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Zusammenfassung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein modulares Gerätesystem für die Kleinprozesstechnik – im folgenden Text auch kurz als „Gerätesystem” oder „System” bezeichnet – nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Viele Prozesse, die bislang nur in großen Industrieanlagen Anwendung fanden, werden zunehmend miniaturisiert. Dieser Skalierungsprozess umfasst eine immer größere Zahl von Prozessen und fabrikähnlichen Prozesskombinationen und geht über Kleinanwendungen, Minifabriken und -kraftwerke, Mikroreaktoren bis hin zur Nanotechnologie.
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Ganze Prozessketten und komplexe Anlagen finden auf immer kleinerem Raum Platz.
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Das Spektrum der miniaturisierten Prozesse ist immens und umfasst chemische, physikalische, biologische und mechanische Effekte, die besondere Anforderungen an eine solche Systemplattform stellen. Zu diesen Effekten zählen:
- – Vakuum bis höchste Drücke
- – Tiefkalte bis extrem hohe Temperaturen
- – Hohe Energie und Energieflussdichten
- – Gesundheitsschädliche und umweltgefährdende Stoffe
- – Giftige Stoffe
- – Ätzende Stoffe
- – Explosive Stoffe oder Stoffgemische
- – Genverändernde, krebserregende, erbgut- oder fruchtschädigende Stoffe
- – Infektiöse biologische Präparate
- – Elektromagnetische oder radioaktive Strahlung
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Weiterhin ist oft eine große Zahl unterschiedlicher Leitungen zur Stoff-, Signal-, Daten- und Energieübertragung zu integrieren.
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Während sich vorliegende Erfindungen auf diesem Gebiet fast ausschließlich auf die prozessrelevanten Schlüsseltechnologien konzentrieren – wie exemplarisch
EP 0688242 , fehlt ein standardisierbares Gerätesystem, das die entsprechenden Prozesse kapselt, bislang völlig.
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Vereinzelt werden Lösungen zur Modularisierung vorgestellt. Relevante Schriften werden weiter im Folgenden zitiert. Diese Lösungen konzentrieren sich jeweils auf konkrete Teilprozesse und sind insofern nicht universell anwendbar. Das Einsatzgebiet bleibt in der Regel auf Laborumgebungen oder Nebenaggregate der herkömmlichen Großverfahrenstechnik beschränkt.
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Die Patentschrift
DE 3609929 widmet sich einem Prozessanalysator-System, welches ein selbsttragendes Gehäuse mit einem aus dem Gehäuse herausziehbaren Trägerelement – ähnlich einer Schublade – aufweist, wobei die Verbindungen zwischen dem Gehäuse und dem Trägerelement auch im herausgezogenen Zustand durch flexible Schläuche bestehen bleibt. Im Trägerelement sind Aggregate zur Prozessinstrumentierung angeordnet. Es können mehrere Trägerelemente in einem Gehäuse nebeneinander angeordnet werden. Das Analysator-System ist als Nebenaggregat an einer größeren verfahrenstechnischen Anlage vorgesehen und beabsichtigt nicht auf die vollständige Integration des Prozesses an sich in einer kompakten Minifabrik. Zielstellung der Anordnung ist eine hohe Verfügbarkeit des Analysators im laufenden Prozess. Dementsprechend sind die Trägerelemente integraler Bestandteil des Systems und nicht als eigenständige Funktionsmodule zu konzipiert, wodurch auch die schnelle Montage und Demontage nicht systemimmanent ist. Zum Zwecke des Explosionsschutzes ist die Spülung der Trägerelemente mit einem Inertgas vorgesehen. Eine doppelte Kapselung sieht das Konzept nicht vor.
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In der Offenlegungsschrift
DE 19545252 ist unter dem Begriff Aggregatkapsel ein Verfahrensbaustein bestehend aus einer Wanne, einem Grundträger und Spritzwänden beschrieben, der vor allem Recyclingaufgaben dienen soll.
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Es werden koppelbare Stoffstrom-, Energie- und Steuerungsleitungen erwähnt. Durch den Aufbau soll im Wesentlichen das Auffangen von Leckagen realisiert werden. Die so aufgebauten Aggregatkapseln sind zur separaten Aufstellung nebeneinander auf dem Boden in Räumen oder im Freien und nicht zur Integration in ein kompaktes Gesamtsystem vorgesehen.
