden Baugruppe verlagerbar.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen, deren technische Merkmale in einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden.
Der grundlegende Lösungsansatz besteht demzufolge darin, dass eine nicht vakuumfeste Baugruppe bzw. ein komplettes nicht vakuumfestes System in einer Vakuumkammer mit einer baulich integrierten Befüll- und Verschlusstechnik angeordnet und mit spezieller Handlingstechnik in eine für den jeweiligen Verfahrensschritt optimale Position verlagert wird. Dabei weist die Vakuumkammer lediglich eine einzige Öffnung auf, so dass ein grundsätzlich anderer Verfahrensablauf möglich wird als bei der bisher üblichen Befüllung nicht vakuumfester Systeme mittels einer Durchspülung.
Durch die Verwendung einer Vakuumkammer, in der sich die zu befüllende Baugruppe bzw. das zu befüllende System während der Evakuierung und Befüllung befindet, wird es möglich, auch nicht vakuumfeste Komponenten zu evakuieren. Dies wird erreicht, indem die Vakuumkammer während der Evakuierung ebenfalls evakuiert wird. Damit bleibt der Druck in der zu befüllenden Baugruppe bzw. in dem zu befüllenden System gleich zu dem Druck, der ihn umgibt. Somit kann ein Kollabieren der zu befüllende Baugruppe bzw. des zu befüllenden Systems vermieden werden und eine nachfolgende luftfreie Befüllung mit einem Betriebsstoff ist möglich.
Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung sind keine manuellen Handhabungen an einer zu befüllenden Baugruppe bzw. einem zu befüllenden System zum Adaptieren eines Befüllwerkzeuges erforderlich. Durch die in der Vakuumkammer baulich integrierten Baugruppen können alle notwendigen translatorischen und rotatorischen Zustellbewegungen realisiert werden. Dabei ist es für die Funktionsfähigkeit wesentlich, dass alle Abdichtungen zwischen den außerhalb der Vakuumkammer angeordneten Antrieben und der innerhalb der Vakuumkammer angeordneten Befüll- und Handlingstechnik vakuumdicht ausgeführt sind.
Somit wird eine Vorrichtung geschaffen, mit der auch Systeme, die bisher nicht luftfrei befüllt werden konnten, da sie die erforderliche Vakuumfestigkeit nicht aufweisen, durch die Nutzung einer Vakuum-Druck-Methode luftfrei befüllt und verschlossen werden können. Folglich kann diese technische Lösung bei zahlreichen Anwendungen zum Einsatz kommen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 den Aufbau der Vorrichtung in stilisierter Darstellung
2 eine zu befüllende Baugruppe und eine Aufnahmeeinheit
3 eine Drehvorrichtung mit Antrieb
4 eine Befülleinheit als separate Baugruppe
5 die Wirkverbindung von Befülleinheit und Aufnahmeeinheit
6 ein Schraubwerkzeug als separate Baugruppe
7 die Wirkverbindung von Schraubwerkzeug und Aufnahmeeinheit
8 eine spezifische Ausgestaltung eines Verschlusselementes

Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung ist zum Befüllen einer Baugruppe eines nicht vakuumfesten Systems mit einem Betriebsstoff mittels einer Vakuum-Druck-Befüllung und deren nachfolgendes Verschließen konzipiert. Als diesbezügliches Ausführungsbeispiel wird eine Anwendung für Ultraschallsonden für den medizinischen Bereich beschrieben.
Gemäß 1 umfasst die Vorrichtung eine Vakuumkammer 1, deren Innenraum über eine Verschlusseinrichtung 2 zugänglich ist. Im Innenraum wird mindestens eine zu befüllenden Baugruppe angeordnet, im konkreten Ausführungsbeispiel eine Ultraschallsonde 3, deren grundsätzlicher Aufbau aus 2 ersichtlich ist.
Im Innenraum der Vakuumkammer 1 ist im unteren Bereich eine Drehvorrichtung 4 zur Abstützung und Verlagerung von mindestens einer Aufnahmeeinheit 5 für die Ultraschallsonde 3 angeordnet. Der grundsätzliche Aufbau dieser Drehvorrichtung 4 ist aus 3 ersichtlich. Die Drehvorrichtung 4 weist eine Welle 41 mit Zentrierzapfen und Spanner für die Aufnahmeeinheit 5 auf. Der Antrieb der Drehvorrichtung 4 ist als ein Schwenkantrieb 42 mit Zahnriemenscheiben 43 ausgestaltet und außerhalb der Vakuumkammer 1 angeordnet. Die Drehvorrichtung 4 ist ausgehend von ihrem Antrieb 42 über einen Flansch 44 mit Lagerung und vakuumdichter Drehdurchführung im Gehäuse der Vakuumkammer 1 abgestützt.
An der Oberseite der Drehvorrichtung 4 und an der Unterseite des in der zusammengefügten Position auf der Drehvorrichtung 4 aufliegenden Segments 51 der Aufnahmeeinheit 5 sind jeweils zueinander kongruente Arretierungselemente ausgestaltet. Diese können z.B. gemäß 3 an der Drehvorrichtung 4 als zwei Schwertbolzen 45 und gemäß 2 am Segment 51 der Aufnahmeeinheit 5 als zylinderförmige Aussparungen 55 ausgestaltet werden. Die Wirkverbindung dieser Arretierungselemente ist z.B. aus 5 und 7 ersichtlich.
Der grundsätzliche Aufbau einer Aufnahmeeinheit 5 ist aus 2 ersichtlich. Demzufolge ist eine Aufnahmeeinheit 5 aus mindestens zwei separaten Segmenten 51 und 52 zusammengefügt. Diese Segmente 51 und 52 bilden in ihrer zusammengefügten Position im Innenraum einen gemeinsamen freien Bauraum 53 aus. Die Innenkontur dieses freien Bauraums 53 ist kongruent zur Außenkontur der zu befüllenden Ultraschallsonde 3. Weiterhin ist in einem Segment 52 der Aufnahmeeinheit 5 oberhalb der Außenkontur der zu befüllenden Ultraschallsonde 3 ein weiterer freier Bauraum 54 ausgebildet.
Im Innenraum der Vakuumkammer 1 sind oberhalb der Aufnahmeeinheit 5 eine Befülleinheit 6 und ein Schraubwerkzeug 7 für ein Verschlusselement 8 der Ultraschallsonde 3 angeordnet. Die mit der Ultraschallsonde 3 in Wirkverbindung zu bringenden Abschnitte vom Schraubwerkzeug 7 und der Befülleinheit 6 sind jeweils in den weiteren freien Bauraum 54 der Aufnahmeeinheit 5 oberhalb der Außenkontur der zu befüllenden Ultraschallsonde 3 verlagerbar.
Der grundsätzliche Aufbau der Befülleinheit 6 ist aus 4 ersichtlich. Demzufolge ist die Befülleinheit 6 als eine Befüllpinole 61 ausgestaltet mit einer stirnseitiger Abdichtung zum Befüllanschluss der Ultraschallsonde 3. Die Befüllpinole 61 ist über ein Gehäuse 62, einen Dichtkolben 63 und einen Flansch 64 im Gehäuse der Vakuumkammer 1 abgestützt. Die funktionelle Wirkverbindung der Befüllpinole 61 mit der in der Aufnahmeeinheit 5 angeordneten und zu befüllenden Ultraschallsonde 3 ist in 5 dargestellt.
Der grundsätzliche Aufbau des Schraubwerkzeuges 7 ist aus 6 ersichtlich. Demzufolge weist das Schraubwerkzeug 7 einen Antrieb 71, eine Kupplung 72, eine Welle 73 und ein Schraubbit 74 auf. Der Antrieb 71 für das Schraubwerkzeug 7 ist außerhalb der Vakuumkammer 1 angeordnet. Das Schraubwerkzeug 7 ist ausgehend vom Antrieb 71 über ein Gehäuse 75, einen Kolben 76 und einen Flansch 77 mit einer vakuumdichten Drehdurchführung im Gehäuse der Vakuumkammer 1 abgestützt. Das Schraubwerkzeug 7 kann weiterhin ein mechanisches Klemmelement (nicht dargestellt) aufweisen, mit dem eine Lagefixierung eines Verschlusselementes 8 für die zu befüllende Ultraschallsonde 3 möglich ist.
Das Verschlusselement 8 für die zu befüllende Ultraschallsonde 3 wird vorzugsweise mit einer Schraubkontur ausgeführt. 8 zeigt eine Variante, bei der das Verschlusselement 8 beispielsweise als eine Sonderschraube mit einem Führungsstift und einer stirnseitigen Dichtung ausgestaltet ist.
Sofern eine derartige Vorrichtung zum Befüllen einer nicht vakuumfesten Ultraschallsonde 3 für den medizinischen Bereich mit einem Betriebsstoff mittels einer Vakuum-Druck-Befüllung verwendet werden soll, ergibt sich folgender Funktionsablauf:

