-
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Dosieren von Flüssigkeiten, mit der eine vorbestimmte Menge einer Flüssigkeit einem weiteren Verwendungszweck zugeführt wird, wobei die Einrichtung einen Vorratstank für die Flüssigkeit sowie eine Dosiereinrichtung für die vorbestimmte Menge der Flüssigkeit aufweist, sowie ein Verfahren unter Verwendung der Einrichtung.
-
Der Formstoffherstellung kommt im Gießereiwesen eine große Bedeutung zu. Gießformen und Kerne dienen dazu, die Form des späteren Gussteils als negative Form zu definieren, in die flüssiges Metall gegossen wird. Dieses kühlt nach dem Gießen ab und erstarrt. Das entstandene Gussteil bildet dann die positive Form. Der Formstoff muss für das Erreichen einer guten Maßtreue, einer guten Gussteil-Oberfläche sowie einer guten Materialstruktur des Gussteils sehr spezifischen Anforderungen genügen.
-
Viele Formstoffe bestehen aus geeigneten Schüttgütern (z. B. Sand), die mit Stoffen vermischt werden, die in ihrer Kombination eine „Verklebung“ des Formstoffes zu einer Form bzw. einem Kern bewirken. Die Kombination der Komponenten, die verklebende bzw. bindende Wirkung hat, wird meist als „Bindersystem“ bezeichnet. Es existieren viele verschiedene Bindersysteme für die verschiedensten Gussanwendungen mit vielen verschiedenen Komponenten und in verschiedenen Gewichtsanteilen dieser Komponenten.
-
Viele der Komponenten sind flüssig, es gibt aber auch Komponenten in den anderen Aggregatzuständen. So beinhalten Bindersysteme häufig auch pulverförmige, oft auch „Additive“ genannte Stoffe, die z. B. gleichzeitig oder nacheinander mit den anderen Bindersystemkomponenten dem Formstoff zugesetzt werden. Meist werden Bindersystem und Formstoff innig vermischt, in eine geeignete Form gebracht und härten dann durch chemische Reaktion von selbst aus oder werden z. B. durch Erhitzung oder Begasung ausgehärtet.
-
Der exakten Dosierung der einzelnen Komponenten kommt für die gewünschten Formstoffeigenschaften und die Reproduzierbarkeit dieser Eigenschaften eine sehr wichtige Bedeutung zu.
-
Die Entwicklung im Bereich der Bindersysteme schreitet stetig voran. So gibt es neben sich nicht entmischenden flüssigen Komponenten mit und ohne Feststoffe, flüssige Komponenten mit und ohne Feststoffe, die im Stillstand zur Entmischung neigen und dabei ihre gewünschten Eigenschaften verlieren. Der Neigung zum Entmischen muss durch eine stete Durchmischung entgegen gewirkt werden, so dass alle flüssigen Komponenten des Bindersystems stets gut homogenisiert sind.
-
Flüssige Komponenten, die einen hohen Feststoffanteil aufweisen, verfügen häufig auch über abrasive Eigenschaften.
-
Diese neuen Substanzen lassen sich mit den üblichen Dosiereinrichtungen nicht sicher dosieren. Z. B. dichten Zahnradpumpen als Dosiereinrichtung unter anderem durch den Eingriff und das aneinander Abgleiten miteinander kämmender Zähne. Seitlich gleiten die Stirnseiten der Zahnräder in Passungen in dem Pumpengehäuse. Bei Verwendung abrasiver Stoffe in flüssigen Binderkomponenten verschleißen die Pumpen sehr stark und fallen nach kurzer Zeit aus. Auch bei der Dosierung von Flüssigkeiten mit bekannten Dosierzylindern werden die Dichtungen oder dichtende Passungen durch die abrasiven Eigenschaften schnell undicht. Ein stetiges dauerhaftes Umpumpen zur ständigen Homogenisierung mit gleichzeitiger exakter Dosiermöglichkeit ist aus diesem Grunde bei diesen Flüssigkeiten bisher nicht möglich.
-
Ein anderer Aspekt der Form- und Kernfertigung befasst sich mit der Bildung geeigneter Form- und Kernoberflächen. Seit langem werden hier Hilfsstoffe, sogenannte Schlichten verwendet. Bei Schlichten handelt es sich um Flüssigkeiten, in die die Kerne z. B. eingetaucht werden. Nach Herausnehmen der Kerne aus der Schlichte sind diese mit einer feinen Schicht Schlichte überzogen. Beim Vergießen erfüllt die Schlichte verschiedene Funktionen, die vorteilhaft für das entstehende Gussteil sind.