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Aus der Patentveröffentlichung
WO 200006291 ist ein modulares chemisches Mikrosystem bekannt, in welchem physikalische oder chemisch/physikalische Prozesse ablaufen können. Das System besteht aus einer Kopplungsschiene, auf der eine Vielzahl von Modulschnittstellen angeordnet ist. In diese Modulschnittstellen können verschiedene Module eingesteckt werden und über Stoffkanäle untereinander verbunden werden. Der Aufbau des Systems ist vor allem als Auf-Tisch-System zur Herstellung geringer Stoffmengen im Labormaßstab geeignet. Für die Nutzung außerhalb einer labortypischen Umgebung – z. B. durch fachliche Laien – ist der Aufbau zu filigran und wenig robust. Insbesondere fehlt der Anordnung die Verknüpfung mit einer systemintegrierten, kompakten Einhausung.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2005 028 897 beschreibt eine Anordnung zur Verarbeitung von chemischen Stoffen – speziell von Radiochemikalien und Radiopharmaka. Das System besteht aus verschiedenen Baugruppen, die miteinander kombinierbar sind, um das System an verschiedene Anforderungen anpassen zu können.
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Die Baugruppen sind stapelbar und können rückwärtig miteinander in offener Weise durch Schläuche, Leitungen und Kabel miteinander verbunden werden.
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Eine Integration der Baugruppen zu einem geschlossenen Gerätesystem erfolgt nicht. Es entsteht so eine offene Anordnung, bei der die rückwärtige Verrohrung und Verkabelung frei zugänglich ist. Damit ist die Anwendung als Auf-Tisch-Anlage auf den Laborbetrieb und Fachleute beschränkt.
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Der Stand der Technik kann folgendermaßen zusammengefasst werden:
Aus dem Laborumfeld sind Bemühungen zu erkennen, Prozessschritte in separate Baugruppen aufzuteilen und diese bedarfsgerecht miteinander zu kombinieren. Diese Lösungen sind naturgemäß für den Laborbetrieb konzipiert.
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Sofern aus der Großverfahrenstechnik Lösungsansätze existieren, beschränken sich diese auf Nebenaggregate an großen Anlagen.
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Allen bekannten Lösungen fehlt ein robustes, standardisierbares, vollintegriertes Systemkonzept, welches den Einsatz außerhalb von Laborumgebungen oder der Großverfahrenstechnik und den Zugriff durch fachfremde Personen berücksichtigt, wie er z. B. im gewerblichen, öffentlichen oder privaten Sektor bei verschiedenen Aufgaben der dezentralen Prozesstechnik und Energiewandlung auftreten kann.
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Dies behindert die Verbreitung der kompakten Kleinprozesstechnik in wichtigen Märkten.
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Aufgabe
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung zu schaffen, mit der verschiedene Systembausteine mit vereinheitlichter Geometrie und vereinheitlichten Anschlüssen auf einfache und schnelle Weise zu einem Gesamtsystem als Standgerät oder wandhängendes Gerät für die Nutzung in Gebäuden, Containern oder im Freien integriert werden können, wobei sicherheitstechnische Aspekte durch eine systemimmanente Kapselung der medienführenden Leitungen, durch eine weitgehend hermetische Trennung von Leitungsbündeln mit unterschiedlichen Medien und die Ausbildung von Kanälen für die Spülung des Systeminnenraums berücksichtigt werden können.
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Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines universellen Gerätesystems, das den verschiedenen Anforderungen der Kleinprozesstechnik hinsichtlich Sicherheit, Robustheit, Modularität und Servicefreundlichkeit in einem einzigen Systemkonzept Rechnung trägt und so den Aufbau hochkompakter, vollintegrierter Klein- und Kleinstfabriken in zahlreichen Anwendungsfeldern ermöglicht.
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Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckdienliche Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 10.
