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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln eines Drucks eines hochviskosen Mediums. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Dosiersystem zum Abgeben einer vordefinierbaren Menge eines hochviskosen Mediums.
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Im Bereich der Fluidtechnik für Medien mit einer hohen Viskosität, wie beispielsweise Fett oder Wachs, ist an unterschiedlichen Stellen eine Druckregelung des Mediums erforderlich. Insbesondere in Dosiersystemen, bei denen vordefinierte Mengen der hochviskosen Medien abgegeben werden müssen, um beispielsweise entsprechende Gefäße zu befüllen oder auch in einer Produktionsanlage andere Komponenten mit dem hochviskosen Medium zu beaufschlagen, ist eine Druckregelung relevant. Der Mediumdruck unterliegt dabei oft unregelmäßigen Schwankungen, die unter anderem abhängig sind von dem vorherrschenden Prozess, dem Verhalten des Fluidsystems sowie dem Medium. Diese Druckschwankungen können einer wiederholgenauen und definierten Prozessführung entgegenwirken, wie sie etwa bei der Weiterleitung oder dem Applizieren des Mediums erforderlich ist, um vorgegebene Qualitätskriterien zu erreichen. Beispielsweise können Schwankungen im Mediumdruck unmittelbar die Fettauftragsmenge bei Applikationsprozessen beeinflussen und folglich die Güte des Auftragungsprozesses verringern.
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Zur Regelung des Mediumdrucks im Bereich der hochviskosen Medien existieren unterschiedliche Lösungen. Insbesondere werden Proportionalventile eingesetzt, wie beispielsweise Kolben- oder Membrandruckregler. Diese Ansätze sind zumeist mechanisch aufgebaut, um bei geringen Kosten eine Regelung mit ausreichender Genauigkeit bereitzustellen.
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In diesem Zusammenhang wird in
US 5,937,890 A ein Volumensteuereinsatz für ein Kugelventil offenbart. Der Volumensteuereinsatz ist in einem Fluiddurchgang des Kugelventils anbringbar, um einen vorbestimmten Strömungszustand bereitzustellen. Der Einsatz weist eine konvexe Form auf, die einer Außenfläche eines Ventilelements entspricht, das in dem Kugelventil sitzt. Zudem weist der Einsatz einen an seinem Umfang angeordneten Verbinder auf, um den Einsatz über dem Fluiddurchgang zu befestigen. Der Einsatz hat einen langgestreckten Schlitz, beispielsweise eine längliche oder parabolisch geformte Öffnung, die geeignet ist, den vorbestimmten Strömungszustand bereitzustellen. Mehrere solcher Einsätze können mit einem Kugelventil ausgestattet sein, um eine Reihe von vorbestimmten Strömungsbedingungen bereitzustellen, die individuell für das Kugelventil ausgewählt werden können. Vorzugsweise weist jeder der Einsätze eine parabolische Öffnung durch sich hindurch auf, wobei die Öffnung eine im Wesentlichen gleiche prozentuale Strömungscharakteristik zwischen maximalen und minimalen Strömungsraten bereitstellt, wenn das Ventilelement zwischen seiner vollständig geöffneten und vollständig geschlossenen Position gedreht wird.
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DE 38 29 992 A1 betrifft ein Proportionalventil in Schieberbauweise mit einem Proportionalmagneten. Das Proportionalventil weist einen Drucksensor auf, der im Magnetgehäuse integriert ist. Zur Druckbeaufschlagung des Drucksensors ist ein separater, im Ventilgehäuse bis hin zu einer Anschlussöffnung verlaufender Druckkanal vorgesehen, der an der Stoßstelle von Ventil- und Magnetgehäuse mündet und dort mit einer im Magnetgehäuse bis hin zum Drucksensor verlaufenden Anschlussbohrung kommuniziert.
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Nachteilig an bisherigen Ansätzen in diesem Umfeld ist oft, dass entweder die Regeldynamik oder auch die Regelgüte der Druckregelung beschränkt ist. Weiter nachteilig ist, dass Ansätze mit höherer Regelgüte oder Regeldynamik oft nur eine geringe Zuverlässigkeit aufweisen.
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Ausgehend hiervon stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, eine Druckregelung im Bereich der hochviskosen Medien und der in diesem Umfeld vorherrschenden vergleichsweise hohen Drücke zu ermöglichen. Es soll dabei ein Ansatz zum Regeln eines Drucks bereitgestellt werden, der bei hoher Zuverlässigkeit eine hohe Regeldynamik und hohe Regelgüte ermöglicht. Insbesondere soll eine Druckregelung bereitgestellt werden, die auch bei schwankenden Eingangsdrücken eine genaue und reproduzierbare Dosierung einer abgegebenen Menge eines hochviskosen Mediums ermöglicht.