-
Schlichten haben in der Regel abrasive Eigenschaften und müssen aufgrund ihrer Feststoffbestandteile auch stetig umgewälzt werden, damit sich diese nicht absetzen. Es ist auch hier stets auf eine gute Homogenisierung zu achten, damit die Schlichte die gewünschten Eigenschaften behält. Im Gegensatz zu den beschriebenen Binderflüssigkeiten müssen Schlichten jedoch nicht fein dosiert werden, die Dosierung geschieht hier z. B. allein durch das Eintauchen und Herausnehmen des Kerns.
-
Es gibt heutzutage ausgereifte technische Lösungen zur Dosierung von Flüssigkeiten, die weder stark abrasiv sind noch ein ausgeprägtes Entmischungsverhalten zeigen, die auch das Umpumpen der Flüssigkeiten realisieren, soweit aus anderen technischen Gründen notwendig. Auch im Bereich der Schlichten gibt es technische Lösungen, die das Umpumpen von abrasiven Flüssigkeiten realisieren.
-
In der
DE 10 2010 039 074 A1 ist ein Bauteil, insbesondere Einspritzventil, innerhalb eines Dosiersystems beschrieben, das zum Eindosieren einer Harnstoff-Wasser-Lösung in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine vorgesehen ist.
-
Eine technisch reproduzierbare, sichere und exakte Dosierung einer abrasiven Flüssigkeit, die ein deutliches Entmischungsverhalten zeigt, ist bisher nicht bekannt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung und ein Verfahren der angegebenen Gattung zu schaffen, mit der bzw. mit dem die vorgenannte Flüssigkeit sowohl geeignet homogen gehalten sowie auch exakt dosiert werden kann.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einrichtung mit den Kennzeichnungsmerkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Kennzeichnungsmerkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst.
-
Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet.
-
Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ist der Vorratstank über eine Ausgangsleitung mit einem Einlass der Dosiereinrichtung und ein Auslass der Dosiereinrichtung über eine Rücklaufleitung mit dem Vorratstank verbunden. In der Ausgangsleitung zwischen dem Vorratstank und der Dosiereinrichtung ist eine die Flüssigkeit fördernde Pumpe angeordnet, wobei zwischen der Pumpe und dem Einlass der Dosiereinrichtung in der Ausgangsleitung ein Ventil zum Absperren der Ausgangsleitung vorgesehen ist. Zwischen dem Auslass der Dosiereinrichtung und dem Vorratstank ist in der Rücklaufleitung ein weiteres Ventil zum Absperren der Rücklaufleitung vorgesehen, wobei zwischen dem Auslass der Dosiereinrichtung und dem Ventil in der Rücklaufleitung ein Abzweig mit einer daran anschließenden Zufuhrleitung zu einer Verarbeitungseinrichtung angeordnet ist. Dabei ist am freien Ende der Zufuhrleitung ein Dosierbolzen für die Flüssigkeit und zwischen dem Abzweig und dem Dosierbolzen ein drittes Ventil zum Absperren der Zufuhrleitung vorgesehen. Die Einrichtung ermöglicht eine stetige Homogenisierung durch eine permanente Umwälzung der zuvor beschriebenen Flüssigkeit sowie eine exakte Dosierung derselben durch die Dosiereinrichtung.
-
Die Dosiereinrichtung kann aus einem Faltenbalg gebildet sein, der mittels eines Aktuators während eines Dosiervorgangs zusammendrückbar sein kann. Dabei kann der Aktuator ein pneumatisch betriebener Zylinder sein. Durch die Verwendung eines Faltenbalgs für die Dosiereinrichtung wird vermieden, dass Materialflächen unter Anwesenheit der Flüssigkeit aneinander gleiten bzw. reiben und es zur Abrasion durch die Flüssigkeit kommt.
-
Der zwischen dem Ventil und dem Einlass der Dosiereinrichtung vorgesehene Teil der Ausgangsleitung kann flexibel ausgebildet sein. Durch die flexible Ausbildung des Teils der Ausgangsleitung ist die Bewegung der Dosiereinrichtung bzw. des Faltenbalges in axialer Richtung jederzeit gewährleistet.
-
Die Pumpe kann eine Druckluftmembranpumpe sein, die sich durch ihre Unempfindlichkeit gegen Dauerbeanspruchung und Abrasion durch die Flüssigkeit auszeichnet.
-
Der Dosierbolzen kann an der Verarbeitungseinrichtung angeordnet sein und sorgt für eine direkte Zuführung und Verarbeitung durch die Verarbeitungseinrichtung.