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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft ein Gerätesystem für die Kleinprozesstechnik mit einer äußeren, zumindest teilweise materiellen Systemgrenze (1), welche das Gerätesystem gegen die Systemumgebung abgrenzt, und einer inneren, zumindest teilweise materiellen Systemgrenze (2), durch die das System in einen äußeren Bereich (3) und einen inneren Bereich (4) unterteilt wird.
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Die geometrische Gestalt der inneren und äußeren Systemgrenze des Gerätesystems kann beliebig sein, bevorzugt werden jedoch einfache geometrische Formen mit hoher Symmetrie, insbesondere solche mit einer Symmetrieachse und einer mehrzähligen oder vollständigen Rotationssymmetrie um die vorgenannte Symmetrieachse, wie z. B. Zylinder, Quader oder andere prismatische Formen.
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Dies hat den Vorteil, dass die zum gesamten Gerätesystem integrierten Systembausteine (5) eine in hohem Maße vereinheitlichte Geometrie und ein ebenso vereinheitlichtes Anschlusskonzept aufweisen können.
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Der innere Bereich (4) gestaltet sich damit als kompakter Raum. Der äußere Bereich (3) besitzt in den bevorzugten geometrischen Formen einen Mantelbereich (3a) am Umfang des Gerätesystems und zwei Stirnbereiche (3b) an den Enden, an denen die gedachte Symmetrieachse die Systemgrenzen durchstößt.
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In einer bevorzugten Ausführung ist mindestens eine der Systemgrenzen (1, 2) hermetisch dicht ausgeführt und gestattet den Stoff-, Signal-, Daten- und Energieaustausch zwischen den Systembausteinen untereinander oder zwischen System und Systemumgebung nur über wohldefinierte, weitgehend vereinheitlichte Schnittstellen. Sofern die jeweilige Systemgrenze mit Türen, Luken, Klappen, Flanschen oder Durchführungen versehen ist, werden diese in vorgenannter Ausführung zur Abdichtung mit Profildichtlippen, Dichtringen, Flachdichtungen oder angespritzten Dichtungen versehen.
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Sowohl der innere Bereich (4), der durch die innere Systemgrenze eingeschlossen wird, als auch der äußere Bereich (3) zwischen innerer (2) und äußerer (1) Systemgrenze sind dafür vorgesehen, durch konstruktive Elemente (6), wie z. B. Trennwände (6a) oder Verstrebungen (6b), jeweils in einen oder mehrere Sektoren (7) unterteilt zu werden.
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Hierdurch werden mehrere Vorteile gleichzeitig erreicht. Erstens entsteht so ein stabiles Skelett, welches die Systemgeometrie unabhängig von eingebauten Systembausteinen aufrecht erhält. Zweitens können die Trennwände oder Verstrebungen zur Aufnahme, Führung und Verriegelung der Systembausteine dienen. Drittens kann durch die Trennwände oder Verstrebungen gleichzeitig eine Abschottung von verschieden genutzten Kanälen und Zonen – z. B. zur Abtrennung von verschiedenen Explosionsschutzzonen oder zur Trennung von kontaminierten und sterilen Zonen – erreicht werden.
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Diese Sektoren haben vorteilhafterweise Aufnahmevorrichtungen (8) und Verriegelungsmechanismen (9) zur Aufnahme und Verriegelung der weiter unten beschriebenen Systembausteine. Weiterhin bieten sie Öffnungen für die vereinheitlichten Schnittstellen (10) des Anschlusskonzeptes, mit denen in unterschiedlichen Sektoren befindliche Systembausteine miteinander verbunden werden können.
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Die Aufnahmevorrichtungen (8) sind bevorzugt so gestaltet, dass die Systembausteine formschlüssig in die Aufnahme gleiten, bis die Anschlüsse zwischen dem Systembaustein und dem Rest des Systems hergestellt sind. Dies kann z. B. durch die Sektorentrennwände selbst oder durch separate Führungsschienen realisiert werden.
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Wenn der Systembaustein vollständig in den aufnehmenden Sektor eingeführt ist, kann eine Verrieglung manuell, halbautomatisch oder automatisch erfolgen.
