EP4793497A1 - Materialpuffer und ein system zur förderung und dosierung eines viskosen materials - Google Patents

Abstract

Ein Materialpuffer (40), der zwischen einer Versorgungsstation (10) und einer Dosierpumpe (20) in einem System (1) zur Förderung und Dosierung eines viskosen Materials einsetzbar ist, umfasst: einen Materialzylinder (41); einen Materialkolben (42), der mit dem Materialzylinder (41) eine das Material aufnehmende Materialkammer (43) begrenzt, in der ein Materialdruck herrscht; eine Kolbenstange (48), die mit dem Materialkolben (42) verbunden ist und als Hohlstange ausgebildet ist, sodass das Material durch die Kolbenstange (48) in die Materialkammer (43) einleitbar ist; einen Druckzylinder (49), durch den die Kolbenstange (48) führt; und einen Druckkolben (54), der an der Kolbenstange (48) befestigt ist; wobei der Druckkolben (54) und der Druckzylinder (49) eine Belastungskammer (55) und eine Entlastungskammer (57) begrenzen, die jeweils durch ein Druckmedium beaufschlagbar sind, und wobei das Volumen der Materialkammer (43) zunimmt, wenn das Volumen der Belastungskammer (55) abnimmt. An oder in dem Druckzylinder (49) ist ein elastisches Federelement (61) vorgesehen, das auf den Druckkolben (54) eine Federkraft ausübt, wenn die Belastungskammer (55) drucklos gestellt ist; wobei die Federkraft einer Kraft, die auf den Druckkolben (48) durch den Materialdruck entsteht, entgegenwirkt.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Materialpuffer für ein System zur Förderung und Dosierung eines viskosen Materials. Des Weiteren betrifft die Erfindung das System zur Förderung und Dosierung des viskosen Materials mit einem solchen Materialpuffer.
• Aus der WO 2017/004635 ist ein System bekannt, das eine Versorgungsstation mit einer Förderpumpe und einen Materialbehälter umfasst. Des Weiteren umfasst das System eine Dosierpumpe sowie einen Materialpuffer, der zwischen der Versorgungsstation und der Dosierpumpe geschaltet ist.
• Die Förderpumpe, die oft als Schöpfkolbenpumpe ausgebildet ist, saugt das viskose Material aus dem Materialbehälter (zum Beispiel einem Hobbock) und fördert es zu dem Materialpuffer. Vom Materialpuffer gelangt dann das viskose Material zu der Dosierpumpe.
• In einer in der WO 2017/004635 beschriebenen Ausführung weist der Materialpuffer einen Materialzylinder und Materialkolben auf, der in dem Materialzylinder gleitend gelagert ist und mit dem Materialzylinder eine im Volumen veränderbare Materialkammer begrenzt. Die Materialkammer dient zur Aufnahme des viskosen Materials, das in der Materialkammer einem Materialdruck ausgesetzt ist. Eine Kolbenstange ist mit dem Materialkolben verbunden und als Hohlstange ausgebildet ist, sodass das von der Förderpumpe geförderte Material durch die Kolbenstange in den Materialhubraum geleitet wird. Durch einen Materialausgang im Materialzylinder gelangt das Material dann zu der Dosierpumpe.
• Der Materialpuffer weist des Weiteren einen Druckzylinder auf. Die Kolbenstange führt durch den Druckzylinder. An der Kolbenstange ist ein Druckkolben befestigt, der mit dem Druckzylinder eine Belastungskammer und eine Entlastungskammer begrenzt. Die Belastungskammer und die Entlastungskammer können jeweils durch ein Druckmedium mit Druck beaufschlagt werden. Durch einen einstellbaren Druck in der Belastungskammer kann der Druck in der Materialkammer und unter Berücksichtigung von Strömungswiderstände zwischen Materialpuffer und Dosierpumpe auch der Druck am Eingang der Dosierpumpe eingestellt werden. Sinkt der Druck in der Belastungskammer und nimmt dadurch das Volumen der Belastungskammer ab, nimmt das Volumen der Materialkammer zu.
• Wenn der Materialbehälter sich mit der Zeit leert, muss dieser durch einen vollen Materialbehälter ersetzt werden. Ein kontinuierlicher und unterbrechungsfreier Dosierprozess durch das System ist bei entsprechender Auslegung des Materialpuffers möglich. Es muss dabei sichergestellt werden, dass die Materialkammer so viel Material aufnehmen kann, dass bei gegebener Dosierrate der Wechsel der Materialbehälter vollständig überbrückt werden kann. Der Materialpuffer stellt dabei eine kostengünstige und ressourcensparende Alternative zu der oft in der Praxis gewählten Lösung dar, die das Vorhalten einer zusätzlichen vollständig ausgestatteten Versorgungseinheit vorsieht.
