DE60106594T2 - Pumpe zum fördern von flüssiggas - Google Patents

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das Pumpen von Flüssiggas, und im Besonderen eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zum Pumpen von Flüssiggas, vorzugsweise unter hohem Druck, sowie ein System bzw. ein Verfahren zum Herstellen von Polymerprodukten, das diese Vorrichtung bzw. das Verfahren zum Pumpen von Flüssiggas aufweist.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Herkömmliche Pumpen zum Pumpen von Flüssiggas bei hohem Druck weisen verschiedene Kolben und Membranpumpen auf. Diese Pumpen laufen kontinuierlich, wobei sie oftmals mehrere Kolben und Membranen benutzen, die von einem gemeinsamen Antriebsmittel angetrieben werden.
  • Daneben sind sogenannte Spritzenpumpen bekannt, zum Beispiel auf dem Gebiet der CLAP (HochleistungsFlüssigchromatographie), die ebenfalls zum Pumpen von Flüssiggas benutzt werden, zum Beispiel Kohlendioxid unter hohem Druck, aber in sehr kleinen Mengen. Diese Pumpen werden für das kontinuierliche Pumpen für oftmals lange Zeit (bis zu mehreren Stunden) benutzt.
  • Ein Nachteil dieser bekannten Pumpen ist, dass sie nicht für das Pumpen kurzer Zeitintervalle geeignet sind und zwischenzeitlich überhaupt nichts pumpen. Dies ist sicherlich durch das Benutzen einer kontinuierlichen Pumpe zu lösen, die ein einstellbares Ventil zur Bestimmung der Menge von gepumpter Flüssigkeit in der offenbarten Weise bereitstellt. Dies führt jedoch zu zwei weiteren Problemen; erstens wird dies übermäßig teuer, weil die Pumpe kontinuierlich Energie verbraucht, und zweitens wird das Pumpensystem mit Hitzeenergie versorgt, was zu einer Kavitation des Kohlendioxid führen kann, wobei keine akkurat steuerbare Flüssiggasmenge gepumpt werden kann.
  • Die Probleme der Kavitation und infolgedessen die sich verschlechternde Genauigkeit und Präzision der gepumpten Flüssiggasmenge, können ebenfalls aus anderen Gründen wie Hitzeübertragung zwischen zwei unterschiedlichen Gasmengen und plötzlichem Druckabfall entstehen.
  • Die Europäische Patentschrift EP-0 501 806-A1 beschreibt eine Kolbenpumpe zum kontinuierlichen Pumpen von Flüssigkohlendioxid (bei einem Druck von mehr als 500 bar), die eine Dichtungsbahn mit geringer Wärmeleitfähigkeit entlang der Innenflächen des Pumpenkörpers aufweist, um die Hitze, die während der Kompression des Flüssigkohlendioxids entsteht, nicht in den Pumpenkörper zu übertragen. Die Hitze verbleibt im Kohlendioxid, das weggepumpt wird und die Pumpe während der Kompression verlässt. Wenn der folgende Pumpkreislauf beginnt, wird das Kohlendioxid nicht der verbleibenden Hitze ausgesetzt und verbleibt somit in der Flüssigphase.
  • Wenn der Druck der Kohlendioxidquelle höher als 60 bis 70 bar ist, besteht jedoch die Gefahr der Kavitation, weil Kohlendioxid bei diesem Druck sehr nah an seinen Kochpunkt gelangt. Dieses Problem wird mittels eines Vorkühlers gelöst.
  • Ein weitere Art zum Vermeiden, dass Kohlendioxid im Pumpenkörper kocht, umfasst das Zirkulieren eines Kühlmittels, zum Beispiel Flüssiggas, Kühlwasser oder Glykol um den Körper zum Kühlen desselben, siehe beispielsweise US-Patentschriften 2,439,957 und 2,439,958.
  • Diese Weisen zum Vermeiden, dass Kohlendioxid im Pumpenkörper kocht, sind unnötig kompliziert, raumeinnehmend und/oder teuer. Des Weiteren löst dies nicht die oben genannten Probleme mit kontinuierlichem Energieverbrauch bei diskontinuierlicher Nutzung der Pumpe.
  • KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Pumpen einer akkurat und präzise steuerbaren Flüssiggasmenge bereitzustellen, die mindestens einige der Probleme löst, die im Stand der Technik vorliegen.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Pumpen einer akkurat und präzise steuerbaren Flüssiggasmenge bereitzustellen, wobei die Kavitation des Flüssiggases weitestgehend verhindert wird.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum diskontinuierlichen Pumpen einer akkurat und präzise steuerbaren Flüssiggasmenge.
  • Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Pumpen einer akkurat und präzise steuerbaren Flüssiggasmenge, wobei die Pumpgeschwindigkeit während einer einzigen Kolbenbewegung veränderbar einstellbar ist.
  • Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist ein System und ein Verfahren zum Herstellen von Polymerprodukten, wobei die Vorrichtung bzw. das Verfahren zum Pumpen von Flüssiggas enthalten sind.
  • Diese und weitere Aufgaben werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch Vorrichtungen und Verfahren wie in den Patentansprüchen beansprucht, erfüllt.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Flüssiggasmenge, die während einer einzigen Kolbenbewegung gepumpt wird, akkurat und präzise einstellbar ist, wobei die Pumpe während der Kolbenbewegung an sich verändert werden kann.
  • Weitere Vorteile der Erfindung und Merkmale derselben werden aus der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ersichtlich.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung wird unten bezüglich 1 bis 5 weiter beschrieben, die einzeln dargestellt werden, um die Erfindung zu illustrieren, diese jedoch in keinster Weise einschränken.
  • 1 zeigt schematisch in einem Querschnitt eine Vorrichtung zum Pumpen von Flüssiggas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 2 zeigt schematische ein Blockschema eines Systems zum Herstellen von Polymerprodukten, wobei das System eine Vorrichtung zum Pumpen von Flüssiggas wie in 1 gezeigt aufweist.
  • 3a bis c sind Diagramme, die typische Werte in willkürlichen Einheiten der Flüssiggasmenge, die pro Zeiteinheit als Zeitfunktion gepumpt werden, für die Pumpenvorrichtung wie in 2 (durchgezogene Linien) dargestellt, aufzeigt. 3c zeigt ebenfalls typische Werte eines weichgemachten Polymer, der durch die Zeiteinheit als Zeitfunktion versorgt wird, zum Herstellen eines Polymerprodukts wie in 2 (gestrichelte Linie) dargestellt.
  • 4 zeigt in einem schematischen Querschnitt eine Vorrichtung zum Pumpen von Flüssiggas gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 5 ist ein Diagramm, das typische Werte in willkürlichen Einheiten einer Flüssiggasmenge veranschaulicht, die pro Zeiteinheit als Zeitfunktion für die in 1 gezeigte (durchgezogene Linie) Vorrichtung und für die in 4 (gestrichelte Linie) gezeigte Vorrichtung gepumpt werden.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • In der folgenden Beschreibung werden mit dem Zweck des Erklärens und keinesfalls Einschränkens der Erfindung spezifische Einzelheiten gegeben, wie spezielle Anwendungen, Techniken etc., damit ein erschöpfendes Verständnis der Erfindung gegeben ist. Es soll jedoch für den Fachmann ersichtlich sein, dass die Erfindung in anderen Ausführungen als den vorliegenden vorgenommen werden kann.
  • Die Erfindung wird im Folgenden näher beschrieben mit Bezug auf 1, die in einer schematischen Querschnittsansicht eine erste Ausführungsform einer Pumpe 1 gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • Die Pumpe umfasst einen Pumpenkörper oder Zylinder 3 mit einer zylindrischen Bohrung 5, die eine Pumpenkammer bildet. Die Pumpenkammer 5 ist mit einem Einlass 7 ausgestattet, der an eine CO2-Quelle (nicht dargestellt in 1) angeschlossen ist. Die Quelle kann ein herkömmlicher Gasdurchlass mit Flüssigkohlendioxid bei Raumtemperatur und einem Druck von ungefähr 60 bar sein, ist aber vorzugsweise ein Ringkanalsystem, wobei Kohlendioxid in einer besser kontrollierten Weise gespeichert werden kann. Am Einlass 7 ist ein Rückschlagventil 9 angeordnet, das verhindert, dass Kohlendioxid aus der Kammer 5 durch den Einlass fließt. In der Vorwärtsrichtung öffnet sich das Ventil 9 vorzugsweise bei einem Druck von 0,5 bar.
  • Die Pumpenkammer ist weiterhin mit einem Auslass 11 ausgestattet, durch den das Kohlendioxid aus der Kammer gepumpt wird. Am Auslass 11 ist ein Ventil 13 angebracht, zum Beispiel ein Federschluss-Rückschlagventil, dass sich vorzugsweise bei einem vorbestimmten Druck, zum Beispiel 80 bar in die Vorwärtsrichtung öffnet sowie in der gegengesetzten Richtung komplett schließt.
  • Der Fachmann sollte jedoch beachten, dass andere Ventile, zum Beispiel ferngesteuerte Ventile benutzt werden können, um diese Funktionalität zu erreichen. Die vorliegende Erfindung umfasst selbstverständlich den Gebrauch solcher Ventile.
