EP3073112A1 - Vorrichtung und verfahren zur dosierung von fluiden - Google Patents

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EP3073112A1
EP3073112A1 EP16000673.0A EP16000673A EP3073112A1 EP 3073112 A1 EP3073112 A1 EP 3073112A1 EP 16000673 A EP16000673 A EP 16000673A EP 3073112 A1 EP3073112 A1 EP 3073112A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
metering
drive spindle
displacer
designed
compressor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16000673.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Robert Adler
Ekkehardt Klein
Christoph Nagl
Bernhard Reiter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Publication of EP3073112A1 publication Critical patent/EP3073112A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B13/00—Pumps specially modified to deliver fixed or variable measured quantities

Definitions

  • the invention relates to a device for precise metering of compressed, tempered fluids.
  • This metering device comprises a metering cylinder which is bounded on one side by a metering cylinder head, with at least one displacer channel configured as input or output channel for a working medium to be metered, and on the other side by a displacer piston and a metering volume formed between displacer piston and metering cylinder head having.
  • the device comprises an outer cooling jacket for a first cooling medium and an inner cooling jacket for a second cooling medium which surround the metering cylinder and furthermore a drive spindle which is connected on one side with the displacer and on the other side with a position sensor, which with a Position detecting means communicates.
  • the invention relates to a method for operating a metering device for metering cooled fluids, in which first a certain amount of a fluid flows into the metering volume and then flows out.
  • the metering device is particularly suitable for metering compressed and / or tempered fluids. This is especially necessary when dosing CO 2 as refrigerant (R744). As refrigerants for air conditioning systems, especially in vehicles, so far fluorinated hydrocarbons, such as R134a have been used. Due to a change in legislation, the use of these funds is now prohibited and so far no suitable agent with similar properties could be found. In the automotive industry, CO 2 is currently used increasingly as a refrigerant. Due to the other properties of CO 2 , the previous dosing devices can no longer be used. The known from the prior art metering devices for CO 2 , which is compressed and / or tempered or even liquid, are not subject to any great requirements in terms of accuracy. Thus, fluctuations in filling pressure and the dosage, for example, in the filling of polyurethane foam containers tolerable.
  • the dosage is achieved via a mass flow controller. This can achieve sufficient accuracy, but the duration of a filling process is too long and thus does not meet the requirements of the automotive industry and manufacturers of air conditioning systems.
  • the filling time of the major German automakers ranges from 10s for about 300 to about 550g of refrigerant per dosage. Approximately 15-40 fillings are processed per dosing unit in one hour.
  • the drive spindle with a drive motor which has a motor housing in conjunction and is mounted so that at least one bearing for receiving axial forces, and at least one bearing point for receiving radial forces is present and the drive spindle an end is designed so that it is a torsion-proof Having outer contour, which communicates with a non-rotating hub and an anti-rotation holder tube and the position detecting means in combination.
  • a device designed in this way can accommodate the high lifting forces which arise from the high filling pressures of 80 to 120 bar, in particular from 90 to 100 bar, and thus enables a long service life. Thanks to the integrated cooling, exact volumes can be set and exact dosing is made possible. The dosage amount is adjusted by the integrated position detection means.
  • the connection of position sensor to the position detection means or the combination of position sensor and position detection means is advantageously linear, rotary, optical or encoderless designed.
  • a preferred embodiment of the metering device also provides an additional compressor cylinder tube, which is bounded on one side by a compressor piston, which communicates with the drive spindle, and on the other side by a cylinder head, which has a suction valve and a pressure valve, and a intermediate compression space.
  • This allows a compact design of the metering device, as external compressors can be saved and the metering pressure can still be kept constant.
  • a low pressure in the storage device of the medium to be metered can be increased by the integrated compressor to the filling pressure. Due to the opposing construction of metering and compressor device, two opposing forces act on the drive spindle. The resulting spindle force is thus reduced, so that the drive motor can be reduced in performance.
  • the bearing of the drive spindle is designed so that both axial and radial forces can be absorbed.
  • both bearings are designed so that both axial and radial forces can be absorbed.
