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In der Chemie besteht häufig die Anforderung kleine Flüssigkeitsmengen sehr genau und reproduzierbar zu dosieren, um Stöchiometrien chemischer Reaktionen genau einzustellen, oder um Analysevorrichtungen ohne Laborausrüstungen zu kalibrieren.
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Die dazu erforderlichen Dosiereinrichtungen müssen schäumende, ausgasende oder aggressive Medien beherrschen und auf Anhieb und dauerhaft genaue und reproduzierbare Dosierergebnisse liefern.
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Sie müssen im industriellen Umfeld einsetzbar sein, d.h. unempfindlich gegen aggressive Atmosphäre und bei einer Montage auf beweglichen Einheiten, wie Fahrzeugen, Schiffen oder Flugzeugen auch unempfindlich gegen Neigung oder Erschütterung.
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Übliche Dosiereinrichtungen sind für einen kontinuierlichen Einsatz ausgelegt, sie erzielen bei der ersten Dosierung nach längeren Stillstandzeiten keine genauen Ergebnisse oder sie sind so komplex aufgebaut, dass ein speziell geschultes Bedienpersonal erforderlich ist.
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Dieser Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung einer Kolbendosierung zur exakten Dosierung von Flüssigkeiten mit einfachen Mitteln vorzuschlagen, wobei die folgenden Rahmenbedingungen erfüllt sein sollen:
- a) auch nach langem Stillstand muss das Dosierergebnis auf Anhieb korrekt sein
- b) durch die Wahl geeigneter Materialien werden aggressive Medien beherrscht.
- c) der Ablauf der Dosierung stellt sicher, dass das Dosierergebnis unempfindlich ist gegen Schaum oder Ausgasungen.
- d) die eingesetzten Komponenten erlauben den Einsatz in aggressiver Umgebung (z.B. salzhaltige Atmosphäre)
- e) die Konstruktion ist unempfindlich gegen Neigung von 40° gegenüber der empfohlenen Einbaulage.
- f) die Konstruktion ist unempfindlich gegen Erschütterungen
- g) der Ablauf der Dosierung stellt sicher, dass ein Nachtropfen ausgeschlossen ist und das Dosierergebnis nicht dadurch nachträglich verfälscht wird.
- h) optional ist eine totraumarme Ausführung möglich.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Eine vorteilhafte Weiterbildung ist in dem Unteranspruch angegeben.
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Demgemäß wird eine Vorrichtung zur Durchführung einer Kolbendosierung zu exakten Dosierung von Flüssigkeiten, aufweisend
- – einen Zylinder,
- – einen darin geführten, motorisch angetriebenen Hohlkolben mit einem stirnseitig ausgebildeten Hohlraum und mit einem im Inneren verlaufenden Verbindungs kanal zwischen dem Hohlraum und einer Austrittsöffnung in seiner Wan dung,
- – eine von der Austrittsöffnung im Hohlkolben abgehende erste Verbindungslei tung,
- – ein 2-Wege-Umschaltventil, das an der ersten Verbindungsleitung ange schlossen ist und welches mit einem Vorratsbehälter für die zu dosierende Flüs sigkeit in Verbindung steht,
- – eine mit dem Umschaltventil verbundene zweite Verbindungsleitung mit auf ihrem Ende sitzender Einspritzdüse, vorgeschlagen,
wobei das Umschaltventil in einer Stellung die Verbindung zwischen Vorratsbehälter und Verbindungskanal einerseits und in der anderen Stellung die Verbindung zwischen Verbindungskanal und Einspritzdüse andererseits bereitstellt.
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Der Dosierbetrieb läuft folgendermaßen ab:
- 1. Der Hohlkolben wird motorisch in die untere Grundstellung verfahren, das heißt der Kolben wird vollständig in den Zylinder gedrückt. Das Umschaltventil ist dabei spannungsfrei. Dadurch wird die Verbindung nach Ziff. 2 hergestellt.
- 2. Das Umschaltventil wird so betätigt, dass die Verbindung zwischen dem Vorratsbehälter und dem Verbindungskanal im Hohlkolben hergestellt ist.
- 3. Der Hohlkolben wird motorisch nach oben bewegt und saugt dabei Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter in den Zylinder. In der obersten Position wird der Hohlkolben angehalten.