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Bevorzugt erfolgt die Verriegelung durch einen Mechanismus, bei welchem ein oder mehrere Riegel oder Schnappvorrichtungen in der Endlage des Systembausteins senkrecht dessen Einführungsrichtung ausfahren und ein weiteres Verschieben des Systembausteins verhindern. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird die Verriegelung durch Vierteldrehverschlüsse oder Schraubverbindungen erreicht. Bezüglich der Art der Verriegelung wird auf den Stand der Technik zurückgegriffen.
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Durch diese Anordnung wird eine schnelle Montage des Gerätesystems während der Fertigung und eine schnelle De- und Wiedermontage des Systems im Servicefall ermöglicht.
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Im Gerätesystem werden vorwiegend zwei Arten von Systembausteinen verwendet: Funktionsmodule (5a) und Leitungsbaugruppen (5b).
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Die im Systemkonzept verwendeten Funktionsmodule dienen vorwiegend der aktiven Durchführung der Prozessschritte, der Aufnahme von Antriebs- und Steuerelementen für den Stofftransport, sowie der Komponenten für die Signal-, Daten- und Energiewandlung und Speicherung.
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Die Leitungsbaugruppen dienen vorwiegend dem passiven Transport von Stoffen, Signalen, Daten und Energie zwischen den Funktionsmodulen der einzelnen Sektoren und zwischen dem Gerätesystem und der Systemumgebung.
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Während die System- und Sektorengrenzen das Skelett des Gerätesystems bilden, können die Funktionsmodule als Organe des Systems und die Leitungsbaugruppen als Gefäß- und Nervensystem des Gerätes aufgefasst werden.
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Mit dieser universellen Kategorisierung lassen sich komplexe Systeme aus hochgradig standardisierten Systembausteinen aufbauen.
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Es gibt im Wesentlichen zwei Ausführungsformen des Systems, welche jedoch auch innerhalb eines Systems kombiniert werden können.
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In der einen Variante dienen vorwiegend die Sektoren des inneren Bereiches der Leitungsführung, während die Sektoren des äußeren Bereichs der Aufnahme der Funktionsmodule dienen. Diese Variante ist besonders für zylindrische und vieleckige Geräteformen prädestiniert.
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Sie bietet den Vorteil, dass das Innere des Gerätesystems eine Art Rückgrat bildet, an das schnell, unkompliziert und prinzipiell von allen Seiten geometrisch stark vereinheitlichte Funktionsmodule angedockt werden können.
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In der anderen Variante werden die Funktionsmodule durch den längs- und/oder quersektorierten inneren Bereich aufgenommen und die Leitungsführung erfolgt vorwiegend in den Sektoren des äußeren Bereichs. Diese Variante lässt sich bevorzugt bei einem quaderförmigen Gerätesystem einsetzen.
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In der Regel wird hierbei mindestens ein Sektor im äußeren Bereich für den Zugriff auf die Funktionsmodule im inneren Bereich vorgesehen.
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Vorteilhaft an dieser Variante ist die gute Kapselung der Funktionsmodule im Inneren des Gerätesystems, so dass negative Auswirkungen von Fehlfunktionen bis hin zu strukturellen Schäden und Leckagen des Gerätesystems auf die Systemumgebung einerseits und negative Auswirkungen aus der Systemumgebung auf das Gerätesystem andererseits bedarfsgerecht vermieden werden können. Ein weiterer Vorteil besteht in der einfachen Kontrolle der Kanäle und Leitungsbaugruppen im äußeren Bereich durch das Öffnen der äußeren Systemgrenze.
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Welcher Variante der Vorzug gegeben wird, hängt vom jeweiligen Anwendungsfall ab. Neben praktischen Erwägungen werden hier vor allem die aus einer Gefährdungsbeurteilung abgeleiteten sicherheitstechnischen Aufgabenstellungen entscheidend sein. Systembausteine, welche z. B. Strahlungsquellen oder besonders gefährliche Stoffe beinhalten, werden üblicherweise in den Sektoren des inneren Bereichs untergebracht.
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Im Allgemeinen befinden sich die Anschlüsse der in das System integrierten Systembausteine unmittelbar an der inneren Systemgrenze und stellen eine Verbindung mit dem Rest des Systems durch diese innere Systemgrenze hindurch her. Dies ist unabhängig davon, ob die Systembausteine in den Sektoren des inneren oder des äußeren Bereichs untergebracht sind.