  • the drive spindle is also mounted both in the stroke direction and radially, in particular free of play
  • the dosing cylinder head preferably has a plurality of displacement channels. So the filling can be performed more evenly.
  • the drive spindle is designed as a threaded or ball screw.
  • the entire device is thermally insulated. That is, there is no heat transfer to the outside and the device can be operated independently of external temperature influences.
  • insulation methods and insulation materials known to those skilled in the art can be used. For example, by a plastic foam compound.
  • the object is achieved in that the inflow and outflow takes place by a lifting movement of the displacer and thereby achieved a change in the metering volume, and that the inflow and outflow depends on the direction of movement of the displacer.
  • a change of the compression space takes place simultaneously, whereby a compression medium is sucked in by the suction valve depending on the direction of movement or is displaced by the pressure valve.
  • the motor housing is pressurized in accordance with the metering pressure.
  • the dosing volume is adjusted by means of the parameters pressure and temperature, so that a particularly accurate dosing is possible.
  • the temperature can be adjusted by the integrated cooling.
  • the parameters are measured in a simple embodiment immediately before the displacer channel, wherein a measurement is preferably carried out directly in the metering cylinder, ie directly in the metering volume.
  • An adaptation of the metering temperature is preferably carried out automatically by a control device which influences the temperature of the coolant, which is used for temperature control of the device acts.
  • a control device which influences the temperature of the coolant, which is used for temperature control of the device acts.
  • means for controlling the temperature of the device means known to those skilled in the art may be used. In particular, a mixture of water, glycol and corrosion inhibitors.
  • the compressed, tempered fluid which is metered, can be taken from various storage devices, in particular from liquid reservoirs, ring lines, storage bundles and storage bottles.
  • the device according to the invention between 200 and 1000 g, in particular 300 to 550 g of the compressed, temperature-controlled fluid are metered. If the fluid is first compressed in the second part of the device and brought to the filling pressure, it flows out through the pressure valve and is supplied to the displacement channel.
  • the requirements regarding the accuracy of the dosing process can be met with the device according to the invention and the method.
  • a metering device In contrast to a pump, a metering device can generally not be operated continuously. Dosing devices usually have a maximum metering volume, which is accessible via a positive displacement channel. This displacer channel acts as the media inlet and media outlet in most embodiments. If a quantity is to be delivered with a metering device which is greater than the maximum metering volume, it must be filled several times and emptied into the recipient container.
  • a pump can continuously convey a medium from one reservoir into another reservoir because the pump inlet and pump outlet are usually not identical.
  • the delivered or metered amount is usually determined by the pump performance and the operating time or by separate measuring devices, in particular via level sensors or mass flow controllers which are in communication with the pump. Pumps also have greater tolerances with respect to the metered amount of a fluid. This applies in particular to the dosage of cryogenic CO 2 .
  • Another embodiment of the invention provides a rotating drive spindle.
  • the drive spindle performs no oscillating motion, but a pure rotation.
  • the displacer piston and the compressor piston form the counterpart to the drive spindle with a suitable anti-twist device and a mating thread.
  • the advantages of the invention also show in the compact and fully hermetic structure.
  • a static seal through O-rings ensures a virtually leak-free system.
  • the adjustment of the dosing volume is exactly possible, so that the requirements with respect to the dosing accuracy can be achieved. So an exact design of air conditioning is possible.
  • the required service life of the metering device is ensured by correspondingly stable bearings.
  • the invention is not limited to the filling of air conditioning systems with CO 2 as the refrigerant. It is generally suitable for accurate and quick metering of compressed gases.
  • FIG. 1 illustrated variant shows a metering device with a metering cylinder 1.
  • a Dosierzylinderkopf 2 which has a positive displacement channel 5.
  • the metering cylinder head may also have a plurality of displacement channels.
  • a displacer 3 which is in communication with a drive spindle 4.
  • a metering volume 8 can be formed.
  • the entire metering cylinder is surrounded by an inner cooling jacket 6 and an outer cooling jacket 7. In the present case, two cooling jackets are shown. These can be operated with the same or different coolants for temperature control of the device. In addition, it is conceivable that the device contains only a cooling jacket.