• Kommt es zu längeren Unterbrechungen des Dosierprozess (beispielsweise bedingt durch längere Pausen, 2-Schichtbetrieb oder Wochenende), ist es insbesondere bei einem Material mit einem hohen Füllanteil erforderlich, dass dieses in den Leitungen des Systems druckentlastet wird. Eine einfache Methode zur Druckentlastung würde darin bestehen, überschüssiges Material zurück in den Materialbehälter zu fördern. Wenn für die Förderpumpe wie in der Praxis oft üblich eine Schöpfkolbenpumpe verwendet wird, ist eine Rückführung durch die Schöpfkolbenpumpe aufgrund ihres konstruktiven Aufbaus mit den internen Rückschlagventilen nicht möglich. Eine weitere Methode der Druckentlastung würde in dem Ausdosieren von überschüssigem Material bestehen. Dies würde aber zu einem Materialverlust führen, der insbesondere bei einem hochpreisigen Material aus Kostengründen zu vermeiden ist.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Materialpuffer für das oben beschriebene System zur Förderung und Dosierung des viskosen Materials bereitzustellen, durch den ein einfacher und ressourcenschonender Betrieb des Systems möglich ist.
• Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird mit dem Gegenstand gemäß Anspruch 1 gelöst. Ausführungsbeispiele können den Unteransprüchen zu Anspruch 1 entnommen werden.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass an oder in dem Druckzylinder ein elastisches Federelement vorgesehen ist, das eine Federkraft auf den Druckkolben ausübt, wenn die Belastungskammer drucklos gestellt wird. Die Federkraft wirkt dabei einer Kraft entgegen, die auf den Druckkolben wirkt und auf den Materialdruck zurückzuführen ist.
• Das Vorhandensein des Federelements mit der entsprechenden Federkraft eröffnet die nun handhabbare Möglichkeit, die Belastungskammer drucklos zu stellen. Durch den Wegfall des Drucks in der Belastungskammer wird das Volumen der Belastungskammer kleiner, wodurch das Volumen der Materialkammer bei nachlassendem Materialdruck größer wird, bis sich zwischen dem nachlassenden Materialdruck und der Federkraft ein neues Kräftegleichgewicht einstellt. Das Federelement ist dabei so ausgelegt, dass mit größer werdender Materialkammer die Federkraft ansteigt. Durch den abnehmenden Materialdruck in der Materialkammer nimmt auch der Druck in den Leitungen des Systems ab. Es ist daher nicht mehr notwendig, vor einer anstehenden längeren Pause überschüssiges Material zur Druckentlastung des Systems abzulassen.
• Wenn bei Drucklosstellung der Belastungskammer zusätzlich noch die Entlastungskammer mit einem Druck beaufschlagt wird, lässt sich das Volumen der Materialkammer weiter erhöhen, wodurch der Materialdruck in der Materialkammer und somit auch der Druck in den Leitungen und Komponenten des Systems noch weiter absinkt. Die Kraft bedingt durch den (verbleibenden) Materialdruck und die Kraft durch den Druck in der Entlastungskammer stehen dann der Federkraft entgegen, wobei die Federkraft durch die größere elastische Verformung erhöht ist. Es entsteht dabei ein stabiles Kräftegleichgewicht am Druckkolben, wodurch eine Regelung des nun reduzierten Materialdrucks über den Druck in der Entlastungskammer möglich ist.
• In einem Ausführungsbeispiel übt das Federelement auch eine Federkraft auf den Druckkolben aus, wenn die Belastungskammer durch das Druckmedium (zum Beispiel Druckluft) unter Druck steht. Vorzugsweise ist das das elastische Federelement so ausgelegt, dass die Federkraft nicht über einen gesamten Hub des Druckkolbens, sondern nur über einen ausgewählten Bereich des Hubs am Druckkolben anliegt. Dies lässt sich beispielsweise durch ein elastisches Federelement realisieren, das auf Druck beansprucht wird, aber nicht an dem Druckkolben befestigt ist, sondern nur ab einer bestimmten Position des Druckkolbens an diesem anliegt. Ermöglicht der Aufbau des Materialpuffers ein maximales Volumen der Materialkammer von 100 %, so kann das Federelement in einem Bereich von 50 bis 99 %, von 70 bis 99 % oder gar nur von 80 bis 99 % des maximalen Volumens an dem Druckkolben erstmalig zur Anlage kommen, wenn der Druckkolben so bewegt wird, dass dabei das Volumen der Materialkammer erhöht wird. Bedingt durch die Nichtanlage des Federelements im verbleibenden Restbereich übt das Federelement in diesem Ausführungsbeispiel keine Federkraft auf den Druckkolben aus.