-
Der Dosierbolzen kann an der Verarbeitungseinrichtung derart angeordnet sein, dass ein Auslass des Dosierbolzens nach oben gerichtet ist. Diese Ausrichtung des Dosierbolzens sorgt dafür, dass nach jedem Dosiervorgang die Flüssigkeit in dem Dosierbolzen bis zum nächsten Dosiervorgang stehen bleibt, wodurch lediglich eine relativ kleine Flüssigkeitsoberfläche mit der Atmosphäre in der Verarbeitungseinrichtung Kontakt hat.
-
Der Boden des Vorratstanks kann aus zwei sich von den Seitenwänden schräg aufeinander zu ersteckenden Bodenteilen gebildet sein. Alternativ dazu können in dem Vorratstanks zwei sich von den Seitenwänden schräg zum Boden hin erstreckende Wandteile vorgesehen sein. Die schrägen Bodenteile bzw. Wandteile sorgen für ein Herabgleiten von sich von der Flüssigkeit absetzenden Teilen, die sich auf dem Boden des Tanks sammeln und bei einem erneuten Umwälzen aufgewirbelt, mitgerissen und/oder aufgelöst werden.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Dosieren von Flüssigkeiten mit der Einrichtung wird zunächst die Flüssigkeit mittels der Pumpe aus dem Vorratstank bei geöffnetem Ventil in der Ausgangsleitung dem Einlass der Dosiereinrichtung zugeführt und über den Auslass der Dosiereinrichtung bei geschlossenem Ventil in der Zufuhrleitung sowie geöffnetem Ventil in der Rücklaufleitung dem Vorratstank wieder zugeführt, wobei eine Umwälzung der Flüssigkeit erfolgt. Zum Dosieren der Flüssigkeit wird die Pumpe abgeschaltet und die Ventile in der Ausgangsleitung und der Rücklaufleitung werden geschlossen, wobei das Ventil in der Zufuhrleitung geöffnet wird und die Dosiereinrichtung die vorbestimmte Menge an Flüssigkeit über die Zufuhrleitung und den Dosierbolzen in die Verarbeitungseinrichtung befördert. Nach Abschluss des Dosiervorgangs wird das Ventil in der Zufuhrleitung geschlossen und die Ventile in der Ausgangsleitung und der Rücklaufleitung werden geöffnet, wobei die Dosiereinrichtung wieder in seine Grundstellung bewegt wird und dabei Flüssigkeit aus dem Vorratstank nachgesaugt wird. Anschließend wird die Pumpe wieder eingeschaltet, wobei die Flüssigkeit erneut umgewälzt wird.
-
Ein Wegaufnehmer kann den für die vorbestimmte Menge an Flüssigkeit für einen Dosiervorgang erforderlichen Hub messen.
-
Nachfolgend wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung und des Verfahrens näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur einen schematischen Plan der Einrichtung.
-
Wie bereits zuvor erwähnt wurde, ermöglicht die hier beschriebene Einrichtung 1 bzw. das hier beschriebene Verfahren eine stetige Homogenisierung und eine exakte Dosierung der beschriebenen Flüssigkeit 2. Des Weiteren bezieht sich die Einrichtung 1 bzw. das Verfahren auf beliebige Flüssigkeiten 2, in erster Linie aber auf Flüssigkeiten 2, die abrasiv sind und sich entmischen. Die Flüssigkeiten 2 können auch Feststoffe oder nur flüssige Komponenten enthalten. Weiterhin können die Flüssigkeiten 2 auch nur abrasiv sein oder nur zum Entmischen neigen. Des Weiteren können mit der Einrichtung 1 bzw. dem Verfahren Flüssigkeiten 2, die nicht abrasiv sind und sich nicht entmischen ebenfalls dosiert werden.
-
Außerdem ist die Einrichtung 1 bzw. das Verfahren nicht auf den Gießereibereich beschränkt, sondern umfasst alle Flüssigkeiten 2, die über die beschriebenen Eigenschaften verfügen. Die Einrichtung 1 bzw. das Verfahren umfasst auch alle anderen Mischungen, d. h. fest-flüssig und flüssig-flüssig, auch Mischungen beliebig vieler Einzelkomponenten, fest und flüssig. Im Folgenden wird eine Flüssigkeit 2, die zu der Gruppe der oben beschriebenen Flüssigkeiten 2 gehört, als kritische Flüssigkeit 2 bezeichnet.