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Zum Lösen dieser Aufgabe betrifft die vorliegende Erfindung in einem ersten Aspekt eine Vorrichtung zum Regeln eines Drucks eines hochviskosen Mediums, mit:
- - einem Einlass, einem Auslass und einem dazwischen angeordneten Kanal für das hochviskose Medium;
- - einem Stellelement zum Verändern eines Durchflussquerschnitts eines Durchlasses für das hochviskose Medium in dem Kanal;
- - einem Aktor zum Antreiben des Stellelements;
- - einem Sensor zum Ermitteln eines Drucks des hochviskosen Mediums nach Passieren des Durchlasses; und
- - einer Kontrolleinheit zum Ansteuern des Aktors, basierend auf dem ermittelten Druck, um am Auslass einen vordefinierten Solldruck herzustellen, wobei
- - das Stellelement eine drehbare Welle mit einer Öffnung in einer Mantelfläche zum Durchleiten des hochviskosen Mediums umfasst;
- - die Welle im Bereich der Öffnung derart gelagert ist, dass zum Bilden des Durchlasses durch Drehen der Welle die Öffnung in den Kanal eindrehbar ist und durch eine Winkelstellung der Welle der Durchflussquerschnitt einstellbar ist; und
- - der Aktor zum Drehen der Welle ausgebildet ist.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Dosiersystem zum Abgeben einer vordefinierbaren Menge eines hochviskosen Mediums, mit:
- - einer Vorrichtung wie zuvor beschrieben; und
- - einer Abgabevorrichtung zum Abgeben des hochviskosen Mediums.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Insbesondere kann das Dosiersystem entsprechend den für die Vorrichtung in den abhängigen Ansprüchen definierten Ausgestaltungen ausgeführt sein.
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Erfindungsgemäß wird eine aktive und adaptive Druckregelung eines hochviskosen Mediums bereitgestellt. Über ein Stellelement wird ein Durchflussquerschnitt eines Durchlasses für das hochviskose Medium verändert. Es wird also Einfluss auf die den Durchlass passierende Menge des Mediums genommen. Der Durchlass entspricht dabei insbesondere dem Bereich des minimalen Querschnitts innerhalb des Kanals. Der Durchlass selbst bildet sozusagen einen Teil des Kanals. Der Querschnitt im Bereich des Durchlasses kann verändert werden. Vorteilhafterweise kann eine Veränderung auch soweit erfolgen, dass der Durchlass komplett gesperrt wird und der Durchflussquerschnitt insoweit auf null reduziert wird.
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Das Stellelement ist dabei antreibbar ausgebildet und kann mittels eines Aktors angetrieben werden. Unter einem Aktor versteht sich hierin insbesondere eine Einheit, die mechanische Arbeit verrichten kann. Der Aktor wirkt auf das Stellelement, sodass mittels des Aktors der Durchflussquerschnitt verändert werden kann. Über den Aktor kann insoweit automatisiert der Durchflussquerschnitt verändert werden. Über den Sensor wird ein Druck innerhalb des Mediums ermittelt, nachdem dieses den Durchlass passiert hat. Dieser Druck dient dann als Eingangsgröße für die Kontrolleinheit, um darauf basierend den Aktor bzw. das Stellelement zu steuern. Die Kontrolleinheit ist dabei derart ausgebildet, dass durch die Steuerung des Aktors am Auslass ein vordefinierter Solldruck erzeugt wird. Der vordefinierte Solldruck ist dabei vorzugsweise einstellbar und vorgebbar.
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Im Vergleich zu bisherigen Ansätzen, bei denen eine rein mechanische Druckregelung eingesetzt wurde, ergeben sich eine höhere Regeldynamik sowie eine verbesserte Regelgüte. Durch die aktive Ansteuerung des Stellelements mittels des Aktors kann erreicht werden, dass auch bei hochviskosen Medien eine zutreffende und dynamische Regelung bereitgestellt wird. Eine präzise Einstellung des Solldrucks wird ermöglicht. Im Bereich der Medien mit hoher Viskosität, wie beispielsweise Fett oder Wachs, kann ein zuverlässiger Betrieb erreicht werden. Dadurch, dass ein aktiver Antrieb des Stellenelements (kann auch als druckstellendes Element bezeichnet werden) erfolgt, kann eine im Vergleich zu bisherigen Ansätzen schnellere Systemantwort auf sich verändernde Drücke bei Medien mit hoher Viskosität erreicht werden. Die Regeldynamik wird insoweit verbessert. Zudem kann die Zuverlässigkeit verbessert werden, da eine robuste Auslegung der Komponenten ermöglicht wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Stellelement eine drehbare Welle mit einer Öffnung in einer Mantelfläche zum Durchleiten des hochviskosen Mediums. Die Welle ist im Bereich der Öffnung derart gelagert, dass zum Bilden des Durchlasses durch Drehen der Welle die Öffnung in den Kanal eindrehbar ist und durch eine Winkelstellung der Welle der Durchflussquerschnitt einstellbar ist. Der Aktor ist zum Drehen der Welle ausgebildet. Die Welle verläuft vorzugsweise orthogonal zu dem Kanal. Durch die Verwendung einer drehbaren Welle wird eine robuste Ausgestaltung des Stellelements ermöglicht. Gerade im Bereich der hochviskosen Medien mit hohen Drücken ist dies für eine zuverlässige Verwendung vorteilhaft. Die Öffnung entspricht insbesondere einer Ausnehmung, einer oder mehreren Bohrungen und/oder einem Durchgang durch die Welle. Die Öffnung in der Welle bildet sozusagen einen Abschnitt des Kanals für das hochviskose Medium. Der Durchlass entspricht dann dem Übergang zwischen der Öffnung und dem in Richtung des Einlasses vorgelagerten Abschnitt des Kanals. Wenn die Welle gedreht wird, wird dieser Durchlass größer bzw. kleiner, da ein Abschnitt des Durchlasses in den Kanal hinein- bzw. aus dem Kanal herausgedreht wird. Es kann möglich sein, dass der Durchlass komplett geschlossen wird, wenn die Verbindung zwischen dem vorgelagerten Abschnitt des Kanals und der Öffnung durch Herausdrehen unterbrochen wird.