• Im normalen Betrieb des Materialpuffers kann das Volumen der Materialkammer so eingestellt werden, dass praktisch keine oder nur eine sehr kleine Federkraft auf den Druckkolben wirkt. Beispielsweise kann dann das Volumen bis zu 90 % des maximalen Volumens betragen, wobei die Belastungskammer unter (geregeltem) Druck steht. Falls ein Materialbehälter getauscht werden muss, können somit 90 % des maximalen Volumens der Materialkammer zur Überbrückung der zum Tausch benötigten Zeit für eine unterbrechungsfreie Weiterdosierung des Materials genutzt werden. Sollte der normale Betrieb beendet werden müssen und eine längere Pause anstehen, könnte die Volumendifferenz von 90 auf 100 % dann genutzt werden, den Materialdruck in der Materialkammer entsprechend zu reduzieren. Dafür würde die Belastungskammer drucklos gestellt werden, wodurch das Volumen der Materialkammer größer wird und die Federkraft ansteigt. Zusätzlich kann die Entlastungskammer unter Druck gesetzt werden und das Federelement noch weiter elastisch verformt werden.
• Die Anlage des Federelements an dem Druckkolben im normalen Betrieb des Materialpuffers hat den weiteren Vorteil, dass Druckspitzen im Materialdruck, beispielsweise hervorgerufen durch Druckspitzen in der Förderpumpe, abgefedert und gedämpft werden können.
• In einem Ausführungsbeispiel ist das Federelement an einem stirnseitigen Ende des Druckzylinders angeordnet. Das Federelement kann sich an einem ersten Zylinderdeckel des Druckzylinders abstützen, der die Belastungskammer begrenzt. Stirnseitig wird dabei die Belastungskammer einerseits von diesem ersten Zylinderdeckel und andererseits von dem verschiebbaren Druckkolben begrenzt. Das Federelement kann beispielsweise eine Schraubenfeder, eine Spiralfeder oder eine Wellenfeder sein.
• Vorzugsweise ist das elastische Federelement in der Belastungskammer angeordnet. Das Federelement wird somit durch den umgebenden Druckzylinder vor äußeren Einflüssen (mechanische Stöße, Staub etc.) geschützt.
• Die Stirnwand kann eine Vertiefung zur Fixierung und/oder zur Zentrierung des Federelements aufweisen. Beispielsweise kann die Vertiefung eine umlaufende Ringnut sein, in die ein Ende des Federelements eingesetzt werden kann. Das Federelement kann spielfrei auf Pressung oder mit einem kleinen Spiel in der Vertiefung sitzen. Der spielfreie Sitz in der Vertiefung hat den Vorteil, dass bei der Montage des Materialpuffers sich das Federelement nicht von der Stirnwand lösen kann bzw. dass keine zusätzlichen Befestigungsmittel notwendig sind.
• In einem Ausführungsbeispiel ist das das Federelement als ein Hohlkörper ausgebildet. Der Hohlkörper kann zu einer Mittelachse im Wesentlichen rotationssymmetrisch sein.
• Die Mittelachse des Hohlkörpers und eine Längsachse der Kolbenstange fallen in einem Ausführungsbeispiel zusammen. Somit ist es möglich, dass der Vektor der resultierenden Federkraft des Federelements parallel verlaufend auf der Längsachse der Kolbenstange bzw. auf der Mittelachse des Druckkolbens liegt, sodass dieser im Druckzylinder nicht verkantet. Dadurch ist ein störungsfreier Betrieb des Materialpuffers möglich.
• Der Hohlkörper kann ein Hohlzylinder aus einem kompressiblen Kunststoff sein. Der Hohlzylinder kann eine kreisrunde Grundfläche aufweisen. Der kompressible Kunststoff kann beispielsweise ein Elastomer aus Polyurethan sein. In einem Ausführungsbeispiel ist das elastische Federelement aus einem Material, das unter dem Markennamen Sylomer der Getzner Werkstoffe Holding GmbH aus Österreich vertrieben wird.