- 4. Der Hohlkolben wird um einen vorgewählten Weg nach unten verfahren. Dabei sammeln sich die Gasblasen oder Schaum, die bzw. der mit in den Zylinder gesaugt worden sind bzw. ist, in dem Hohlraum in der Stirnfläche des Hohlkolbens und werden durch den Verbindungskanal verdrängt. Dabei ist das Umschaltventil noch immer so geschaltet, dass eine Verbindung zwischen dem Vorratsbehälter und dem Verbindungskanal offen ist. Danach ist der Verbindungskanal, die erste Verbindungsleitung und das Umschaltventil vollständig mit der Flüssigkeit geflutet.
- 5. Das Umschaltventil wird nun so betätigt, dass eine Verbindung zwischen dem Verbindungskanal im Hohlkolben und einer Einspritzdüse an der zweiten Verbindungsleitung hergestellt wird.
- 6. Der Kolben wird motorisch wieder in Richtung der unteren Grundstellung verfahren und verdrängt dabei eine definierte Flüssigkeitsmenge durch den Verbindungskanal in die zweite Verbindungsleitung (Dosierleitung). Die Flüssigkeit wird in der Einspritzdüse beschleunigt und in einen Zielbehälter abgestrahlt.
- 7. Sobald der Kolben seine Zielposition erreicht hat, wird er wieder ein Stück weit nach oben verfahren, wodurch ein definierter Strömungsabriss an der Einspritzdüse erreicht wird. Durch weiteres Verfahren nach oben wird die Dosierleitung leergesaugt.
- 8. Nun wird das Umschaltenventil wieder zurückgeschaltet, so dass wieder eine Verbindung zwischen dem Vorratsbehälter und dem Verbindungskanal im Hohlkolben hergestellt wird.
- 9. Der Hohlkolben wird wieder motorisch in die Grundstellung verfahren und entleert auf diese Weise den Zylinder in den Vorratsbehälter.
- 10. Die vorbeschriebenen Verfahrensschritte ab Ziff. 2 werden bei den nächsten Dosierungen wiederholt. Ziff. 1 wird nur nach einem Spannungsausfall durchgeführt.
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Nachfolgend wird auf die oben angegebenen Rahmenbedingungen Bezug genommen:
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Zur Anforderung a)
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Nach dem Einschalten oder nach einer Spannungsunterbrechung sucht sich das Dosiergerät selbsttätig seine Grundstellung. Diese Grundstellung wird als 0-Position gespeichert. Bei jeder Dosierung wird zunächst das Medium angesaugt und die mitgeförderten Gasanteile im Hohlraum des Hohlkolbens gefangen, da sie leichter sind als das Medium. Bei höher viskosen Medien kann ggf. eine Wartezeit eingestellt werden, um den Gasblasen Zeit zu geben, um nach oben zu steigen. Anschließend wird das Gas in einer Abwärtsbewegung aus dem Zylinder, dem Hohlkolben und der ersten Verbindungsleitung so weit verdrängt, bis das Umschaltventil vollständig geflutet ist. Nach der Umschaltung des Ventils wird die Abwärtsbewegung fortgesetzt und die gewünschte Menge des Mediums nun in die zweite Verbindungsleitung (Dosierleitung) verdrängt. Das Volumen der Dosierleitung wird dabei berücksichtigt. Sobald die Zielposition der Abwärtsbewegung erreicht ist, fährt der Kolben wieder nach oben und saugt das Medium aus der Dosierleitung zurück. Da es sich um eine Kapillare mit geringem Querschnitt handelt, kommt es nur zu äußerst geringen Anhaftungen, die bei der nächsten Dosierung die Menge verfälschen. Die Größe dieser Verfälschung hängt vom Durchmesser der Dosierkapillare und von ihrer Länge ab.
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Zur Anforderung b)
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Die medienberührten Teile der Dosiereinrichtung werden vorzugsweise aus PTFE gefertigt. PTFE ist gegen die meisten Chemikalien beständig.
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Zur Anforderung c)
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Während der Ansaugphase entsteht im Zylinder ein leichter Unterdruck, der den Auftritt von Schaum begünstigt. Während der Entgasungsphase werden die Druckverhältnisse jedoch umgekehrt, so dass aufgetretener Schaum teilweise wieder in sich zusammenfällt. Der übrige Schaum wird während der Entgasung ausgetrieben. Bei der eigentlichen Dosierung entsteht durch den Strömungswiderstand der Dosierdüse ebenfalls ein Überdruck, der erneute Schaumbildung verhindert. Schaum, der nach Abschluss der Dosierung entsteht, wird wieder in den Zylinder zurückgesaugt.