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Die Systembausteine können Anzeige- und Bedienelemente (14) oder Serviceschnittstellen (15) aufweisen, die vorteilhafterweise an einer nach außen orientierten Fläche des Systembausteins angeordnet sind.
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Die Sektoren in den (äußeren) Stirnbereichen des Gerätesystems dienen bevorzugt der Verbindung des Systems mit der Systemumgebung oder der Kopplung mehrerer Gerätesysteme untereinander zu größeren, insbesondere leistungsfähigeren Einheiten (11). Diese Sektoren in den Stirnbereichen werden deshalb bevorzugt mit Systembausteinen bestückt, die auf diese Aufgaben spezialisiert sind und externe Anschlüsse (13) aufweisen, welche in axialer oder radialer Richtung an der äußeren Systemgrenze angeordnet sind. Darüber hinaus können diese Systembausteine besondere Überwachungs- und Sicherheitsfunktionen zum Schutz des Gerätesystems selbst oder der Systemumgebung aufweisen.
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Bei der Verbindung des Systems mit der Systemumgebung oder der Kopplung mehrerer Gerätesysteme ist insbesondere die Nutzung gemeinsamer Sammelleitungen (12) von Vorteil.
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Die Wahl der bevorzugten Geometrie des Gerätesystems ermöglicht dabei unterschiedlich kompakte lineare, zweidimensionale oder dreidimensionale Anordnungen. Auf diese Weise wird auch über das Gerätesystem hinaus eine hohe Leistungsdichte bei geringstmöglichem Platzbedarf erreicht.
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Ausführungsbeispiele
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungen des Gerätesystems anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Ausführungen sollen ohne Beschränkung der Allgemeinheit lediglich der Veranschaulichung dienen.
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1 stellt den grundsätzlichen Aufbau des Gerätesystems in einer zylinderförmigen Geometrie dar. Die äußere Systemgrenze (1) und die innere Systemgrenze (2) gliedern das Innere des Gerätesystems in einen äußeren Bereich (3) und einen inneren Bereich (4). Der äußere Bereich (3) besteht aus einem Mantelbereich (3a) und zwei Stirnbereichen (3b). Anhand der Querschnittsdarstellung ist beispielhaft die Unterteilung des äußeren Bereiches (3) und des inneren Bereiches (4) in Sektoren (7) durch geeignete Konstruktionselemente (6) wie Trennwände (6a) oder Verstrebungen (6b) dargestellt.
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Die bevorzugten Formen der Systembausteine (5) sind als Funktionsmodul (5a) und als Leitungsbaugruppe (5b) wiedergegeben.
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2 stellt den grundsätzlichen Aufbau des Gerätesystems in einer sechseckigen Geometrie dar. Die äußere Systemgrenze (1) und die innere Systemgrenze (2) gliedern das Innere des Gerätesystems in einen äußeren Bereich (3) und einen inneren Bereich (4).
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Der äußere Bereich (3) besteht aus einem Mantelbereich (3a) und zwei Stirnbereichen (3b). Anhand der Querschnittsdarstellung ist beispielhaft die Unterteilung des äußeren Bereiches (3) und des inneren Bereiches (4) in Sektoren (7) durch geeignete Konstruktionselemente (6) wie Trennwände (6a) oder Verstrebungen (6b) dargestellt.
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Die bevorzugten Formen der Systembausteine (5) sind als Funktionsmodul (5a) und als Leitungsbaugruppe (5b) wiedergegeben.
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3 stellt den grundsätzlichen Aufbau des Gerätesystems in einer quaderförmigen Geometrie dar. Die äußere Systemgrenze (1) und die innere Systemgrenze (2) gliedern das Innere des Gerätesystems in einen äußeren Bereich (3) und einen inneren Bereich (4). Der äußere Bereich (3) besteht aus einem Mantelbereich (3a) und zwei Stirnbereichen (3b). Anhand der Querschnittsdarstellung ist beispielhaft die Unterteilung des äußeren Bereiches (3) und des inneren Bereiches (4) in Sektoren (7) durch geeignete Konstruktionselemente (6) wie Trennwände (6a) oder Verstrebungen (6b) dargestellt.