• Die Dosierpumpe kann als Zahnradpumpe, Exzenterschneckenpumpe oder als Kolbendosierer (Kolbenpumpe) ausgebildet sein.
• Der Materialkolben kann an einer Kolbenmantelfläche eine Sperrflüssigkeitskammer zur Aufnahme einer Sperrflüssigkeit aufweisen. Die Sperrflüssigkeit bildet somit eine Sperrvorlage an der Kolbenmantelfläche. Die Sperrvorlage stellt sicher, dass das Material in der Materialkammer nicht mit der Luftfeuchtigkeit der Umgebung reagieren kann. Zudem sorgt die Sperrvorlage für eine gute Schmierung zwischen dem bewegbaren Materialkolben und dem feststehendem Materialzylinder. Die Verwendung einer Sperrflüssigkeit ist insbesondere bei Materialen mit hohem Fest-/Füllstoffanteilen, welche abrasive Eigenschaften aufweisen, anzuraten. Auch bei einem feuchtigkeitsvernetzenden Material (beispielsweise ein feuchtigkeitsvernetzender Klebstoff), welches mit der Luftfeuchtigkeit reagiert, ist die Verwendung der Sperrflüssigkeit von Vorteil.
• Das Merkmal der Sperrflüssigkeitskammer an der Kolbenmantelfläche kann grundsätzlich auch bei einem Materialpuffer ohne elastisches Federelement die oben beschriebenen Vorteile entfalten. Entsprechend ist hier Materialpuffer für ein System zur Förderung und Dosierung eines viskosen Materials offenbart, wobei das System eine Dosierpumpe und eine Versorgungsstation mit einer Förderpumpe umfasst, wobei der Materialpuffer zwischen der Versorgungsstation und der Dosierpumpe eingesetzt werden kann und einen Materialzylinder und einen bewegbaren Materialkolben aufweist, die eine Materialkammer begrenzen, wobei der Materialkolben an einer Kolbenmantelfläche eine Sperrflüssigkeitskammer zur Aufnahme einer Sperrflüssigkeit aufweist.
• An der Kolbenmantelfläche können zwei axial zueinander beabstandete Dichtungen vorgesehen sind, zwischen denen sich die Sperrflüssigkeitskammer befindet. Die Sperrflüssigkeit, welche ölartig oder ein Öl sein kann, kann dabei die Dichtungen schmieren oder geschmeidig halten, um eine gute Dichtwirkung dieser Dichtungen auch über längere Zeit zu garantieren.
• Der Materialzylinder kann ein demontierbares Zylinderendteil und einen Zylinderkörper mit zwei Querbohrungen aufweisen, wobei in einem demontierten Zustand des Zylinderendteils der Materialkolben in eine Pflegeposition bewegt werden kann, in der eine Befüllung der Sperrflüssigkeitskammer durch die Querbohrungen möglich ist.
• In einem montierten Zustand kann das Zylinderendteil die Querbohrungen verschließen, sodass durch die Querbohrungen im normalen Betrieb des Materialpuffers keine Schmutzpartikel oder Luftfeuchtigkeit in der Materialkammer gelangen kann.
• Eine weitere Aufgabe, die Bereitstellung eines Systems zur Förderung und Dosierung eines viskosen Materials, wobei das System für längere Zeit stillstehen kann, ohne dass dabei das viskose Material geschädigt wird, wird durch die Merkmalskombination von Anspruch 12 gelöst. Das erfindungsgemäße System umfasst dabei die Versorgungsstation mit der Förderpumpe, die Dosierpumpe sowie den hier beschriebenen Materialpuffer in seinen unterschiedlichen Ausführungen.
• Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1

schematisch ein System zur Förderung und Dosierung eines viskosen Materials;

Figur 2

einen Materialpuffer für das System der Figur 1;

Figur 3

unterschiedliche Füllstände einer Materialkammer des Materialpuffers der Figur 2 (Figuren 3A bis 3C);

Figur 4

eine Position eines Materialkolbens des Materialpuffers der Figur 2 zum Befüllen einer Sperrflüssigkeitskammer; und

Figur 5

das System der Figur 1 in einem höheren Detaillierungsgrad.