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Die Drehung der Welle erfolgt mittels des Aktors. Hierzu kann der Aktor in irgendeinem Bereich an die Welle angeschlossen werden. Vorteilhafterweise ist der Aktor an einem Ende der Welle mit dieser Welle verbunden bzw. wirkt an einem Ende der Welle auf diese ein. Durch einen orthogonalen Verlauf der Welle in Bezug zu dem Kanal bzw. den außerhalb der Öffnung liegenden Abschnitten des Kanals wird eine vorteilhafte Druckverteilung erreicht. Insoweit wird eine minimale Dimensionierung der Welle und des Kanals bzw. der Öffnung ermöglicht. Es ergibt sich eine mechanisch belastbare und damit zuverlässige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Eine zuverlässige Druckregelung bei hoher Regelungsdynamik wird erreicht.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung schneidet die Öffnung die Mantelfläche in zwei getrennten Flächenabschnitten. Zusätzlich oder alternativ ist die Öffnung senkrecht zu einer Zentralachse der Welle ausgerichtet. Weiter zusätzlich oder alternativ ist die Öffnung zumindest teilweise schlitzartig ausgebildet. Wenn die Öffnung die Mantelfläche in zwei getrennten Flächenabschnitten schneidet, entsteht sozusagen ein Durchgang durch die Welle, der an zwei Stellen der Mantelfläche endet. Durch eine Ausrichtung senkrecht zur Zentralachse der Welle ergibt sich eine vorteilhafte Druckverteilung. Gerade bei hohen Drücken kann insoweit eine Auslegung der Welle und deren Lager optimiert werden. Es ergibt sich ein Kosteneinsparpotenzial. Durch eine schlitzartige Ausbildung, also eine Öffnung in Form eines Schlitzes mit einer Länge, die eine Höhe übertrifft, kann eine vorteilhafte Einstellwirkung bereitgestellt werden. Hinsichtlich des Veränderns des Durchflussquerschnitts kann beispielsweise ein linearer Zusammenhang hergestellt werden, bei dem eine Winkeländerung durch Drehen der Welle zu einer dazu proportionalen Veränderung des Durchflussquerschnitts führt. Vorteilhafterweise ist der Schlitz in Umfangsrichtung bzw. orthogonal zu der Zentralachse der Welle ausgerichtet. Der Schlitz weist also eine Breite orthogonal zu der Zentralachse der Welle auf, die eine Höhe in Richtung der Zentralachse der Welle übertrifft.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung eine Dichtung, die zum Abdichten des Übergangs zwischen dem Kanal und der Öffnung auf der Seite des Einlasses an der Welle anliegt. Die Dichtung weist vorzugsweise einen kreisringförmigen Querschnitt auf. Durch die Dichtung wird ein Austreten des Mediums am Übergang zwischen der Welle bzw. der Öffnung in der Welle und dem in Richtung des Einlasses vorgelagerten Kanalabschnitt verhindert. Die Dichtung bewirkt insoweit eine weiter verbesserte Regelgüte, da Einflüsse aus Druckverlusten vermieden werden. Durch einen kreisringförmigen Querschnitt kann eine effiziente Herstellbarkeit und Verarbeitbarkeit erreicht werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Dichtung dazu ausgebildet, von dem durch den Kanal anströmenden hochviskosen Medium an die Welle angedrückt zu werden. Die Dichtung ist in anderen Worten als eine Art schwimmende Dichtung realisiert. Durch das anströmende Medium wird die Dichtung an die Welle angepresst. Je höher der Druck des anströmenden Mediums, desto stärker der Anpressdruck. Gerade bei hohen Drücken und einer erforderlichen guten Dichtwirkung wird also der Anpressdruck erhöht. Zudem ergibt sich durch diese Auslegung ein Nachführen bei Verschleiß. Wenn also die Dichtung im Anlagebereich an die Welle durch Verschleiß reduziert wird, wird sie automatisch nachgeführt. Die Dichtwirkung bleibt also trotz des Anliegens an die bewegliche Welle und den dadurch bedingten höheren Verschleiß über einen längeren Zeitraum erhalten, ohne dass die Dichtung ersetzt werden muss. Es ergibt sich eine zuverlässige Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie ein kosteneffizienter und wartungsarmer Betrieb.