  • Die Pumpenvorrichtung 1 umfasst weiterhin einen Kolben oder Nadel 15, der in der zylindrischen Bohrung 5 des Pumpenkörpers angebracht ist und zwischen einer vorderen und einer hinteren Position axial beweglich ist, wie in 1 mittels eines doppeltgerichteten Pfeils 17 dargestellt. Wenn der Kolben nach hinten bewegt wird, vergrößert sich das Volumen der Pumpenkammer, und wenn der Kolben nach vorne bewegt wird, verringert sich das Volumen der Pumpenkammer. Die Volumenänderung ist durch die Kolbenverschiebung wie in 1 durch einen gegebenen Querschnittsbereich des Kolbens 15 als L dargestellt, gegeben.
  • Um bei hohem Druck zu arbeiten, weist die Pumpe eine Dichtung (nicht dargestellt in 1) auf, die zwischen dem Kolben und der Pumpenkörperwand abdichtet. Es ist selbstverständlich wichtig, dass die Dichtung eine gute Widerstandsfähigkeit gegenüber Durchlässigkeit und/oder Diffusion durch Kohlendioxid aufweist, so dass das Risiko, dass die Dichtung sich auf weitet oder die Pumpenfunktionalität verhindert wird, sehr niedrig ist. Eine bevorzugte Ausführung der Pumpenvorrichtung 1 hält einem Druck von bis zu 500 bar stand.
  • Der Kolben wird durch ein Antriebsmittel 19 bewegt, insbesondere durch einen Linear-Elektro-Motor mittels eines Übertragungsmittels, das in 1 schematisch durch 21 dargestellt wird. Die Übertragung kann zum Beispiel hydraulisch oder pneumatisch sein. Es sollte jedoch für den Fachmann ersichtlich sein, dass jedes gegebene Antriebsmittel mit einer Kraftübertragung, das dazu fähig ist, eine lineare Bewegung des Kolbens 15 zu erzeugen, für die vorliegende Erfindung verwandt werden kann. Zum Beispiel kann ein Regelgerät mit einer Zahnstangenverzahnung zum Antreiben des Kolbens 15 benutzt werden.
  • Das Antriebsmittel 19 wird mittels eines Steuermittels 23 gesteuert, das über die geeignete Software mittels Signalen eines Steuerkanals 25 verfügt. Insbesondere kann die Pumpenvorrichtung so angebracht werden, dass die Bewegung des Kolbens 15 abhängig von Veränderungen in den Amplituden oder Amplitude der Signale erreicht wird. Weiterhin ist/sind das Antriebsmittel 19 und/oder Steuermittel 25 mit A/D und D/A Konvertern ausgestattet, wenn notwendig (nicht in 1 dargestellt).
  • Das Steuermittel ist weiterhin eine bidirektionale Trennfläche 27 zur Kommunikation mit zum Beispiel einem Betreiber der Pumpe oder mit einem anderen Steuersystem wie zum Beispiel ein Steuermittel zur Steuerung eines Herstellungsprozesses von mikrozellularen Polymer-Produkten. Diese Ausführungsform wird unten in Bezug auf 2 näher beschrieben.
  • Die Funktion der Pumpe wird im Folgenden kurz beschrieben, wobei bei der Position angefangen wird, in der der Kolben 15 vollständig vorwärts bewegt wird und das Volumen der Pumpenkammer, das sogenannte Todvolumen, minimal ist, wobei angenommen wird, dass dieses Todvolumen Flüssigkohlendioxid enthält. Um die Kammer mit Flüssigkohlendioxid zu füllen, wird die Kraft, mit der der Kolben in seiner vorgeschobenen Position gehalten wird, so verringert, dass der Druck au die Kohlendioxidquelle ausreichend ist, so dass Flüssigkohlendioxid in die Kammer 5 fließt und den Kolben nach hinten drückt. Die Kraft zur Balance des Kolbens 15 während der Einlassphase ist notwendig, um sicherzustellen, dass der Einlass von Kohlendioxid langsam verläuft. Auf diese Weise ist die Pumpe 1 nicht selbstsaugend.
  • Je langsamer das Kohlendioxid in die Pumpe fließen kann, desto weniger Gasmenge wird in der Kammer erhalten und desto höher ist die Genauigkeit und Präzision hinsichtlich des Einlasses an Kohlendioxidmenge. In der Praxis würde die Einlaufphase eine Zeit von wenigen bis einigen Zehntelsekunden und bis zu Minuten betragen, doch dies hängt gewiss von der jeweiligen Anwendung ab. Wenn der Pumpvorgang durchgeführt wird, z.B. bei der Vorwärtsbewegung des Kolbens, kann öfter eine Multi-Kolben-Pumpe benutzt werden, die unten in Bezug auf 4 näher beschrieben wird.