• Figur 1 zeigt ein System zur Förderung und Dosierung eines viskosen Materials, das zum Beispiel ein Klebstoff oder ein Dichtstoff sein kann. Das System ist in seiner Gesamtheit mit 1 bezeichnet. Das System 1 umfasst eine Versorgungsstation 10 mit einer Förderpumpe 11 und einem Rückschlagventil 12. Das System umfasst des Weiteren eine Dosierpumpe 20 und ein Dosierventil 30. Die Förderpumpe 11 fördert das Material zu der Dosierpumpe 20. Durch das Dosierventil 30 ist ein genaues Ausdosieren des Materials möglich, beispielsweise in Form einer Klebstoffraupe auf ein Blech. Zwischen der Versorgungsstation 10 und der Dosierpumpe 20 ist ein Materialpuffer 40 vorgesehen. Die Förderpumpe 10 saugt das Material aus einem in Figur 1 nicht dargestellten Materialbehälter und fördert dieses über den Materialpuffer 40 zu der Dosierpumpe 20.
• Die Figuren 2 und 3 zeigen eine erfindungsgemäße Ausführung für den in Figur 1 nur schematisch dargestellten Materialpuffer 40. Der Materialpuffer 40 weist einen Materialzylinder 41 und einen Materialkolben 42 auf, die eine das Material aufnehmende Materialkammer 43 (siehe Figur 3) begrenzen. Wie der Figur 3 weiter zu entnehmen ist, lässt sich Materialkolben 42 entlang einer Längsachse 44 innerhalb des Materialzylinders 41 verschieben. Figur 3A zeigt den Materialkolben 42 in einer Position, in der das Volumen der Materialkammer 43 in der Nähe seines Maximums ist. Bei der in Figur 3B gezeigten Position des Materialkolbens 42 ist das Volumen der Materialkammer 43 sehr klein bzw. null. Figur 3C zeigt den Materialkolben 42 in einer mittleren Position, bei der das Volumen der Materialkammer 43 in etwa halb so groß ist wie das Volumen der Materialkammer 43 von Figur 3A.
• Der Materialzylinder 41 weist einen Mantelkörper 45 und ein stirnseitiges Zylinderendteil 46 auf, das einen Materialausgang 47 definiert. Der Materialkolben 42 ist mit einer Kolbenstange 48 verbunden, die als Hohlstange ausgebildet ist. Das Material wird dabei von der Versorgungsstation 10 kommend (siehe Pfeil 2) durch die hohle Kolbenstange 48 in den Materialpuffer 40 geführt und verlässt diesen an dem Materialausgang 47 (siehe Pfeil 3) in Richtung Dosierpumpe 20. Die Materialkammer 43 wird also in der Darstellung der Figur 2 und Figur 3 von rechts nach links durchströmt. Durch diese Durchströmung bilden sich innerhalb der Materialkammer 43 praktisch keine Toträume aus.
• Die Kolbenstange 48 führt durch einen Druckzylinder 49, der sich in axialer Richtung entlang der Längsachse 44 an dem Materialzylinder 41 anschließt und koaxial zum Materialzylinder 41 angeordnet ist. Der Druckzylinder 49 weist einen Mantelkörper 50 sowie einen ersten stirnseitigen Zylinderdeckel 51 auf, durch den die Kolbenstange 48 greift. Am anderen stirnseitigen Ende des Mantelkörpers 50 ist ein zweiter Zylinderdeckel 52 vorgesehen, der an einem Verbindungsstück 53 anliegt. Über das Verbindungsstück 53 sind der Materialzylinder 41 und der Druckzylinder 49 miteinander verbunden.
• An der Kolbenstange 48 ist ein Druckkolben 54 befestigt. Der Druckkolben 54 begrenzt mit dem Mantelkörper 50 und dem ersten Zylinderdeckel 51 eine Belastungskammer 55, die über eine Öffnung 56 mit Druckluft (siehe Pfeil 4 in Figur 2) beaufschlagt werden kann. Des Weiteren begrenzt der Druckkolben 54 eine Entlastungskammer 57, die ebenfalls mit Druckluft (siehe Pfeil 5) über eine Öffnung 58 beaufschlagt werden kann. Aus den Figuren 2 und 3 wird deutlich, dass eine Abnahme des Volumens der Belastungskammer 55 mit einer Vergrößerung des Volumens der Materialkammer 43 und mit einer Vergrößerung des Volumens der Entlastungskammer 57 einhergeht.
• Figur 2 zeigt eine weitere Öffnung 59, die in dem Verbindungsteil 53 vorgesehen ist. Diese Öffnung 59 dient zur Entlüftung 6 des Materialzylinders 41, damit sich kein Unterdruck oder Überdruck in einem rückwärtigen Raum 60 des Materialzylinders 41 bilden kann, wenn der Materialkolben 42 innerhalb des Materialzylinders 41 verschoben wird.