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung eine vorgespannte Feder zum Andrücken der Dichtung an die Welle. Zusätzlich oder alternativ zu der zuvor beschriebenen Ausbildung als schwimmende Dichtung kann eine vorgespannte Feder vorgesehen sein. Die Feder drückt die Dichtung an die Welle. Bei Verschleiß der Dichtung im Bereich der Anlage wird ein Nachführen der Dichtung bewirkt. Die Dichtwirkung bleibt also über einen längeren Zeitraum erhalten. Der Wartungsaufwand wird vermindert. Es ergibt sich eine hohe Zuverlässigkeit bei geringeren Wartungsanforderungen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Öffnung einen ersten Querschnittsabschnitt und einen zweiten Querschnittsabschnitt, die durch Drehen der Welle nacheinander in den Kanal eindrehbar sind. Der zweite Querschnittsabschnitt ist dazu ausgebildet, Partikel einer Größe passieren zu lassen, die den ersten Querschnittsabschnitt aufgrund ihrer Größe nicht passieren können. Vorzugsweise ist der zweite Querschnittsabschnitt kreisförmig und durch eine Bohrung durch die Welle herstellbar. Die Öffnung umfasst zwei miteinander verbundene Querschnittsabschnitte. Der erste Querschnittsabschnitt ist zumindest in eine Richtung kleiner als der zweite Querschnittsabschnitt dimensioniert, sodass es dazu kommen kann, dass Partikel, insbesondere Schmutzpartikel, die Öffnung im Bereich des ersten Querschnittsabschnitts nicht passieren können. Diese Partikel können die Öffnung jedoch im Bereich des zweiten Querschnittsabschnitts passieren. Durch die Verwendung zweier Querschnittsabschnitte mit unterschiedlicher Dimensionierung kann insoweit eine präzise Regelbarkeit des Drucks erreicht werden, für die eine vergleichsweise kleine Dimensionierung der Öffnung vorteilhaft ist, und gleichzeitig ein Passieren von Partikeln ermöglicht werden, für die eine vergleichsweise größere Dimensionierung notwendig ist. Es ergibt sich eine verbesserte Zuverlässigkeit bei hoher Regelgüte.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Dichtung dazu ausgebildet, im Bereich des ersten Querschnittsabschnitts vor der Öffnung angestaute Partikel beim Drehen der Welle in den zweiten Querschnittsabschnitt zu schieben. Dies bewirkt, dass diese angestauten Partikel, die die Öffnung im Bereich des ersten Querschnittsabschnitts nicht passieren können, in den zweiten Querschnittsabschnitt überführt werden, wo sie dann die Öffnung passieren können. Die angestauten Partikel werden durch ein Drehen der Welle in einen Bereich gebracht, in dem sie abgespült werden. Es erfolgt ein Abstreifen an der Dichtung. Dies erhöht weiter die Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei hoher Regelgenauigkeit.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung einen Pulsationsdämpfer, der zum Ausgleichen von Druckschwankungen zwischen Durchlass und Auslass angeordnet ist. Der Positionsdämpfer ist vorzugsweise im Bereich des Sensors angeordnet. Zusätzlich oder alternativ umfasst der Pulsationsdämpfer eine mit Druckluft beaufschlagte Membrane, die von dem hochviskosen Medium umflossen wird. Durch den Pulsationsdämpfer können nicht ausreichend ausgeregelte Druckschwankungen auf der Seite des Auslasses weiter vermindert werden. Insbesondere bei einer hochdynamischen Ansteuerung einer nachgelagerten Abgabevorrichtung ergeben sich hierdurch weitere Verbesserungen hinsichtlich der erreichbaren Regeldynamik sowie der Regelgenauigkeit. Insbesondere bei einer hochdynamischen Ansteuerung ausgangsseitiger Applikationsventile oder einer geringen Leitungsdämpfung kann die Regelgüte weiter verbessert werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung einen Energiespeicher zum Versorgen der Kontrolleinheit und/oder des Aktors mit Spannung, wenn es zu einer Unterbrechung einer externen Spannungsversorgung kommt. Der Energiespeicher umfasst vorzugsweise einen Kondensator. Es ergibt sich eine Verbesserung der Sicherheit im Falle einer Unterbrechung einer externen Spannungsversorgung. Es wird sichergestellt, dass zumindest ein Teil der Funktionen der Vorrichtung bzw. der Kontrolleinheit und/oder des Aktors auch dann erfüllt werden kann, wenn die Spannungsversorgung unterbrochen ist. Die Zuverlässigkeit der Vorrichtung wird weiter verbessert.