  • the drive spindle 4 is connected to the drive motor 9 via the threaded tube 15 in Connection.
  • the entire motor is located in a motor housing 10.
  • the drive spindle 4 and the drive motor 9 via two axial bearings (12 and 14) and a radial bearing (13) are mounted.
  • the position of the displacer 3 and thus the size of the metering volume 8 is determined via the position sensor 11.
  • the position sensor 11 is on the one hand in connection with a position detection means 19 and on the other hand with the drive spindle 4.
  • the drive spindle with a torsion-proof outer contour 18 is fitted into a torsion-proof hub 16.
  • this part of the device is located in an anti-rotation holder tube 17.
  • the position detecting element 19 is in communication with the cylinder head 22.
  • FIG. 2 shows an extended embodiment variant of FIG. 1 , Only the additional components will be described.
  • the device has a compressor.
  • a compressor cylinder tube 25 is integrated.
  • the cylinder head 22 includes a suction valve 21 and a pressure valve 20, which serve as an inlet and outlet for the compression medium.
  • the deviations from the position of the displacement piston is less than 0.1 mm, which, taking into account the respective measurement errors in the temperature or pressure measurement corresponds to a deviation in the dosing mass of less than +/- 10 g.
  • Position detection means 20 pressure valve 21 suction 22 cylinder head 23 compression chamber 24 pistons compressor 25 Compressor cylinder tube

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur genauen Dosierung von komprimierten, temperierten Fluiden ausgeführt als Dosiervorrichtung in Kombination mit einem Verdichter sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Dosiervorrichtung zur Dosierung von gekühlten Fluiden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur genauen Dosierung von komprimierten, temperierten Fluiden. Diese Dosiervorrichtung umfasst einen Dosierzylinder, der auf einer Seite von einem Dosierzylinderkopf, mit wenigstens einem Verdrängerkanal, ausgestaltet als Eingangs- bzw. Ausgangskanal für ein zu dosierendes Arbeitsmedium, begrenzt wird und auf der anderen Seite von einem Verdrängerkolben und ein zwischen Verdrängerkolben und Dosierzylinderkopf ausgebildetes Dosiervolumen aufweist. Zudem umfasst die Vorrichtung einen äußeren Kühlmantel für ein erstes Kühlmedium sowie einen inneren Kühlmantel für ein zweites Kühlmedium die den Dosierzylinder ummanteln sowie weiterhin eine Antriebsspindel die auf der einen Seite mit dem Verdrängerkolben in Verbindung steht und auf der anderen Seite mit einem Positionsgeber, welcher mit einem Positionserfassungsmittel in Verbindung steht. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Dosiervorrichtung zur Dosierung von gekühlten Fluiden, bei dem zuerst eine bestimmte Menge eines Fluides in das Dosiervolumen einströmt und anschließend ausströmt.
  • Die Dosiervorrichtung ist insbesondere geeignet um komprimierte und/oder temperierte Fluide zu dosieren. Dies ist insbesondere bei der Dosierung von CO2 als Kältemittel (R744) notwendig. Als Kältemittel für Klimaanlagen, insbesondere in Fahrzeugen, wurden bisher fluorierte Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise R134a verwendet. Aufgrund einer Änderung der Gesetzgebung ist der Einsatz von diesen Mitteln mittlerweile untersagt und es konnte bisher kein geeignetes Mittel mit ähnlichen Eigenschaften gefunden werden. In der Automobilindustrie wird deshalb derzeit verstärkt CO2 als Kältemittel verwendet. Aufgrund der anderen Eigenschaften von CO2 können die bisherigen Dosiervorrichtungen nicht mehr verwendet werden.
    Die aus dem Stand der Technik bekannten Dosiervorrichtungen für CO2, welches komprimiert und/oder temperiert ist oder sogar flüssig vorliegt, unterliegen bisher keinen großen Anforderungen bezüglich der Genauigkeit. So sind Schwankungen bei Befülldruck und der Dosiermenge z.B. bei der Befüllung von Polyurethanschaumbehältern tolerierbar.