• In der Belastungskammer 55 ist ein Federelement 61 angeordnet, dass aus einem kompressiblen Kunststoff (beispielsweise ein Elastomer aus Polyurethan) geformt ist. Das Federelement 61 weist die Form eines Hohlzylinders auf, der mit einem ersten stirnseitigen Ende 62 in einer ringförmigen Vertiefung 70 des Zylinderdeckels 51 sitzt. Ein zweites stirnseitiges Ende 63 dient zur Anlage an den Druckkolben 54. In der in Figur 3A gezeigten Position liegt der Druckkolben 54 an dem Federelement 61 an.
• Aus den Figuren 2 und 3 wird deutlich, dass eine axiale Länge des Federelements 61 deutlich geringer ist als ein maximaler Hub des Druckkolbens 54. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt die axiale Länge des Federelements 61 weniger als 20 % des maximalen Hubs. Der maximale Hub des Druckkolbens 54 bzw. des Materialkolbens 42, der über die Kolbenstange 48 fest mit dem Drucckolben verbunden ist, lässt sich aus Vergleich der Figuren 3A und 3B näherungsweise ablesen, wobei Figur 3B den Druckkolben 54 (oder den Materialkolben 42), soweit der Materialpuffer sich in einem hier gezeigten zusammengebauten Betriebszustand befindet, in einer ersten Endposition zeigt, in der das Volumen der Materialkammer 43 gleich null bzw. minimal ist und in der der Materialkolben 42 gegen das Zylinderendteildeckel 46 stößt. Figur 3A zeigt den Druckkolben 54 in unmittelbarer Nähe zu einer zweiten Endposition. Der Druckkolben 54 lässt sich aus der in Figur 3A gezeigten Position in der Darstellung der Figur 3 noch etwas weiter nach rechts bewegen, wodurch das Federelement 61 zusammengedrückt wird und sich elastisch verformt. Durch das Zusammendrücken des Federelements 61 entsteht eine Federkraft, die den Druckkolben 54 und somit auch den Materialkolben 52 in Richtung der ersten Endposition drückt. Die zweite Endposition hängt davon ab, wie sehr sich das Federelement 61 zusammendrücken lässt bzw. wie groß die Kraft ist, die auf den Druckkolben zur Überwindung der beim Zusammendrücken des Federelements entstehenden Federkaft wirkt.
• Die Funktion des Federelements 61 wird im Folgenden beschrieben. Dabei wird von der Position des Druckkolbens 54 ausgegangen, wie er in Figur 3A dargestellt ist. Das Volumen der Materialkammer 43 ist dabei sehr groß und befindet sich in der Nähe des Maximums. Der Druckkolben 54 liegt an dem Federelement 61 an, wobei das Federelement 61 nicht oder nur in einem sehr geringen Maße zusammengedrückt ist. Die dabei auf den Druckkolben 54 wirkende Federkraft ist gleich null oder sehr klein. Der Druck in der Belastungskammer 55 ist über die anstehende Druckluft 4 so eingestellt, dass der Druckkolben 54 im Kräftegleichgewicht steht. Die Kraft berechnet aus dem Produkt des in der Belastungskammer 55 herrschenden Drucks und der effektiven Kolbenfläche des Drucckolbens 54 entspricht näherungsweise der entgegenwirkenden Kraft, welche dem Produkt aus dem Materialdruck in der Materialkammer 53 und der effektiven Kolbenfläche des Materialkolbens 52 entspricht: Bei einer genaueren Betrachtung müssten des Weiteren Reibungsverluste (sollte sich die Einheit bestehend aus Materialkolben 42, Kolbenstange 48 und Druckkolben 54 bewegen), Strömungsverluste (bedingt durch die Strömung des Materials durch den Materialpuffer 40) und die etwaige kleine Federkraft beim Kräftegleichgewicht berücksichtigt werden. Zudem wird davon ausgegangen, dass die Entlastungskammer drucklos gestellt ist.
• Bei praktisch sich nicht bewegendem Druckkolben 54 kann eine Ausdosierung des Materials durch das Dosierventil 30 erfolgen, wobei das Material mit einem gewissen Durchsatz durch den Materialpuffer 40 fließt. Treten bedingt durch die Förderpumpe 11 oder andere Einflüsse Spitzen im Materialdruck auf, wird der Materialkolben 42 und somit der Druckkolben 54 kurzfristig gegen die Federkraft des Federelements 61 in der Darstellung der Figuren 2 und 3 nach rechts bewegt. Durch die dadurch einhergehende Vergrößerung des Volumens der Materialkammer 43 wird die Druckspitze abgemindert und/oder gedämpft.