-
Die chemische Zusammensetzung der kritischen Flüssigkeit 2 bedingt eine abgestimmte Werkstoffwahl der medienberührenden Oberflächen und kann je nach kritischer Flüssigkeit 2 variieren, auch in der Kombination verschiedener geeigneter Werkstoffe. Im Rahmen dieser Beschreibung der Einrichtung 1 bzw. des Verfahrens wird die richtige Werkstoffwahl vorausgesetzt.
-
Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung 1 bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren befindet sich in einem Vorratstank 3 eine geeignete Menge der kritischen Flüssigkeit 2 (oder einer anderen hier beschriebenen Flüssigkeit 2), die beispielsweise über eine Ausgangsleitung 4 mit einer geeigneten Pumpe 5, z. B. mit einer Druckluftmembranpumpe, aus dem Vorratstank 3 über ein erstes Ventil 6, einen Einlass 7 einer Dosiereinrichtung 8 und über eine an einem Auslass 9 der Dosiereinrichtung 8 anschließende Rücklaufleitung 10 mit einem weiteren Ventil 11 wieder in den Vorratstank 3, beispielsweise in Pfeilrichtung 12 umgewälzt wird. Dabei ist darauf zu achten, dass die Umwälzgeschwindigkeit mindestens ausreichend ist, um Flüssigkeitsbestandteile, die zum Absetzen neigen, homogen in der Schwebe zu halten, so dass es nicht zu praktisch relevanten Ablagerungen kommt. Nach längeren Stillstandszeiten kann durch geeignet hohe Umwälzgeschwindigkeiten die entmischte kritische Flüssigkeit 2 wieder homogenisiert werden.
-
Für einen Dosiervorgang wird die Pumpe 5 abgeschaltet. Nach einer geeigneten Zeitdauer schließen das Ventil 6 in der Ausgangsleitung 4 und das weitere Ventil 11 in der Rücklaufleitung 10, wobei ein zwischen dem Auslass 9 der Dosiereinrichtung 8 und dem weiteren Ventil 11 in der Rücklaufleitung 10 vorgesehenes drittes Ventil 13 einer sich von einem Abzweig 14 der Rücklaufleitung 10 abgehenden Zufuhrleitung 15 zu einer Verarbeitungseinrichtung 16, beispielsweise einem Mischer, gleichzeitig oder nach einer geeigneten Zeitdauer öffnet. Die Dosiereinrichtung 8 dosiert dann sofort oder nach einer geeigneten Zeit eine geeignete Menge der kritischen Flüssigkeit 2 über die entsprechende Zufuhrleitung 15 durch das geöffnete Ventil 13 und einem sich an das freie Ende 17 der Zufuhrleitung 15 anschließenden Dosierbolzen 18 in die Verarbeitungseinrichtung 16. Erfindungsgemäß besteht die Dosiereinrichtung 8 beispielsweise aus einem Faltenbalg 19. Ein geeigneter Aktuator 20, z.B. ein pneumatisch betriebener Zylinder mit geeigneter Ansteuerung drückt den Faltenbalg 19 bei einem Dosiervorgang in Zylinderhubrichtung zusammen, so dass das bestimmte Volumen aus dem Faltenbalg 19 herausgedrückt wird und wie beschrieben in die Verarbeitungseinrichtung 16 dosiert wird. Zwischen dem Ventil 6 der Ausgangsleitung 4 und dem unteren, beweglichen Ende 21 des Faltenbalges 19 bzw. am Einlass 7 der Dosiereinrichtung 8 ist ein Teil 4a der Ausgangsleitung 4 so flexibel gestaltet, dass sie dem Hub des Faltenbalges 19 folgen kann. Das dosierte Volumen wird bestimmt, indem ein geeigneter Wegaufnehmer (nicht dargestellt) den für die bestimmte Dosiermenge entsprechenden Hub misst. Sobald der entsprechende Hub realisiert ist, schließt das Ventil 13 in der Zufuhrleitung 15, wobei das Ventil 6 in der Ausgangsleitung 4 sowie das Ventil 11 in der Rücklaufleitung 10 öffnet und der Aktuator 20 den Faltenbalg 19 in die Grundstellung zurückfährt. Dies kann gleichzeitig oder mit geeigneter zeitlicher Verzögerung geschehen. Beim Rückhub in die Grundstellung des Aktuators 20 wird kritische Flüssigkeit 2 aus dem Vorratstank 3 nachgesaugt. Direkt oder nach geeigneter Zeit nach dem Dosiervorgang wird die Pumpe 5 wieder angeschaltet und die kritische Flüssigkeit 2 wird weiter umgewälzt.