  • In anderen Fällen wird die Dosierung über einen Massendurchflussregler erreicht. Damit kann eine ausreichende Genauigkeit erzielt werden, die Dauer eines Befüllvorgangs ist jedoch zu lang und erfüllt so nicht die Vorgaben der Automobilindustrie und Hersteller von Klimaanlagen.
    Die zu erzielende Befülldauer der großen deutschen Autohersteller bewegt sich im Bereich von 10s für ca. 300 bis ca. 550g Kältemittel pro Dosierung. In einer Stunde werden pro Dosiereinrichtung ca. 15-40 Befüllungen abgewickelt.
  • Besonders bei Klimaanlagen ist es zudem wichtig besonders genau zu dosieren um innerhalb der Auslegungsparameter des Herstellers zu bleiben Bei den bisherigen Systemen mit einer Flüssigdosierung, beispielsweise des Kühlmittels R134a, wird eine Abweichung von +/-10 g bei einer Gesamtmenge von 300 bis 550 g toleriert. Diese Abweichungen dürfen auch bei der Dosierung neuer Kühlmittel in verschiedenen Fluidzuständen nicht überschritten werden.
  • Aufgrund der hohen Befülldrücke zwischen 50 und 100 bar, ergeben sich neben Abweichungen aufgrund von Leckagen auch große Hubkräfte, so dass eine entsprechende Lagerung des Dosierkolbens und dessen Antriebsvorrichtung, zur Aufnahme der Kräfte gewährleistet sein muss. Besonders in Abfülleinrichtungen und Fertigungsstraßen muss eine hohe technische Verfügbarkeit (> 98 %) der Dosiervorrichtung gewährleistet sein. Die bisher vorhandenen Dosierventile können diese Standfestigkeit nicht leisten.
    Leckageverluste betreffen nicht nur die Dosiergenauigkeit, sondern sind zudem besonders bei teureren Medien auch von wirtschaftlicher Relevanz und unter Umständen arbeitsplatzgefährdend.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung die im Stand der Technik beschriebenen Probleme, bezüglich der Befülldauer, des Befülldrucks und der Befüllgenauigkeit zu lösen oder zumindest zu minimieren.
  • Vorrichtungsseitig wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Antriebsspindel mit einem Antriebsmotor, welcher ein Motorgehäuse aufweist, in Verbindung steht und so gelagert ist, dass wenigstens eine Lagerstelle zur Aufnahme axialer Kräfte, sowie wenigstens eine Lagerstelle zur Aufnahme radialer Kräfte vorhanden ist und die Antriebsspindel an einem Ende so ausgestaltet ist, dass sie eine verdrehsichere Außenkontur aufweist, die mit einer verdrehsicheren Nabe und einem Verdrehsicherungshalterohr sowie dem Positionserfassungsmittel in Verbindung steht. Eine so ausgestaltet Vorrichtung kann die großen Hubkräfte, welche durch die hohen Befülldrücke von 80 bis 120 bar, insbesondere von 90 bis 100 bar entstehen, aufnehmen und ermöglicht so eine lange Standzeit. Durch die integrierte Kühlung können zudem genaue Volumina eingestellt werden und eine exakte Dosierung wird ermöglicht. Die Einstellung der Dosiermenge erfolgt durch das integrierte Positionserfassungsmittel.
    Die Verbindung von Positionsgeber zu dem Positionserfassungsmittel oder die Kombination aus Positionsgeber und Positionserfassungsmittel ist vorteilhafterweise linear, rotativ, optisch oder geberlos ausgestaltet ist.
  • Eine bevorzugte Ausgestaltung der Dosiervorrichtung sieht zudem ein zusätzliches Verdichterzylinderrohr vor, welches auf der einen Seite von einem Verdichterkolben, der mit der Antriebsspindel in Verbindung steht, und auf der anderen Seite von einem Zylinderkopf, welcher ein Saugventil und ein Druckventil aufweist, begrenzt wird und einen dazwischenliegenden Kompressionsraum, aufweist. Dadurch wird eine kompakte Bauweise der Dosiervorrichtung ermöglicht, da externe Verdichter eingespart werden können und der Dosierdruck trotzdem konstant gehalten werden kann. Zudem kann ein niedriger Druck in der Speichereinrichtung des zu dosierenden Mediums durch den integrierten Verdichter auf den Befülldruck erhöht werden. Durch den gegensinnigen Aufbau von Dosier- und Verdichtereinrichtung wirken zwei entgegengesetzte Kräfte auf die Antriebsspindel. Die resultierende Spindelkraft verringert sich somit, so dass der Antriebsmotor leistungsmäßig verkleinert werden kann.