Die Ultraschallsonde 3 wird außerhalb der Vakuumkammer 1 in eine Aufnahmeeinheit 5 eingelegt und dabei durch das Zusammenfügen der Segmente 51 und 52 lagefixiert. Danach wird in der Vakuumkammer 1 ein Verschlusselement 8 auf das Schraubwerkzeug 7 gesteckt.
Danach wird die mit der Ultraschallsonde 3 bestückte Aufnahmeeinheit 5 in die Vakuumkammer 1 eingelegt, auf der Drehvorrichtung 4 positioniert und über die Welle 41 mit Zentrierzapfen und Spanner gespannt. Danach wird die Vakuumkammer 1 mittels der Verschlusseinrichtung 2 verschlossen.

Während die bisher erläuterten Arbeitsschritte von einem Werker manuell durchgeführt worden sind, werden die nachfolgenden Arbeitsschritte automatisch durchgeführt:

Die Aufnahmeeinheit 5 wird innerhalb der Vakuumkammer 1 zur Befüllposition (in 1 links) geschoben. Danach wird die Befüllspitze der Befüllpinole 61 zugestellt. Danach wird das gesamte System innerhalb der Vakuumkammer 1 evakuiert. Danach wird der Befüllvorgang durchgeführt. Danach wird die Befüllpinole 61 zurückgestellt. Danach wird das Schnüffeln gestartet. Danach wird die Aufnahmeeinheit 5 zur Schraubposition (in 1 rechts) geschoben. Danach wird das Schraubwerkzeug 7 zugestellt. Danach wird das Verschlusselement 8 in den Befüllanschluss der Ultraschallsonde 3 eingeschraubt. Danach wird das Schraubwerkzeug 7 zurückgestellt. Gleichzeitig wird die Vakuumkammer 1 belüftet. Danach wird die Aufnahmeeinheit 5 in die Grundstellung verschoben

Nach diesen automatisch durchgeführten Arbeitsschritten werden folgende Arbeitsschritte von einem Werker nochmals manuell durchgeführt:
Die Verschlusseinrichtung 2 der Vakuumkammer 1 wird geöffnet. Die Aufnahmeeinheit 5 wird aus der Vakuumkammer 1 entnommen. Die nunmehr befüllte Ultraschallsonde 3 wird aus der Aufnahmeeinheit 5 entnommen.
Somit wurde eine Ultraschallsonde 3, die bisher wegen fehlender Vakuumfestigkeit nicht luftfrei befüllt werden konnte, in vorteilhafter Weise unter Nutzung einer Vakuum-Druck-Methode luftfrei befüllt und verschlossen.
Bezugszeichenliste

1: Vakuumkammer
2: Verschlusseinrichtung
3: Ultraschallsonde
4: Drehvorrichtung
41: Welle mit Zentrierzapfen und Spanner
42: Schwenkantrieb
43: Zahnriemenscheibe
44: Flansch mit Lagerung und vakuumdichter Drehdurchführung
45: Schwertbolzen
5: Aufnahmeeinheit
51: Segment
52: Segment
53: freier Bauraum
54: freier Bauraum
55: Aussparung
6: Befülleinheit
61: Befüllpinole
62: Gehäuse
63: Dichtkolben
64: Flansch
7: Schraubwerkzeug
71: Antrieb
72: Kupplung
73: Welle
74: Schraubbit
75: Gehäuse
76: Kolben
77: Flansch mit vakuumdichter Drehdurchführung
8: Verschlusselement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19700436 C2 [0003]
DE 102007029020 A1 [0003]
DE 102014011611 B4 [0003]