• Muss nun in der Versorgungsstation 10 der Materialbehälter getauscht werden, kann die Förderpumpe 11 kein Material mehr fördern. Damit ein unterbrechungsfreies Ausdosieren durch das Dosierventil 30 weiter möglich ist, wird die Materialkammer 43 sukzessive entleert, indem der Materialkolben 42 in Richtung der ersten Endposition durch eine geregelte Druckbeaufschlagung der Belastungskammer 55 verschoben wird. Wenn der Tausch der Materialbehälter abgeschlossen ist, kann bei gleichzeitigem Ausdosieren durch das Dosierventil 30 die Materialkammer langsam wieder mit Material gefüllt werden. Der Materialkolben 42 bewegt sich dabei wieder in die in Figur 3A gezeigte Position zurück.
• Steht eine längere Pause an, in der kein Ausdosieren des Materials durch das Dosierventil 40 geplant ist, findet zum Schutz des Materials im System 1 eine Druckentlastung statt. Dafür wird die Belastungskammer 55 drucklos gestellt, sodass bedingt durch den Wegfall der Kraft, die durch die Druckluft in der Belastungskammer 55 auf den Druckkolben 54 wirkt, der Druckkolben 54 sich in Richtung der zweiten Endposition bewegt und das Federelement 61 zusammengedrückt. Diese Ausweichbewegung des Druckkolbens 54 führt zu einer Druckentlastung in der Materialkammer 43 und somit im gesamten System 1. Eine weitergehende Druckentlastung ist möglich, wenn die Entlastungskammer 57 mit Druckluft 5 gefüllt wird, da sich dann der Druckkolben 54 und der Materialkolben 42 noch weiter gegen die Federkraft des Federelements 61 nach rechts bewegen. Die Kraft bedingt durch den nun reduzierten Materialdruck und die Kraft aufgrund des Drucks in der Entlastungskammer 57 einerseits und die Federkraft des Federelements 61 andererseits stehen dann in einem Kräftegleichgewicht. Um ein Ausdosieren nach der Pause wieder zu starten, kann bei Drucklosstellung der Entlastungskammer 57 die Belastungskammer 55 wieder unter Druck gesetzt werden, sodass sich in der Materialkammer 43 wieder der erforderliche Materialdruck einstellt. Dabei kann der Verbund aus Druckkolben 54 und Materialkolben 42 wieder in seine Ausgangsposition gemäß Figur 3A gefahren werden. Dies kann durch eine entsprechende Regelung erfolgen, bei der die Position bzw. die Bewegung des Druckkolbens 54 erfasst wird.
• Figur 4 zeigt den Materialpuffer 40 ohne das Zylinderendteil 46 des Materialzylinders 41. Das Zylinderendteil 46 ist mit dem Mantelkörper 45 lösbar verbunden, wobei hier dargestellte Schrauben 64 als Befestigungsmittel dienen können. Bei demontiertem Zylinderendteil 46 lässt sich der Materialkolben 42 in eine über die erste Endposition hinaus gehende Pflegeposition verfahren, in der eine Sperrflüssigkeitskammer 65 mit zwei im Mantelkörper 45 eingeformten Querbohrungen 66 in eine fluidtechnische Verbindung gebracht wird. Die Querbohrungen 66 dienen dazu, eine Sperrflüssigkeit (siehe Pfeil 67) wie beispielsweise Öl in die Sperrflüssigkeitskammer 65 zu füllen oder die Sperrflüssigkeit auszutauschen. Figur 4 zeigt den Materialpuffer 40 in einer bevorzugten Ausrichtung, wenn die Sperrflüssigkeitskammer 65 mit der Sperrflüssigkeit befüllt werden soll. Der Materialpuffer 40 oder seine Längsachse 44 liegen dabei in der Horizontalen, während die Sperrflüssigkeit von unten nach oben in die Sperrflüssigkeitskammer 65 strömt. Durch diese Anordnung kann die Bildung von Luftblasen in der Sperrflüssigkeitskammer vermieden werden.