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Bei ausgasenden Medien, also einer Gasentwicklung aufgrund chemischer Zersetzung, lässt sich eine geringfügige Verfälschung des Dosierergebnisses nicht vermeiden, falls die Zersetzung auch unter Überdruck erfolgt. Die Verfälschung ist jedoch gering, da nur die Gase zu einer Verfälschung führen, die während des kurzen Zeitraums der eigentlichen Dosierung entstehen.
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Zur Anforderung d)
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Die Möglichkeit zum Einsatz in aggressiver Atmosphäre wird dadurch erreicht, dass die Dosiereinrichtung in ein geeignetes Gehäuse eingebaut wird. Kabel und Schlauchdurchführungen können gasdicht ausgeführt werden. Zusätzlich werden elektronische Bauteile mit einer Schutzlackierung versehen.
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Zur Anforderung e)
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Die empfohlene Einbaulage ist so, dass der Kolben vertikal bewegt wird. Aufgrund des 45°-Konus im Hohlkolben ist sichergestellt, dass Gasblasen auch dann gefangen und ausgetrieben werden können, wenn die Dosiereinrichtung gegenüber der Vertikalen geneigt betrieben wird. Dies kann vor allem auf Fahrzeugen und Schiffen der Fall sein.
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Zur Anforderung f)
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Der Zylinder und das Umschaltventil sind auf einer Montageplatte vibrations- und erschütterungsfest verankert. Der Kolben wird mechanisch so geführt, dass er nicht komplett aus dem Zylinder ausgezogen werden kann und dass er nicht im Zylinder verdreht werden kann. Vibrationen oder Erschütterungen fördern das Aufsteigen der Gasblasen in Zylinder und Hohlkolben und erleichtern so die Entgasung. Da nach der Dosierung kein Medium mehr in der Dosierleitung vorhanden ist, kann auch keines durch Erschütterungen austreten.
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Zur Anforderung g)
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Nach der Dosierung wird der Kolben sofort wieder nach oben bewegt. Dadurch entsteht ein definierter Strömungsabriss und die Dosierleitung wird im weiteren Verlauf leer gesaugt. Dadurch ist ein Nachtropfen sicher verhindert.
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Zur Anforderung h)
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Falls eine totraumarme Ausführung erforderlich ist, kann der Zylinderboden mit dem Gegenstück des Konus im Hohlkolben ausgerüstet werden. Dadurch wird in tiefster Position das Medium komplett aus dem Zylinder verdrängt. Nur die Kolbenbohrung und der Schlauch bleiben mit Medium beaufschlagt.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsfom weist der stirnseitige Hohlraum des Hohlkolbens einen kegelförmigen Querschnitt auf.
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Die Erfindung wird beispielhaft anhand der einzigen Zeichnungsfigur näher erläutert.
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Diese zeigt den prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung.
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Kernstück der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Zylinder 1 mit darin geführtem Hohlkolben 2. Dieser weist stirnseitig einen ausgebildeten Hohlraum 3 auf, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen kegelförmigen Querschnitt aufweist. Der Hohlkolben 2 weist darüber hinaus in seinem Inneren einen Verbindungskanal 5 zwischen diesem Hohlraum 3 und einer Austrittsöffnung 6 in seiner Wandung auf. Von der Austrittsöffnung 6 führt eine erste Verbindungsleitung 7 zu dem 2-Wege-Umschaltventil 4. Das Umschaltventil 4 ist über eine weitere Verbindungsleitung 11 mit dem Vorratsbehälter 8 verbunden, in der die zu dosierende Flüssigkeit bevorratet ist.
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Das Umschaltventil 4 schaltet zwischen zwei Schaltstellungen. In der ersten Stellung verbindet es den Vorratsbehälter 8 mit dem Zylinder 1 zum Ansaugen der zu dosierenden Flüssigkeit. In der zweiten Stellung verbindet das Umschaltventil 4 den Zylinder 1 mit einer Einspritzdüse 10, die am Ende der zweiten Verbindungsleitung 9 sitzt.