Claims

Vorrichtung zum Befüllen einer Baugruppe eines nicht vakuumfesten Systems mit einem Betriebsstoff mittels einer Vakuum-Druck-Befüllung und deren nachfolgendes Verschließen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Vakuumkammer (1) zur Aufnahme von mindestens einer zu befüllenden Baugruppe (3) aufweist, wobei im Innenraum der Vakuumkammer (1) im unteren Bereich eine Drehvorrichtung (4) zur Abstützung und Verlagerung von mindestens einer Aufnahmeeinheit (5) für eine zu befüllende Baugruppe (3) angeordnet ist, wobei die mindestens eine Aufnahmeeinheit (5) aus mindestens zwei separaten Segmenten (51; 52) zusammengefügt ist, die in der zusammengefügten Position in ihrem Innenraum einen gemeinsamen freien Bauraum (53) ausbilden, dessen Innenkontur kongruent ist zur Außenkontur der zu befüllenden Baugruppe (3) und wobei in einem Segment (52) der Aufnahmeeinheit (5) oberhalb der Außenkontur der zu befüllenden Baugruppe (3) ein weiterer freier Bauraum (54) ausgebildet ist, wobei im Innenraum der Vakuumkammer (1) oberhalb der Aufnahmeeinheit (5) ein Schraubwerkzeug (7) für ein Verschlusselement (8) der zu befüllenden Baugruppe (3) und eine Befülleinheit (6) angeordnet sind und wobei die mit der zu befüllenden Baugruppe (3) in Wirkverbindung zu bringenden Abschnitte vom Schraubwerkzeug (7) und der Befülleinheit (6) jeweils in den weiteren freien Bauraum (54) der Aufnahmeeinheit (5) oberhalb der Außenkontur der zu befüllenden Baugruppe (3) verlagerbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehvorrichtung (4) eine Welle (41) mit Zentrierzapfen und Spanner für die Aufnahmeeinheit (5) aufweist, wobei der Antrieb (42) für die Drehvorrichtung (4) als ein Schwenkantrieb (42) mit Zahnriemenscheiben (43) ausgestaltet sowie außerhalb der Vakuumkammer (1) angeordnet ist und wobei die Drehvorrichtung (4) ausgehend von ihrem Antrieb (42) über einen Flansch (44) mit Lagerung und vakuumdichter Drehdurchführung im Gehäuse der Vakuumkammer (1) abgestützt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberseite der Drehvorrichtung (4) und an der Unterseite des in der zusammengefügten Position auf der Drehvorrichtung (4) aufliegenden Segments (51) der Aufnahmeeinheit (5) jeweils zueinander kongruente Arretierungselemente ausgestaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Arretierungselemente an der Drehvorrichtung (4) als zwei Schwertbolzen (45) und am Segment (51) der Aufnahmeeinheit (5) als zwei zylinderförmige Aussparungen (55) ausgestaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Befülleinheit (6) mit einer Befüllpinole (61) ausgestaltet ist, eine stirnseitige Abdichtung zum Befüllanschluss der zu befüllenden Baugruppe (3) aufweist und über ein Gehäuse (62), einen Dichtkolben (63) und einen Flansch (64) im Gehäuse der Vakuumkammer (1) abgestützt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schraubwerkzeug (7) einen Antrieb (71), eine Kupplung (72), eine Welle (73) und ein Schraubbit (74) aufweist, wobei der Antrieb (71) für das Schraubwerkzeug (7) außerhalb der Vakuumkammer (1) angeordnet ist und wobei das Schraubwerkzeug (7) ausgehend von seinem Antrieb (71) über ein Gehäuse (75), einen Kolben (76) und einen Flansch (77) mit einer vakuumdichten Drehdurchführung im Gehäuse der Vakuumkammer (1) abgestützt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schraubwerkzeug (7) ein mechanisches Klemmelement zur Lagefixierung eines Verschlusselementes (8) für die zu befüllende Baugruppe (3) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (8) der zu befüllenden Baugruppe (3) als eine Sonderschraube mit einem Führungsstift und einer stirnseitigen Dichtung ausgestaltet ist.