  • Sobald die Pumpe eine vorbestimmte Menge von Flüssigkohlendioxid angesaugt hat (das heißt, nachdem der Kolben mit der zugehörigen Länge nach hinten bewegt worden ist), ist die Pumpe zum Pumpen von Kohlendioxid bereit.
  • Das Pumpen der Flüssigkohlendioxidmenge wird mittels einer Software in geeigneter Weise gesteuert. Die Geschwindigkeit, mit der die Kohlendioxidmenge gepumpt wird, kann auf eine vorbestimmte Weise gesteuert werden, so dass eine akkurat und präzise steuerbare Flüssigkohlendioxidmenge zu einem exakt richtigen Zeitpunkt geliefert werden kann.
  • Die Pumpe gemäß der vorliegenden Ausführungsform arbeitet also mit einem einzigen Kolbenhub, der im Folgenden bei der langsamen Rückwärtsbewegung des Kolbens wiederholt werden kann. In dieser Hinsicht wird eine diskontinuierliche Pumpenfunktion erhalten. Eine spezielle Ausführungsform der Pumpe kann bis zu 2 g/s bei der Vorwärtsbewegung des Kolbens pumpen, bei einem Druck von bis zu 500 bar (dieser Druck sollte jedoch überwunden werden, um Kohlendioxid durch den Auslass zu pumpen).
  • Die Höchstmenge, die gepumpt werden kann (während eines einzigen Kolbenhubs) ist durch die Volumenzunahme der Kammer, wenn der Kolben in die hintere Position bewegt wird, gegeben, die bei einem gegebenen Querschnittsbereich des Kolbens durch die Kolbenbewegung die Länge L ist. In dieser Hinsicht ist es sehr wichtig, dass der Kolben langsam in die hintere Position bewegt wird, damit das Kochen des Kohlendioxids verhindert wird (das heißt, es kommt nicht zur Kavitation). Deshalb wird der Kolben vorzugsweise bei einer Geschwindigkeit bewegt, bei der das Flüssiggas langsamer als 10, 5, 3 oder 2 g/s in die Kammer fließt. In einer Ausführung der Erfindung fließt das Flüssiggas mit einer Geschwindigkeit von 1 g/s in die Pumpenkammer.
  • In der Kammer liegt immer einen Zwei-Phasen-Fluss vor, sehr kleine Gasmengen stellen jedoch kein ernstes Problem dar, da zum Einen die eingelaufene Kohlendioxidmenge etwas geringer sein wird (gegeben durch die Dichte des Gases im Vergleich zu der Dichte der Flüssigkeit), und zum Anderen die Gasmenge direkt kondensiert wird, sobald der Druck steigt und der Kolben vorwärts bewegt wird.
  • Die Pumpe kann weiterhin einen Positionssensor 29 umfassen, der in geeigneter Weise die exakte Position des Kolbens 15 misst und ein Positionssignal mittels einer Signalleitung 31 zum Steuermittel 23 überträgt. Die vorliegende Erfindung stellt also eine sehr akkurate und präzise Steuerung der Kohlendioxidmenge bereit, die während eines Kolbenhubs gepumpt wird, und diese Steuerung kann sogar noch gesteigert werden, indem ein Steuermittel mit dieser Rückmeldung bereitgestellt wird, wobei das Positionssignal, wenn die gemessene Position des Kolbens nicht mit der errechneten Position des Steuermittels übereinstimmt, die Steuerung der Kolbenbewegung in Echtzeit kompensieren kann.
  • Des Weiteren wird die Kohlendioxidquelle, sei es eine Flasche oder ein Ringleitungssystem, vorzugsweise oberhalb, insbesondere weit oberhalb der Pumpe an sich angeordnet. In dieser Hinsicht verhindert der hydrostatische Druck, der in der Flüssigspalte auftritt, das Kochen von Kohlendioxid oder vermindert zumindest die Kohlendioxidmenge, die kocht.
  • In einer alternativen Ausführung wird ein Kühlmittel, insbesondere Flüssigkohlendioxid, Kühlwasser oder Glykol durch Durchgänge (nicht dargestellt in 1) entlang der Außenseite des Pumpenkörper zum Kühlen desselben und zur weiteren Verminderung der Kochgefahr geleitet.