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Kontrolleinheit zum Überwachen einer Spannungsversorgung ausgebildet. Die Kontrolleinheit ist zum Ansteuern des Aktors ausgebildet, um den Durchlass zu schließen, wenn die Spannungsversorgung unterbrochen wird. Dadurch, dass der Durchlass geschlossen wird, wenn die Spannungsversorgung unterbrochen wird, wird ein sicherer Betriebszustand hergestellt. Es wird sichergestellt, dass kein unkontrollierter Druck weitergeleitet wird. Fehlfunktionen werden insoweit vermieden. Die Zuverlässigkeit der Vorrichtung wird beibehalten. Die Sicherheit im Betrieb wird verbessert, da im Fehlerfall einer Unterbrechung in der Spannungsversorgung vorgebeugt wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung eine Bedienschnittstelle zum Einstellen des Solldrucks, wobei die Bedienschnittstelle vorzugsweise ein Display und mindestens eine Taste umfasst. Insbesondere ist es möglich, dass die Bedienschnittstelle ein Touchscreen-Display umfasst. Über die Schnittstelle kann eine Vorgabe des Solldrucks erfolgen. Zudem können gegebenenfalls weitere Einstellungen vorgenommen werden. Es ergibt sich eine komfortable Einstellbarkeit und Bedienbarkeit.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Sensor zum Ermitteln des Drucks in einem Bereich des Kanals zwischen dem Durchlass und dem Auslass ausgebildet. Der Sensor ist im selben Gehäuse wie die weiteren Komponenten untergebracht. Der Druck wird also in dem Kanal bzw. innerhalb der Vorrichtung gemessen. Es ergibt sich eine verringerte Bauraumanforderung. Zudem ergibt sich die Möglichkeit, die Vorrichtung in ein robustes Gehäuse zu integrieren, wodurch die Zuverlässigkeit weiter steigerbar ist. Eine integrierte Ausbildung der Vorrichtung wird ermöglicht.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Kontrolleinheit einen Mikrocontroller. Zusätzlich oder alternativ umfasst der Aktor einen Elektromotor, insbesondere einen Schrittmotor. Durch die Verwendung eines Mikrocontrollers wird ein energieeffizienter Betrieb gewährleistet. Zudem wird ein zuverlässiger Betrieb erreicht. Mittels eines Elektromotors, insbesondere eines Schrittmotors, ergibt sich eine effiziente Antreibbarkeit des Stellelements. Zudem können eine kostengünstige Umsetzung und Herstellung erfolgen. Zuletzt kann ein zuverlässiger Betrieb sichergestellt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Dosiersystems zum Abgeben einer vordefinierbaren Menge eines hochviskosen Mediums;
- 2 eine schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Regeln eines Drucks;
- 3 eine schematische Ansicht einer Welle mit schlitzartig ausgebildeter Öffnung;
- 4 eine schematische Darstellung des Veränderns des Durchflussquerschnitts durch Drehen der Welle;
- 5 eine schematische Darstellung einer Öffnung mit zwei Querschnittsabschnitten in einer Welle;
- 6 eine schematische Darstellung des Wirkprinzips des Abstreifens von angestauten Partikeln;
- 7 eine schematische Darstellung einer Dichtung zum Abdichten des Übergangs zwischen Kanal und Welle;
- 8 eine weitere schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
- 9 eine schematische Darstellung eines als Membrane ausgebildeten Pulsationsdämpfers.
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In 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Dosiersystem 10 zum Abgeben einer vordefinierbaren Menge eines hochviskosen Mediums dargestellt. Das Dosiersystem 10 umfasst eine Vorrichtung 12 zum Regeln eines Drucks des hochviskosen Mediums und eine Abgabevorrichtung 14 zum Abgeben des hochviskosen Mediums. Die Abgabe des hochviskosen Mediums erfolgt über den unteren Fortsatz der Abgabevorrichtung 14 an die Anwendungsstelle.
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Derartige Dosiersysteme dienen beispielsweise zum Auftragen von Fett auf Kugellager oder andere Bauteile in entsprechenden industriellen Fertigungsanlagen. Ein Problem in diesem Bereich ist, dass der Mediumdruck des hochviskosen Mediums unregelmäßigen Schwankungen unterliegen kann. Diese Druckschwankungen werden mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 12 zumindest teilweise ausgeglichen, wodurch in der Abgabevorrichtung 14 eine genauere Dosierung ermöglicht wird.