-
Wesentlicher Vorteil der Verwendung eines Faltenbalges 19 als Dosiereinrichtung 8 ist, dass keine Materialflächen unter Anwesenheit der kritischen Flüssigkeit 2 aneinander gleiten bzw. reiben und es zur Abrasion durch die kritische Flüssigkeit 2 kommt. Es gibt hier in dem Sinne keine „aneinander beweglichen Teile“. Weiterhin ist der Faltenbalg 19 im Gegensatz zu anderen Dosiereinrichtungen hermetisch dicht und somit entfällt die eingangs beschriebene Dichtungs- und Verschleißproblematik vollständig.
-
Um das Absetzen von sich entmischenden Bestandteilen aus der kritischen Flüssigkeit 2 so zu gestalten, dass nach Stillstandszeiten eine erneute Homogenisierung möglich ist, kann der Vorratstank 3 bei einer Ausführungsform derart gestaltet sein, dass der Boden 22 aus zwei sich von den Seitenwänden 23 schräg aufeinander zu erstreckenden Bodenteilen 24 besteht, an denen sich absetzende Teile herabgleiten und sich im untersten Teil des Vorratstanks 3 sammeln. Dort werden Sie von der geeigneten in den Vorratstank 3 einströmenden Flüssigkeit 2 wieder aufgewirbelt und immer wieder in der Flüssigkeit 2 gelöst. Alternativ zu den Bodenteilen 24 können auch sich schräg von den Seitenwänden 23 zum Boden 22 hin erstreckende Wandteile 24 in den Vorratstank 3 eingesetzt sein.
-
Weiterhin kann der Dosierbolzen 18 beispielsweise aufwärts gerichtet angebracht sein, damit nach einem Dosiervorgang die kritische Flüssigkeit 2 im Dosierbolzen 18 bis zur nächsten Dosierung stehen bleibt und dort nur eine kleine Flüssigkeitsoberfläche mit der Atmosphäre der Verarbeitungseinrichtung 16 Kontakt hat. Auch das Volumen zwischen Dosierbolzenspitze 25 und Ventil 13 der Zufuhrleitung 15 sollte möglichst gering sein, damit z.B. mit einem Dosiervorgang mehr als das gesamte Volumen zwischen Dosierbolzenspitze 25 und Ventil 13 der Zufuhrleitung 15 herausgespült wird.
-
Der aufsteigende Ast, abgehend von der Rücklaufleitung 10 des Flüssigkeitskreislaufes bis zu dem Ventil 13 in der Zufuhrleitung 15 sollte möglichst kurz sein und ebenfalls aufsteigend gebaut sein, damit bei einem Stillstand sich absetzende Flüssigkeitsbestandteile in den Flüssigkeitskreislauf heruntergleiten.
-
Eine weitere, wesentliche erfindungsgemäße Besonderheit ist die vollständige Durchströmung der Dosiereinrichtung 8 beim Umwälzen.
-
Durch Kalibrierung des Gesamtsystems am Betriebsort werden alle Einflüsse und Besonderheiten des Betriebsortes mit berücksichtigt. Hohe Genauigkeiten und sehr gute Reproduzierbarkeiten der Dosiermengen der kritischen Flüssigkeit 2 werden durch die erfindungsgemäße Ausführung ermöglicht.
-
Nachfolgend sind nochmals die Besonderheiten der beschriebenen Einrichtung 1 bzw. des Verfahrens aufgeführt:
- • Die Einrichtung 1 bzw. das Verfahren ermöglicht die Homogenisierung und gleichzeitig die exakte Dosierung kritischer Flüssigkeiten 2 (abrasiv und mit sich absetzenden Flüssigkeitsbestandteilen, aber nicht beschränkt darauf).
- • Die Einrichtung 1 bzw. das Verfahren ermöglicht die Homogenisierung und exakte Dosierung kritischer Flüssigkeiten 2 dauerhaft, d. h. durch die konstruktive Gestaltung ist der Verschleiß minimiert.
- • Die Einrichtung 1 bzw. das Verfahren ermöglicht durch die konstruktive Gestaltung, dass sich absetzende Flüssigkeitsbestandteile sich immer dort ablagern, wo sie vom Umwälzstrom wieder aufgewirbelt werden.
- • Die Einrichtung 1 bzw. das Verfahren weist eine Dosiereinrichtung 8 auf, die einerseits die exakte Dosierung ermöglicht, gleichzeitig auch beim Umwälzen vollständig durchströmt wird.