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Die bevorzugten Formen der Systembausteine (5) sind als Funktionsmodul (5a) und als Leitungsbaugruppe (5b) wiedergegeben.
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4 gibt bevorzugte Formen der Systembausteine als Funktionsmodul (5a), mit den vereinheitlichten Schnittstellen (10), Anzeige und Bedienelementen (14) und Serviceschnittstellen (15) wieder.
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In 5 ist eine mögliche Gestaltung eines Sektors (7) mit den abgrenzenden Konstruktionselementen (6), einer Aufnahmevorrichtung (8), einer möglichen Position des Verriegelungsmechanismus (9) und einer geeigneten Anordnung der vereinheitlichten Schnittstellen (10) gezeigt.
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6 zeigt bevorzugte Anordnungen mehrerer Gerätesysteme zur Bildung größerer Einheiten, wobei die Kopplung (11) übergemeinsame Sammelleitungen (12) erfolgt. Die externen Anschlüsse (13) sind bevorzugt in axialer oder radialer Richtung an einem oder beiden Stirnbereichen (3b) der Gerätesysteme angeordnet.
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Zusammenfassung
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Modulare Plattform für Kleinprozesstechnik
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Die Erfindung löst die Aufgabe, ein modulares Gerätesystem für die Kleinprozesstechnik zu schaffen, mit der verschiedene Systembausteine mit vereinheitlichter Geometrie und vereinheitlichten Anschlüssen auf einfache und schnelle Weise zu einem Gesamtsystem als Standgerät oder wandhängendes Gerät für die Nutzung in Gebäuden, Containern oder im Freien integriert werden können, wobei sicherheitstechnische Aspekte durch eine systemimmanente Kapselung der medienführenden Leitungen, durch eine weitgehend hermetische Trennung von Leitungsbündeln mit unterschiedlichen Medien und die Ausbildung von Kanälen für die Spülung des Systeminnenraums berücksichtigt werden. Erreicht wird dies dadurch, dass eine äußere Systemgrenze (1), die das System gegen die Systemumgebung abgrenzt, und eine innere Systemgrenze (2) das System in mindestens einer Querschnittsebene in einen äußeren Bereich (3) und einen inneren Bereich (4) teilen, welche jeweils in einen oder mehrere Sektoren (7) unterteilt sind, wobei in die Sektoren ein oder mehrere Systembausteine (5) eingesetzt werden können, welche durch Leitungen (5b) zur Stoff-, Signal-, Daten- oder Energieübertragung untereinander oder mit der Systemumgebung verbunden sind und mindestens ein Systembaustein (5) zur Ausführung eines physikalischen, chemischen, biologischen oder mechanischen Prozesses oder einer Kombination derselben dient.
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Derartige modulare Plattformen dienen der Bereitstellung eines universellen Gerätesystems, das den verschiedenen Anforderungen der Kleinprozesstechnik hinsichtlich Sicherheit, Robustheit, Modularität und Servicefreundlichkeit in einem einzigen Systemkonzept Rechnung trägt und so den Aufbau hochkompakter, vollintegrierter Klein- und Kleinstfabriken in zahlreichen Anwendungsfeldern ermöglicht.
(1)
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Bezugszeichenliste
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- 1
- äußere Systemgrenze
- 2
- innere Systemgrenze
- 3
- äußerer Bereich
a. äußerer Mantelbereich
b. äußerer Stirnbereich
- 4
- innerer Bereich
- 5
- Systembaustein
a. Funktionsmodul
b. Leitungsbaugruppe
- 6
- Konstruktionselement
a. Trennwand
b. Verstrebung
- 7
- Sektor
- 8
- Aufnahmevorrichtung
- 9
- Verriegelungsmechanismus
- 10
- Schnittstellen, Anschlüsse der Systembausteine
- 11
- Kopplung mehrerer Gerätesysteme
- 12
- Sammelleitung
- 13
- Externe Anschlüsse
- 14
- Anzeige- oder Bedienelemente
- 15
- Serviceschnittstelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0688242 [0006]
- DE 3609929 [0008]
- DE 19545252 A [0009]
- WO 200006291 [0011]
- DE 102005028897 A [0012]