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Der Fluss des Mediums ist durch die Pfeile illustriert. Das Medium gelangt über einen Einlass 16 in die Vorrichtung 12 und verlässt diese wieder über den Auslass 18. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung 12 zudem eine Bedienschnittstelle 20 mit einem Display 22 und einer Taste 24. Über die Bedienschnittstelle 20 kann beispielsweise ein Solldruck eingestellt werden, der am Auslass 18 ausgegeben werden soll. Durch die Vorrichtung 12 werden Druckschwankungen vermieden bzw. reduziert und ein vordefinierter Solldruck am Auslass 18 erzeugt. Dieser Solldruck kann durch einen Benutzer vorgegeben werden oder auch fest voreingestellt sein.
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In 2 ist eine Schnittansicht der Vorrichtung 12 dargestellt. Zwischen Einlass 16 und Auslass 18 verläuft ein Kanal 26, den das hochviskose Medium durchläuft. Die Vorrichtung 12 verfügt über ein Stellelement 28, über das ein Durchflussquerschnitt eines Durchlasses für das hochviskose Medium in dem Kanal verändert werden kann. Insbesondere ist es möglich, den Durchlass unterschiedlich weit zu öffnen oder auch komplett zu schließen sowie unterschiedliche Mengen passieren zu lassen. Der Durchlass 30 ist dabei sozusagen innerhalb des Kanals 26 angeordnet.
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Zum Antreiben des Stellelements 28 ist ein Aktor 32 vorgesehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Aktor 32 als aktiver elektrischer Antrieb ausgebildet. Insbesondere ist ein elektrischer Schrittmotor vorgesehen, um das Stellelement 28 anzutreiben bzw. zu betätigen.
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Über einen Sensor 34 wird ein Druck des hochviskosen Mediums nach Passieren des Durchlasses 30 ermittelt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein elektrischer Druckmessumformer (Drucksensor) als Sensor 34 vorgesehen. Die Auswertung des ermittelten Drucks bzw. des Signals des Sensors 34 erfolgt in einer Kontrolleinheit 36, die im dargestellten Ausführungsbeispiel als Mikrocontroller ausgebildet ist. Aufgrund der hohen Viskosität des zu verarbeitenden Mediums ist ein im Vergleich zu herkömmlichen Proportionaldruckventilen im Bereich der Hydraulik großer regelbarer Durchflussquerschnitt realisiert.
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In den 3 und 4 ist schematisch die Funktionsweise eines als Welle (kann auch als Absperrwelle bezeichnet werden) ausgebildeten Stellelements 28 dargestellt. Dargestellt ist insbesondere eine Welle, die eine Öffnung 38 in einer Mantelfläche 40 aufweist, durch die das hochviskose Medium geleitet wird. Die Öffnung 38 schneidet die Mantelfläche im dargestellten Ausführungsbeispiel in zwei getrennten Flächenabschnitten 40a, 40b und ist insoweit als Durchgang durch die Welle ausgebildet. Im dargestellten Beispiel verläuft die Öffnung senkrecht zur Zentralachse 41 (auch als Längs- oder Drehachse bezeichnet) der Welle. Zudem ist die Öffnung 38 im dargestellten Ausführungsbeispiel schlitzartig, also in der Form eines die Welle durchdringenden Schlitzes oder Spaltes dargestellt. Der Spalt hat eine Breite in Umfangsrichtung, die größer ist als eine Höhe in Richtung der Zentralachse 41.
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In 4 ist schematisch eine Dichtung 42 dargestellt. Auf der linken Seite ist ein Zustand dargestellt, bei dem der Dichtsitz geschlossen ist und insoweit der Durchlass geschlossen ist. In der Mitte ist eine Winkelstellung der Welle dargestellt, bei der der Dichtsitz zu einem kleinen Teil geöffnet ist und sich insoweit eine hohe Drosselwirkung ergibt. Auf der rechten Seite ist eine Situation dargestellt, in der der Dichtsitz näherungsweise komplett geöffnet ist, sodass sich eine geringe Drosselwirkung ergibt. Es kann also durch Drehen der Welle erreicht werden, dass ein mehr oder weniger großer Teil der Öffnung 38 in den Kanal eingedreht wird. Insoweit ist durch die Winkelstellung der Welle der Durchflussquerschnitt einstellbar. Insbesondere durch die Kombination der Welle mit dem Schrittmotor kann eine schnelle Anpassung des Durchflussquerschnitts als Reaktion auf einen sich ändernden Mediumdruck erfolgen.
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Der Durchlass 30 für das hochviskose Medium wird insoweit von dem Flächenabschnitt 40a auf der Seite des anströmenden hochviskosen Mediums, also auf der dem Einlass zugewandten Seite gebildet. Das Medium wird durch den Schlitz durch die Welle geleitet. Der Durchflussquerschnitt kann variabel durch die Winkelstellung der Welle eingestellt werden. Es wird insoweit die Wirkung einer verstellbaren Drossel erzielt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Welle sowie auch die Öffnung bzw. der Schlitz orthogonal zu dem Kanal verlaufen, wodurch sich eine vorteilhafte Druckverteilung ergibt.