  • Vorteilhafterweise ist das Lager der Antriebsspindel so ausgestaltet, dass sowohl axiale als auch radiale Kräfte aufgenommen werden können. Bevorzugterweise sind beide Lager so ausgestaltet, dass sowohl axiale als auch radiale Kräfte aufgenommen werden können. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Antriebsspindel zudem sowohl in Hubrichtung als auch radial, insbesondere spielfrei, gelagert
  • Bevorzugt weist der Dosierzylinderkopf mehrere Verdrängerkanäle auf. So kann die Befüllung gleichmäßiger durchgeführt werden.
  • Durch eine bevorzugte einteilige Bauweise des Motorgehäuses kann die Gefahr von Leckagen weiter verringert werden.
  • Vorteilhafterweise ist die Antriebsspindel als Gewinde- oder Kugelumlaufspindel ausgeführt.
  • Die gesamte Vorrichtung ist thermisch isoliert. Das heißt, es findet keine Wärmeübertragung nach außen hin statt und die Vorrichtung kann von äußeren Temperatureinflüssen unabhängig betrieben werden. Dazu können dem Fachmann bekannte Isolationsverfahren und Isolationsmaterialen verwendet werden. Beispielsweise durch einen Kunststoff-Schaumstoff Verbindung.
  • Verfahrensseitig wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Ein- und Ausströmen durch eine Hubbewegung des Verdrängerkolbens und einer dadurch erzielten Veränderung des Dosiervolumens erfolgt, und dass das Ein- und Ausströmen von der Bewegungsrichtung des Verdrängerkolbens abhängt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsvariante erfolgt simultan eine Veränderung des Kompressionsraumes, wodurch ein Kompressionsmedium je nach Bewegungsrichtung durch das Saugventil angesaugt wird oder durch das Druckventil verdrängt wird. Durch die Kombination des Verfahrensschrittes der Befüllung und der Komprimierung entstehen die bereits oben beschriebenen Vorteile bezüglich eines erhöhten Befülldrucks, gegenüber der Speichereinrichtung des Mediums und einer reduzierten notwendigen Antriebsmotorleistung.
    Die Bewegungsrichtung des Verdrängerkolbens und/oder des Verdichterkolbens ist vorzugsweise durch die Drehrichtung des Antriebsmotors definiert.
  • Vorteilhafterweise ist das Motorgehäuse entsprechend dem Dosierdruck druckbeaufschlagt.
  • Das Dosiervolumen wird mittels der Parameter Druck und Temperatur eingestellt, so dass eine besonders genaue Dosierung möglich ist. Die Temperatur kann durch die integrierte Kühlung eingestellt werden. Die Parameter werden in einer einfachen Ausgestaltung unmittelbar vor dem Verdrängerkanal gemessen, wobei eine Messung vorzugsweise direkt im Dosierzylinder, also direkt im Dosiervolumen durchgeführt wird.
  • Eine Anpassung der Dosiertemperatur erfolgt vorzugsweise automatisch durch eine Regeleinrichtung die beeinflussend auf die Temperatur des Kühlmittels, welches zur Temperierung der Vorrichtung verwendet wird, wirkt.
    Als Kühlmittel zur Temperierung der Vorrichtung können dem Fachmann bekannte Mittel verwendet werden. Insbesondere eine Mischung aus Wasser, Glycol und Korrosionsinhibitoren.
  • Das komprimierte, temperierte Fluid, welches dosiert wird, kann aus verschiedenen Speichereinrichtungen, insbesondere aus Flüssigspeichern, Ringleitungen, Speicherbündeln und Speicherflaschen entnommen werden.
  • Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden zwischen 200 und 1000 g, insbesondere 300 bis 550 g des komprimierten, temperierten Fluides dosiert. Wird das Fluid zuerst im zweiten Teil der Vorrichtung verdichtet und auf den Befülldruck gebracht, strömt es durch das Druckventil aus und wird dem Verdrängerkanal zugeführt. Die Anforderungen bezüglich der Genauigkeit des Dosiervorgangs können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem Verfahren erfüllt werden.
  • Im Unterschied zu einer Pumpe kann eine Dosiervorrichtung in der Regel nicht kontinuierlich betrieben werden. Dosiervorrichtungen weisen meist ein maximales Dosiervolumen auf, welches über einen Verdrängerkanal zugänglich ist. Dieser Verdrängerkanal fungiert in den meisten Ausführungsformen als Medieneinlass und Medienauslass. Soll mit einer Dosiervorrichtung eine Menge gefördert werden, welche größer als das maximale Dosiervolumen ist, muss dieses mehrmals befüllt und in den Empfängerbehälter entleert werden. Eine Pumpe kann ein Medium kontinuierlich aus einem Vorratsbehälter in einen anderen Behälter fördern, da Pumpeneinlass und Pumpenauslass in der Regel nicht identisch sind. Die geförderte oder dosierte Menge wird in der Regel über die Pumpenleistung und die Betriebsdauer oder durch separate Messeinrichtungen, insbesondere über Füllstandssensoren oder Massendurchflussregler welche mit der Pumpe in Verbindung stehen, bestimmt. Pumpen weisen zudem größere Toleranzen in Bezug auf die dosierte Menge eines Fluides auf. Dies gilt insbesondere für die Dosierung von kryogenem CO2.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht eine rotierende Antriebsspindel vor. Die Antriebsspindel führt keine oszillierende Bewegung durch, sondern eine reine Rotation.
  • Sie ist form- oder kraftschlüssig mit dem Rotor des Antriebsmotors verbunden. Der Verdrängerkolben und der Verdichterkolben bilden mit einer geeigneten Verdrehsicherung und einem Gegengewinde das Gegenstück zur Antriebsspindel.
  • Die Vorteile der Erfindung zeigen sich zudem im kompakten und vollhermetischen Aufbau. Eine statische Abdichtung durch O-Ringe gewährt ein nahezu Leckage freies System. Die Einstellung des Dosiervolumens ist exakt möglich, so dass die Anforderungen bezüglich der Dosiergenauigkeit erreicht werden. So ist eine exakte Auslegung der Klimaanlagen möglich. Die benötigte Standzeit der Dosiervorrichtung wird durch entsprechend stabile Lager gewährleistet.
  • Die Erfindung ist nicht auf die Befüllung von Klimaanlagen mit CO2 als Kältemittel beschränkt. Sie eignet sich allgemein zur genauen und schnellen Dosierung von komprimierten Gasen.
  • Im Folgenden ist die Erfindung anhand von in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Vorrichtungsbestandteile, die in beiden Ausführungsbeispielen vorkommen, sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
    • Figur 1
    zeigt schematisch eine Dosiervorrichtung
    Figur 2
    zeigt schematisch eine Dosiervorrichtung mit zusätzlichem Verdichter.