  • 2 zeigt ein System 41 zum Spritzgießen von Zellkunststoff-Ausschnitten in einem Hohlraum 43 mittels eines Spritzwerkzeugs 45. Dieses System umfasst eine Vorrichtung 47 zum Plastifizieren und Zuführen eines Rohstoff-Polymers (durch Pfeil 49 aufgezeigt) und einer Schraube zum Zuführen und Plastifizieren (schematisch durch Pfeil 51 aufgezeigt), wobei die Schraube durch ein Antriebsmittel 53, das durch ein Steuermittel 55 oder weitere Steuermittel, die mit geeigneter Software ausgestattet sind, gesteuert wird. Das plastifizierte Polymer wird des Weiteren einer Mischkammer oder einem Mischer 57 zugeführt, wobei Flüssigkohlendioxid in einer gesteuerten Weise geliefert wird, wie weiter unten beschrieben. Das Polymer und der Kohlendioxid werden gemischt, wobei die Mischung weiterhin einem Kolbensystem 59 zur Erhöhung des Drucks zugeführt wird. Wenn der Ausschnitt schließlich geformt werden soll, wird ein Ventil 61 geöffnet und die Mischung kann in den Hohlraum 43 des Formwerkzeugs 45 zum Herstellen eines Zellkunststoff-Ausschnitts eingespritzt (geschäumt) werden, das heißt, eines Plastikausschnitts mit sehr kleinen gasgefüllten Mikrozellen, die üblicherweise eine Größe von wenigen Mikrometern oder weniger aufweisen. Diese Plastikausschnitte weisen ein wesentlich geringeres Gewicht auf als entsprechende homogene Ausschnitte, gleichzeitig kann die mechanische Stärke jedoch gleich gut sein, oder in mancher Hinsicht sogar besser.
  • Das Kohlendioxid wird mittels der in 1 dargestellten Pumpe eingeführt. In 2 wird die Pumpe 1 nur kurz dargestellt, wobei sie Pumpe 3, Pumpenkolben 15, Antriebsmittel 19 und Steuereinheit 23 aufweist. Der Einlass der Pumpe ist mit einer Kohlendioxidquelle 63 verbunden und der Auslass derselben ist mit einer Mischkammer 57 mittels eines Rückschlagventils 65 verbunden. Dieses Rückschlagventil 65 stellt sicher, dass kein Polymer in die Gegenrichtung, das heißt in Richtung Auslass der Pumpe, fließen kann.
  • Des Weiteren ist eine bidirektionale Kommunikationstrennfläche 67 zwischen der Steuereinheit 23 der Pumpe und der Steuereinheit 55 des Steuersystems der Vorrichtung 47 zum Plastifizieren und Zuführen von rohem Polymer angeordnet.
  • In einer alternativen Ausführung ist die Steuereinheit 23 und 55 aus einer einzigen Steuereinheit gebildet, und in einer weiteren alternativen Ausführung sind die Antriebsmittel 19, 53 ebenfalls aus einem einzigen Antriebsmittel gebildet.
  • Das Pumpen von Kohlendioxid wird während eines eingeschränkten Teils des Plastikformzyklus durchgeführt, wobei der Zyklus üblicherweise etwa 60 bis 150 s dauert. Das Pumpen wird vorzugsweise (Vorwärtsbewegung des Pumpenkolbens) während üblicherweise etwa 20 s durchgeführt, wobei die Pumpgeschwindigkeit von Flüssigkohlendioxid üblicherweise bei etwa 2 g/s liegt. In dieser Hinsicht dauert der Einlauf von Flüssigkohlendioxid in die Pumpe ungefähr 40 bis 130 s (Rückwärtsbewegung des Kolbens). Dieser Zeitraum ist für einige Vorgänge vollkommen angemessen (wobei das Kohlendioxid nicht kocht), aber unter anderen Umständen ist er unzureichend, so dass eine Multi-Kolbenpumpe benutzt werden kann.
  • Der Fachmann sollte weiterhin beachten, dass die Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Mehrzahl verschiedener zyklischer Herstellungsmethoden zum Herstellen von Polymerprodukten benutzt werden kann.
  • Mittels des durch die Software gesteuerten Antriebsmittels kann die Pumpgeschwindigkeit der Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung während des Kolbenhubs verändert werden. 3a bis c sind somit Diagramme, die typische Werte in willkürlichen Einheiten der Flüssiggasmenge anzeigen, die pro Zeiteinheit als Zeitfunktion gepumpt werden und die Pumpenvorrichtung wie in 2 (durchgezogene Linie) dargestellt. 3a zeigt das Ergebnis eines Pumpens bei einer konstanten Pumpgeschwindigkeit, 3b zeigt das Ergebnis eines Pumpens bei einer sich verändernden Pumpgeschwindigkeit gemäß einer Sprungfunktion und 3c zeigt das Ergebnis eines Pumpens bei einer sich ständig verändernden Pumpgeschwindigkeit – zuerst bei einer steigenden Geschwindigkeit und dann bei einer abnehmenden Geschwindigkeit – während eines Kolbenhubs.