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In den 5 und 6 ist schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung des Stellelements 28 und dessen Funktionsweise dargestellt. Erneut ist das Stellelement 28 als Welle mit einer Öffnung 38 ausgebildet. Wie zuvor beschrieben, kann durch die Winkelstellung der Welle der Durchflussquerschnitt verändert werden.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Öffnung 38 einen ersten Querschnittsabschnitt 44a sowie einen zweiten Querschnittsabschnitt 44b. Wie schematisch dargestellt können die beiden Querschnittsabschnitte 44a, 44b durch Drehen der Welle nacheinander in den Kanal eingedreht werden. Der erste Querschnittsabschnitt 44a ist schlitzartig ausgebildet. Der zweite Querschnittsabschnitt 44b ist im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet.
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Aufgrund von Verunreinigungen des Mediums, die sich in der Praxis nie gänzlich vermeiden lassen, können sich Partikel 46, insbesondere Schmutzpartikel, auf der Öffnung 38 anlagern. Diese Partikel 46 werden sozusagen durch das anströmende Medium angespült. Durch die schlitzartige Ausbildung der Öffnung 38 im ersten Querschnittsabschnitt 44a kann es insbesondere dazu kommen, dass sich Schmutzpartikel auf dem Schlitz absetzen. Um dennoch eine zuverlässige Druckregelung zu erreichen, ist es im dargestellten Ausführungsbeispiel möglich, dass die Welle zunehmend weitergedreht wird und die Öffnung sozusagen weiter in den Kanal eingedreht wird. Im zweiten Querschnittsabschnitt 44b, der im dargestellten Ausführungsbeispiel als Bohrung durch die Welle hindurch ausgebildet ist, können die Partikel 46 die Öffnung 38 passieren. Wie dargestellt erfolgt beim Drehen der Welle sozusagen ein Schieben von angestauten Partikeln 46 an der Dichtung 42. Durch dieses Schieben oder Abstreifen werden die Partikel 46 mit zunehmendem Öffnungswinkel an der Dichtungskante der Dichtung 42 abgestreift und durch die Bohrungsöffnung des Schlitzes, also durch den zweiten Querschnittsabschnitt 44b hindurch, weggespült.
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In 6 ist auf der linken Seite eine Situation dargestellt, in der sich ein Partikel 46 auf der Spaltöffnung angelagert hat bzw. auf diese ausgeschwemmt wurde. Der Durchfluss ist gehemmt. In der Mitte ist dargestellt, dass durch eine Drehung der Welle zunächst der Spalt weiter geöffnet wird und die Bohrungsöffnung, also der zweite Querschnittsabschnitt 44b, erscheint und in den Kanal eingedreht wird. Auf der rechten Seite ist dargestellt, dass der Partikel 46 an der Kante der Dichtung 42 abgestreift wird und durch die Bohrungsöffnung weggespült wird.
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Wenn beispielsweise angenommen wird, dass die Öffnung 38 im Bereich des ersten Querschnittsabschnitts 44a eine Spalthöhe von 0,5 mm aufweist, kann der Schlitz durch Verunreinigungen leicht verstopft werden. Die auftretende Verschmutzung wird sozusagen abgewischt, mittels der am Ende des Schlitzes vorgesehenen Bohrungsöffnung.
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Durch die Ausführung der Drossel in Form eines Schlitzes innerhalb einer Welle, wobei eine Vergrößerung einer Seite des Schlitzes einen vergrößerten Durchgang zum Abstreifen und Wegspülen von Schmutzpartikeln bildet, kann insbesondere ein zuverlässiger Betrieb sichergestellt werden.
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In 7 ist schematisch die Funktionsweise der Dichtung 42 im Zusammenspiel mit einem als Welle ausgebildeten Stellelement 28 dargestellt. Insbesondere ist die Dichtung 42 dazu ausgebildet, den Übergang zwischen Kanal und Öffnung 38 auf der Seite des Einlasses abzudichten. Die Dichtung 42 liegt direkt an der Welle an und weist im dargestellten Ausführungsbeispiel einen kreisringförmigen Querschnitt auf. Durch die ständigen Oszillationen (motorisch) der Welle sind die Dichtflächen der Dichtung 42, insbesondere im Falle der Verwendung einer Polymerdichtung, verschleißbehaftet.