  • Die in Figur 1 dargestellte Ausgestaltungsvariante zeigt eine Dosiervorrichtung mit einem Dosierzylinder 1. Dieser ist auf der einen Seite durch einen Dosierzylinderkopf 2 verschlossen, welcher einen Verdrängerkanal 5 aufweist. Der Dosierzylinderkopf kann jedoch auch mehrere Verdrängerkanäle aufweisen. Im Dosierzylinder 1 befindet sich ein Verdrängerkolben 3, welcher mit einer Antriebsspindel 4 in Verbindung steht. Zwischen dem Dosierzylinderkopf 2 und dem Verdrängerkolben 3 kann so ein Dosiervolumen 8 ausgebildet werden. Der gesamte Dosierzylinder wird von einem inneren Kühlmantel 6 und einem äußeren Kühlmantel 7 ummantelt. Im hier vorliegenden Fall sind zwei Kühlmäntel gezeigt. Diese können mit den gleichen oder unterschiedlichen Kühlmitteln zur Temperierung der Vorrichtung betrieben werden. Zudem ist es denkbar, dass die Vorrichtung nur einen Kühlmantel enthält. Die Antriebsspindel 4 steht mit dem Antriebsmotor 9 über das Gewinderohr 15 in Verbindung. Der gesamte Motor befindet sich in einem Motorgehäuse 10. In der gezeigten Variante sind die Antriebsspindel 4 und der Antriebsmotor 9 über zwei axiale Lager (12 und 14) sowie ein radiales Lager (13) gelagert. Die Position des Verdrängerkolbens 3 und somit die Größe des Dosiervolumens 8 wird über den Positionsgeber 11 ermittelt. Der Positionsgeber 11 steht einerseits in Verbindung mit einem Positionserfassungsmittel 19 und andererseits mit der Antriebsspindel 4. An diesem Ende ist die Antriebsspindel mit einer verdrehsicheren Außenkontur 18 in eine verdrehsichere Nabe 16 eingepasst. Zum Schutz nach außen hin befindet sich dieser Teil der Vorrichtung in einem Verdrehsicherungshalterohr 17. Das Positionserfassungselement 19 steht mit dem Zylinderkopf 22 in Verbindung.
  • Figur 2 zeigt eine erweiterte Ausgestaltungsvariante der Figur 1. Es werden nur mehr die zusätzlichen Bauteile beschrieben. Zusätzlich zu Figur 1 weist die Vorrichtung einen Verdichter auf. In das Verdrehsicherungshalterohr 17 ist ein Verdichterzylinderrohr 25 integriert. In diesem wird über einen Verdichterkolben 24, welcher mit der Antriebsspindel 4 in Verbindung steht und über den Zylinderkopf 22 ein Kompressionsraum 23 definiert. Der Zylinderkopf 22 enthält ein Saugventil 21 und ein Druckventil 20, welche als Ein- bzw. Auslass für das Kompressionsmedium dienen.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines konkreten Anwendungsbeispiels weiter erläutert:
    • Das Anwendungsbeispiel betrifft die Anwendung der Dosiervorrichtung für den speziellen Fall der Befüllung von Klimaanlagen mit CO2 als Kältemittel. Dabei kann die Vorrichtung bei folgenden Parametern betrieben werden:
      • Eingangstemperatur des Fluides in die Vorrichtung ca. 313 K
      • Befülldruck ca. 80 bar
      • Dosiervolumen ca. 2,161 L
      • Masse CO2 bei (313 K und 80 bar) ca. 600 g
    Die Dosierdauer beträgt dabei unter 10 Sekunden bei einer Spindelsteigung von ca. 6 mm, einem Motordrehmoment von max. 50 Nm und einer Spindelzugkraft von max. 100 kN. Ein Vorteil der Vorrichtung nach Figur 2, in der sowohl eine Dosierung als auch Verdichtung möglich ist, ergibt sich darin, dass sich die maximal resultierende Spindelkraft von 100kN einerseits aus der Gaskraft der Verdichterseite bzw. der Gaskraft der Dosierseite und der Antriebskraft des Motors zusammensetzt. Daher können auch höhere Kräfte in der Spindel wirken, als der Antriebsmotor alleine zulassen würde.