  • 3c zeigt ebenfalls typische Werte der plastifizierten Polymermenge, die pro Zeiteinheit in einem willkürlichen Maß als eine Zeitfunktion für das System zum Herstellen von Polymerprodukten wie in 2 (gestrichelte Linie) dargestellt. Mittels einer Kommunikationstrennfläche 67 kann somit eine Synchronisierung zwischen dem Zuführen von Polymer und der Lieferung von Flüssigkohlendioxid stattfinden.
  • Eine Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung stellt nicht nur eine akkurate und präzise Steuerung der Pumpgeschwindigkeit bereit, sondern stellt ebenfalls eine flexible und variable Vorwärtsbewegung des Kolbens bereit, beispielsweise gemäß der in 3a bis c gezeigten Funktionen.
  • Bezüglich 4, die schematisch in einer Querschnittsansicht eine Vorrichtung zum Pumpen von Flüssiggas darstellt, wird nun eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geschildert.
  • Die Vorrichtung umfasst vier Pumpen 81 bis 87, die nebeneinander angeordnet sind. Jede der Pumpen 81 bis 87 ist grundsätzlich eine Pumpe wie in 1 dargestellt. Dieses Vier-Pumpen-System benutzt jedoch ein gemeinsames Antriebsmittel zur Kraftübertragung und eine gemeinsame Steuereinheit (nicht dargestellt in 4).
  • Des Weiteren umfasst das Vier-Pumpen-System ein Versorgungsleitungssystem 89, das parallel eine Flüssigkohlendioxidquelle (nicht dargestellt in 4) mit den jeweiligen Einlässen der Pumpen 81–87 und einem Auslassleitungssystem 91 verbindet, wobei parallel die jeweiligen Auslässe der Pumpen 81 bis 87 mit einer gemeinsamen Auslassleitung verbunden sind.
  • Das Antriebsmittel und die Steuereinheit werden zum Durchführen eines Pumpzyklus mit der jeweiligen Pumpe 81 bis 87 angeordnet gemäß des erfinderischen Verfahrens, das bezüglich 1 geschildert wurde. Das Pumpsystem wird vorzugsweise mit der gleichen Phasenverzögerung zwischen den einzelnen Pumpen angeordnet (wie in 4 aufgezeigt), so dass das System wie eine einzelne Pumpe wie in 1 arbeitet, aber viermal schneller ist.
  • Diese Ausführungsform eines Pumpsystems ist besonders geeignet bei einem System zum Spritzgießen eines Zellkunststoffausschnitts, in dem die Zykluszeiträume sehr kurz sind.
  • In einer weiteren Ausführung befinden sich die Kolben komplett in der Phase, so dass das System als eine einzelne Pumpe wie in 1 dargestellt arbeitet, aber eine viermal so hohe Pumpkapazität per Hub aufweist. Die vorliegende Erfindung schränkt in keiner Weise die Phasenverzögerungen zwischen den Kolben im System ein.
  • 5 ist ein Diagramm, das typische Werte in willkürlichen Einheiten der Flüssiggasmenge anzeigt, die pro Zeiteinheit als Zeitfunktion für die Vorrichtung gemäß 1 (durchgezogene Linie) und für die Vorrichtung gemäß 4 (gestrichelte Linie) gepumpt werden. Es ist offensichtlich, dass die Häufigkeit der Kolbenhübe proportional mit der Anzahl an Kolben erhöht wird.
  • Die vorliegende Erfindung wie beschrieben löst also die Probleme, die im Stand der Technik vorhanden sind. Sie ist keineswegs auf die oben beschriebenen und in den Schaubildern dargestellten Ausführungsformen eingeschränkt und kann innerhalb des Schutzbereiches der beigefügten Patentansprüche modifiziert werden.
  • Insbesondere kann die Pumpe in jeder Anwendung benutzt werden, die eine diskontinuierliche, akkurate und präzise Flüssiggaslieferung benötigt.