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Insbesondere ist es im dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Dichtung 42 als schwimmende Dichtung realisiert ist. Die Dichtung wird insoweit durch das anströmende Medium auf die Welle aufgedrückt. Ein zunehmender Mediumdruck erhöht die Anpresskraft auf die Dichtung 42. Zum einen wird insoweit die Dichtwirkung verbessert. Zum anderen wird die Dichtung bei auftretendem Verschleiß direkt nachgeführt.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn zum Anpressen der Dichtung 42 auf die Welle im Bereich des Kanals vor der Dichtung 42 eine Verbreiterung vorgesehen ist, sodass ein Druck auf die Dichtung 42 ausgeübt werden kann. Die schwimmende Dichtung bewirkt eine zuverlässige Dichtwirkung sowie eine Mediumleitung durch den Schlitz.
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Optional ist es möglich, dass zusätzlich eine vorgespannte Feder verwendet wird, um die Dichtung 42 an die Welle anzudrücken. Diese Feder kann beispielsweise in eine entsprechende Ausbuchtung im Umfang der Dichtung 42 eingreifen.
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Durch die Ausführung als schwimmende Dichtung sowie auch durch die Federvorspannung wird die sich durch den Verschleiß verkürzende Dichtung kontinuierlich zur Dichtstelle nachgeführt werden. Die Dichtfunktion bleibt damit über eine lange Betriebszeit sichergestellt.
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In 8 ist ein Querschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung 12 dargestellt. Um die Dynamik und Regelgüte weiter zu erhöhen, ist in der Vorrichtung 12 im weiteren Verlauf des Kanals und dem Stellelement 28 nachgeordnet ein Pulsationsdämpfer 50 vorgesehen. Durch diesen Pulsationsdämpfer 50 werden nicht ausgeregelte Druckschwankungen (ausgangsseitig), wie sie insbesondere bei hochdynamischen Steuerungen eines nachgelagerten Applikationsventils oder bei einer geringen Leitungsdämpfung der Fall sein können, deutlich verringert. Insoweit wird die Regelgüte erhöht. Als besonders vorteilhaft wird dabei eine eng beieinanderliegende Anordnung von Sensor 34 und Pulsationsdämpfer 50 gesehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Sensor 34 und der Pulsationsdämpfer 50 im selben Bereich des Kanals angeordnet.
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Mittels des Pulsationsdämpfers 50 kann eine zusätzliche Glättung des zeitlichen Druckverlaufs erfolgen, welcher aufgrund von unterschiedlichen Prozesseinflussgrößen stark schwanken kann. Durch die zusätzliche Verwendung des Pulsationsdämpfers 50 wird die Regelgüte des Druckreglers bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung 12 weiter gesteigert. Dies ist insbesondere bei einer vergleichsweise kurzen Leitung zwischen der Vorrichtung 12 und einem Ventil, also einer geringen Leitungskapazität, und/oder einer hochdynamischen Ventilansteuerung der Fall.
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Weiter vorteilhaft umfasst die Vorrichtung 12 einen Energiespeicher 52, über den die Kontrolleinheit 36 und/oder der Aktor 32 mit Energie versorgt werden können. Die Verwendung eines Energiespeichers 52 kann dabei als zusätzliches Sicherheitsfeature vorgesehen sein, durch das bei einem unerwarteten Stromausfall ein zuverlässiges Schließen des Durchflusses ermöglicht wird. Insbesondere ist es möglich, dass mittels des Aktors 32 das Stellelement 28 derart angetrieben wird, dass der Durchflussquerschnitt auf null vermindert wird. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass bei einem weiterhin anstehenden Mediumdruck eine unkontrollierte Materialförderung vermieden wird. Diese Funktion wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 12 durch eine Überwachung eines Spannungseingangs einer externen Spannungsversorgung 54 erreicht. Der Energiespeicher 52 kann insbesondere in Form eines oder mehrerer Kondensatoren umgesetzt sein. Kommt es zu einem Stromausfall, wird dies von einer Spannungsüberwachung in der Kontrolleinheit 36 detektiert. Über das Stellelement 28 wird der Durchlass geschlossen.
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In 9 ist schematisch eine Ausführungsform einer Membrane 48 für den Pulsationsdämpfer dargestellt. Insbesondere ist es möglich, dass der Pulsationsdämpfer in Form einer mit Druckluft beaufschlagten Membrane 48 realisiert wird. Die Membrane 48 wird vom Ausgangsstrom des hochviskosen Mediums umflossen.
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Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfassend beschrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentansprüche.
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In den Patentansprüchen schließen die Wörter „umfassen“ und „mit“ nicht das Vorhandensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der undefinierte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Ein einzelnes Element oder eine einzelne Einheit kann die Funktionen mehrerer der in den Patentansprüchen genannten Einheiten ausführen. Ein Element, eine Einheit, eine Vorrichtung und ein System können teilweise oder vollständig in Hard- und/oder in Software umgesetzt sein. Die bloße Nennung einiger Maßnahmen in mehreren verschiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet werden kann. Bezugszeichen in den Patentansprüchen sind nicht einschränkend zu verstehen.