  • Die Abweichungen von der Position des Verdrängerkolbens liegt dabei bei unter 0,1 mm, was unter Berücksichtigung der jeweiligen Messfehler in der Temperatur- bzw. Druckmessung einer Abweichung in der Dosiermasse von weniger als +/- 10 g entspricht. Liste der Bezugszeichen
    1 Dosierzylinder
    2 Dosierzylinderkopf
    3 Verdrängerkolben
    4 Antriebsspindel
    5 Verdrängerkanal
    6 innerer Kühlmantel
    7 äußerer Kühlmantel
    8 Dosiervolumen
    9 Antriebsmotor
    10 Motorgehäuse
    11 Positionsgeber
    12 Axiallager
    13 Radiallager
    14 Axiallager
    15 Gewinderohr
    16 verdrehsichere Nabe
    17 Verdrehsicherungshalterohr
    18 verdrehsichere Außenkontur der Antriebsspindel
    19 Positionserfassungsmittel
    20 Druckventil
    21 Saugventil
    22 Zylinderkopf
    23 Kompressionsraum
    24 Verdichterkolben
    25 Verdichterzylinderrohr

Claims (13)

  1. Vorrichtung zur genauen Dosierung von komprimierten, temperierten Fluiden, umfassend einen Dosierzylinder (1), der auf einer Seite von einem Dosierzylinderkopf (2), mit wenigstens einem Verdrängerkanal (5), ausgestaltet als Eingangs- bzw. Ausgangskanal für ein zu dosierendes Arbeitsmedium, begrenzt wird und auf der anderen Seite von einem Verdrängerkolben (3) und ein zwischen Verdrängerkolben (3) und Dosierzylinderkopf (2) ausgebildetes Dosiervolumen (8) aufweist
    und einen äußeren Kühlmantel (7) für ein erstes Kühlmedium sowie einen inneren Kühlmantel (6) für ein zweites Kühlmedium, die den Dosierzylinder ummanteln
    und eine Antriebsspindel (4) die auf der einen Seite mit dem Verdrängerkolben (3) in Verbindung steht und auf der anderen Seite mit einem Positionsgeber (11), welcher mit einem Positionserfassungsmittel (19) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsspindel mit einem Antriebsmotor (9), welcher ein Motorgehäuse (10) aufweist, in Verbindung steht und so gelagert ist, dass wenigstens eine Lagerstelle zur Aufnahme axialer Kräfte (12), sowie wenigstens eine Lagerstelle zur Aufnahme radialer Kräfte (13) vorhanden ist
    und die Antriebsspindel an einem Ende so ausgestaltet ist, dass sie eine verdrehsichere Außenkontur (18) aufweist, die mit einer verdrehsicheren Nabe (16) und einem Verdrehsicherungshalterohr (17) sowie dem Positionserfassungsmittel (19) in Verbindung steht.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zusätzlich ein Verdichterzylinderrohr (25) aufweist,
    welches auf der einen Seite von einem Verdichterkolben (24), der mit der Antriebsspindel (4) in Verbindung steht,
    und auf der anderen Seite von einem Zylinderkopf (22), welcher ein Saugventil (21) und ein Druckventil (20) aufweist, begrenzt wird
    und einen dazwischenliegenden Kompressionsraum (23), aufweist.
  3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager der Antriebsspindel so ausgestaltet ist, dass sowohl axiale als auch radiale Kräfte aufgenommen werden.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dosierzylinderkopf (2) mehrere Kanäle aufweist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorgehäuse (10) einteilig aufgebaut ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsspindel (4) sowohl in Hubrichtung als auch radial, insbesondere spielfrei, gelagert ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsspindel (4) als Gewinde- oder Kugelumlaufspindel ausgeführt ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung von Positionsgeber (11) zu dem Positionserfassungsmittel (19) linear, rotativ, optisch oder geberlos ausgestaltet ist.
  9. Verfahren zum Betrieb einer Dosiervorrichtung zur Dosierung von gekühlten Fluiden, bei dem zuerst eine bestimmte Menge eines Fluides in das Dosiervolumen (8) einströmt und anschließend ausströmt, dadurch gekennzeichnet, dass das Ein- und Ausströmen durch eine Hubbewegung des Verdrängerkolbens (3) und einer dadurch erzielten Veränderung des Dosiervolumens (8) erfolgt und dass das Ein- und Ausströmen von der Bewegungsrichtung des Verdrängerkolbens abhängt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass simultan eine Veränderung des Kompressionsraumes (23) erfolgt, wodurch ein Kompressionsmedium je nach Bewegungsrichtung durch das Saugventil (21) angesaugt wird oder durch das Druckventil (20) verdrängt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsrichtung des Verdrängerkolbens (3) und des Verdichterkolbens (24) durch die Drehrichtung des Antriebsmotors (9) definiert ist.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosiervolumen entsprechend der Parameter Druck und Temperatur eingestellt wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorgehäuse (10) entsprechend dem Dosierdruck druckbeaufschlagt ist.
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