Claims (26)

  1. Vorrichtung zum Pumpen einer akkurat und präzise steuerbaren Flüssiggasmenge, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: – einen Pumpenkörper (3) mit einer zylindrischen Bohrung (5), die eine Pumpenkammer bildet; – einen Kolben (15), der in der Bohrung des Pumpenkörpers angeordnet ist und zwischen einer vorderen und einer hinteren Position axial beweglich ist; – ein Antriebsmittel (19, 21) zur Bewegung des Kolbens zwischen der vorderen und der hinteren Position; – einen Einlass (7) zu der Pumpenkammer, wobei der Einlass mit einer Flüssiggasquelle verbunden werden kann; und – einen Auslass (11) aus der Kammer, wobei – Flüssiggas von der Quelle durch den Einlass in die Pumpenkammer geleitet werden kann, während das Antriebsmittel den Kolben von der vorderen zur hinteren Position bewegt und Flüssiggas durch den Auslass aus der Pumpenkammer herausgepumpt werden kann, während das Antriebsmittel den Kolben von der hinteren zur vorderen Position bewegt, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Steuermittel (23) zur Steuerung des Antriebsmittels angeordnet ist, um – den Kolben ausreichend langsam von der vorderen Position zur hinteren Position zu bewegen, um ein Kochen des Flüssiggases, das in die Pumpenkammer geleitet wird, im Wesentlichen zu vermeiden; und – den Kolben mit einer veränderbar regelbaren Geschwindigkeit von der hinteren zur vorderen Position zu bewegen, wobei die Flüssiggasmenge, die durch den Auslass gepumpt wird, akkurat und präzise gesteuert werden kann.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Steuermittel so angeordnet ist, dass es das Antriebsmittel dahingehend steuert, den Kolben mit einer derartigen Geschwindigkeit von der vorderen Position zur hinteren Position zu bewegen, dass Flüssiggas mit einer Geschwindigkeit von weniger als 10 g/sek in die Pumpenkammer geleitet wird.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Steuermittel so angeordnet ist, dass es das Antriebsmittel dahingehend steuert, den Kolben mit einer derartigen Geschwindigkeit von der vorderen Position zur hinteren Position zu bewegen, dass Flüssiggas mit einer Geschwindigkeit von weniger als 5 g/sek in die Pumpenkammer geleitet wird.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Steuermittel so angeordnet ist, dass es das Antriebsmittel dahingehend steuert, den Kolben mit einer derartigen Geschwindigkeit von der vorderen Position zur hinteren Position zu bewegen, dass Flüssiggas mit einer Geschwindigkeit von weniger als 3 g/sek, vorzugsweise von weniger als 2 g/sek und insbesondere mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 g/sek in die Pumpenkammer geleitet wird.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 4, wobei die Vorrichtung für ein diskontinuierliches Pumpen des Flüssiggases angeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 4, wobei die Vorrichtung eine Einzelhubpumpe ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 6, die des Weiteren einen Positionssensor (29) umfasst, der mittels einer einzelnen Leitung (31) mit dem Steuermittel verbunden ist, wobei der Positionssensor zur Messung der Position des Kolbens und zur Übertragung der gemessenen Position zum Steuermittel angeordnet ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 7, die des Weiteren einen Durchgang entlang der Außenseite des Pumpenkörpers umfasst, der für den Transport eines Kühlmediums, insbesondere eines Flüssiggases, und somit zur Kühlung des Pumpenkörpers angeordnet ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 8, wobei das Antriebsmittel einen Linearmotor umfasst.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 9, wobei das Antriebsmittel für einen hydraulischen Antrieb des Kolbens angeordnet ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 10, wobei der Einlass für den Anschluss an eine Flüssiggasquelle angeordnet ist und sich die Quelle oberhalb, insbesondere weit oberhalb, des Pumpenkörpers befindet.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 11, wobei der Einlass mit einem Ventil versehen ist, das so angeordnet ist, dass es bei einem vorherbestimmten Druck in Richtung zur Pumpenkammer hin öffnet, und das in Richtung von der Pumpenkammer weg geschlossen ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 12, wobei der Auslass mit einem Ventil versehen ist, das so angeordnet ist, dass es bei einem vorherbestimmten Druck in Richtung von der Pumpenkammer weg öffnet, und das in Richtung zur Pumpenkammer hin geschlossen ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 13, wobei das Flüssiggas Kohlendioxid ist.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 14, wobei der Auslass mit einem System zur Herstellung von Polymerprodukten verbunden werden kann.
  16. Pumpensystem, das mindestens zwei Pumpen (81, 83, 85, 87) der in einem der Ansprüche 1 – 15 beanspruchten Vorrichtung umfasst.
  17. Pumpensystem nach Anspruch 16, wobei die Einlässe aller Vorrichtungen mit Hilfe eines Versorgungsleitungssystems (89) und die Auslässe aller Vorrichtungen mit Hilfe eines Auslassleitungssystems (91) verbunden sind.
  18. Verfahren zum Pumpen einer akkurat und präzise steuerbaren Flüssiggasmenge mit Hilfe einer Pumpe, die Folgendes umfasst: einen Pumpenkörper (3) mit einer zylindrischen Bohrung (5), die eine Pumpenkammer bildet, einen Kolben (15), der in der Bohrung des Pumpenkörpers angeordnet ist und zwischen einer vorderen und einer hinteren Position axial beweglich ist, einen Einlass (7) zu der Pumpenkammer, wobei der Einlass mit einer Flüssiggasquelle verbunden werden kann, und einen Auslass (11) aus der Kammer, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Leiten von Flüssiggas von der Quelle durch den Einlass in die Pumpenkammer, wenn der Kolben von der vorderen zur hinteren Position bewegt wird, und – Herauspumpen von Flüssiggas durch den Auslass aus der Pumpenkammer, wenn der Kolben von der hinteren zur vorderen Position bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass: – der Kolben ausreichend langsam von der vorderen Position zur hinteren Position bewegt wird, um ein Kochen des Flüssiggases, das in die Pumpenkammer geleitet wird, im Wesentlichen zu vermeiden; und – der Kolben mit einer veränderbar regelbaren Geschwindigkeit von der hinteren zur vorderen Position bewegt wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Kolben mit einer derartigen Geschwindigkeit von der vorderen Position zur hinteren Position bewegt wird, dass Flüssiggas mit einer Geschwindigkeit von weniger als 10 g/sek in die Pumpenkammer geleitet wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Kolben mit einer derartigen Geschwindigkeit von der vorderen Position zur hinteren Position bewegt wird, dass Flüssiggas mit einer Geschwindigkeit von weniger als 5 g/sek in die Pumpenkammer geleitet wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Kolben mit einer derartigen Geschwindigkeit von der vorderen Position zur hinteren Position bewegt wird, dass Flüssiggas mit einer Geschwindigkeit von weniger als 3 g/sek, vorzugsweise von weniger als 2 g/sek und insbesondere mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 g/sek in die Pumpenkammer geleitet wird.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 – 21, wobei die Schritte des Leitens von Flüssiggas von der Quelle in die Pumpenkammer und des Pumpens von Flüssiggas aus der Pumpenkammer wiederholt werden, um somit eine diskontinuierliche Pumpfunktion bereitzustellen.
  23. System zur zyklischen Herstellung von Polymerprodukten, das Folgendes umfasst: eine Vorrichtung (47) zum Plastifizieren und Zuführen eines Polymers, eine Kolbenpumpe (1), die mit einer Flüssiggasquelle (63) verbunden ist, eine Mischkammer (57) und ein Formwerkzeug (45), das einen Formhohlraum (43) aufweist, wobei die Plastifizierungs- und Zuführungsvorrichtung für jeden Herstellungszyklus für eine Aufnahme eines Polymers, für eine Plastifizierung des Polymers und für eine Zuführung des plastifizierten Polymers angeordnet ist, die Pumpe zum Pumpen eines Flüssiggases angeordnet ist, die Mischkammer für eine Aufnahme des plastifizierten Polymers und des Flüssiggases sowie zum Mischen derselben angeordnet ist, und das Formwerkzeug zur Aufnahme der Mischung und zum Formen des Polymerprodukts angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe aus einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 14 besteht, wobei die Vorrichtung so angeordnet ist, dass sie pro Herstellungszyklus nur einmal einen Hub ausführt.
  24. System nach Anspruch 23, wobei die Pumpe so angeordnet ist, dass sie während eines ersten Zeitraums jedes Zyklus Flüssiggas aufnimmt und während eines zweiten Zeitraums jedes Zyklus Flüssiggas pumpt, wobei der erste Zeitraum länger als der zweite Zeitraum ist.
  25. Verfahren zur zyklischen Herstellung von Polymerprodukten, das folgende Schritte umfasst: – Bereitstellung eines Polymers; – Plastifizierung des Polymers, – Zuführen einer Flüssiggasmenge zu dem Polymer; – Mischen der Flüssiggasmenge und des Polymers; und – Einspritzen der Mischung in den Hohlraum (43) eines Formwerkzeugs, wobei die Mischung aushärten kann, dadurch gekennzeichnet, dass – die Flüssiggasmenge dem Polymer mit Hilfe eines Pumpvorgangs nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 18 – 22 zugeführt wird.
  26. Verfahren nach Anspruch 25, wobei während eines ersten Zeitraums jedes Zyklus Flüssiggas in die Kolbenpumpe geleitet wird und während eines zweiten Zeitraums jedes Zyklus Flüssiggas aus der Kolbenpumpe herausgepumpt wird, wobei der erste Zeitraum länger als der zweite Zeitraum ist.
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