• Die Sperrflüssigkeitskammer 65 ist als umlaufende Nut an einer Kolbenmantelfläche 68 ausgeführt. An jeder axialen Seite der umlaufenden Nut ist eine Dichtung 69 vorgesehen. Die Sperrflüssigkeit bildet somit eine Sperrvorlage an der Kolbenmantelfläche 68. Nachdem die Sperrflüssigkeitskammer 65 neu befüllt worden ist, wird der Materialkolben 42 wieder in Richtung Druckzylinder 49 verschoben, sodass das Zylinderendteil 46 wieder mit Hilfe der Schrauben 64 an dem Mantelkörper 45 befestigt werden kann. Im montierten Zustand (siehe Figur 2) verschließt das Zylinderendteil 46 die Querbohrungen 66.
• Figur 5 zeigt das System 1 der Figur 1 in einer weniger schematischen Weise sowie zusätzliche Komponenten zur Bereitstellung von pneumatischem Druck für die Belastungskammer 55 und Entlastungskammer 57. Über ein 5/3-Wegeventil 71 und ein vorgeschaltetes Proportionaldruckregelventil 72 lässt sich über eine Druckluftleitung 73 ein gewünschter Druck in der Belastungskammer 55 einstellen. Über das 5/3-Wegeventil 72 kann über eine weitere Druckluftleitung 74 der Druck in der Entlastungskammer 57 eingestellt werden.
• Ein Positionssensor 75 erfasst die Position des Druckkolbens 54. Mit der Position des Druckkolbens 54 sind auch die Position des Materialkolbens 42 und somit der Füllstand des Materialpuffers 40 bzw. das Volumen der Materialkammer 43 bekannt.
• Zwischen der Dosierpumpe 20 und dem Materialpuffer 40 ist ein Drucksensor 80 vorgesehen, durch den der Druck am Eingang der Dosierpumpe 20 erfasst werden kann. Das Dosierventil 30 umfasst ein 2/2-Wegeventil 31.
• Es folgt nun eine Beschreibung verschiedener Zustände (Füllen, Entleeren) des Systems 1. Bei der Förderung aus dem Materialpuffer 40 (Versorgungsstation 10 inaktiv; Pufferbetrieb) wird der vorgesehene Versorgungsdruck am Eingang der Dosierpumpe 20 durch den entsprechenden Druck in der Belastungskammer 55 erreicht. Dieser Druck in der Belastungskammer 55 kann zum Beispiel durch eine Regelschleife in der Steuerung, abhängig vom gemessenen Druck vor der Dosierpumpe 20, ermittelt werden. Im einfachsten Ansatz wird der pneumatische Druck für die Belastungskammer 55 als eine Stellgröße (ohne Regelschleife) anhand von Erfahrungswerten fix eingestellt.
• Es hat sich bewährt, zwei unterschiedliche Drücke in der Belastungskammer 55 für die beiden Zustände Dosieren und Stillstand zu verwenden. Hierdurch kann der Druck am Eingang der Dosierpumpe 20 im Betrieb deutlich konstanter gehalten werden.
• Beim Übergang vom Pufferbetrieb auf die erneute Versorgung aus der Versorgungsstation 10 ist es sehr wichtig, dass der Mindestdruck am Eingang der Dosierpumpe 20 nicht unterschritten wird. Dies könnte zum Beispiel durch zu schnelles Wiederfüllen des Materialpuffers 40 der Fall sein. Um die ausreichende Versorgung der Dosierpumpe 20 mit einem nötigen Versorgungsdruck und das gleichzeitige Wiederfüllen des Materialpuffers 40 im Betrieb reibungslos gewährleisten zu können, hat es sich als vorteilhaft herausgesellt, wenn der pneumatische Druck in der Belastungskammer 55 leicht unter den zuvor im Pufferbetrieb notwendigen Druck abgesenkt wird (Reduzierungsfaktor z.B. 0,9). Hierdurch füllt die Versorgungsstation 10 sowohl den Materialpuffer 40 wieder auf und hält auch den Versorgungsdruck am Eingang der Dosierpumpe 20 aufrecht. Alternativ könnte auch der Solldruck am Eingang der Dosierpumpe 20 beim Betrieb mit der Versorgungsstation 10 geringfügig höher als bei der Versorgung durch den Materialpuffer 40 gewählt werden (z.B. 2 bar). Der pneumatische Druck in der Belastungskammer 55 wird dabei mit den letzten beiden Werten für den Dosierbetrieb und den Stillstandsbetrieb fixiert. Dadurch ist sichergestellt, dass sich der Materialpuffer 40 wieder langsam füllt und gleichzeitig am Eingang der Dosierpumpe 20 zumindest der Druck, welcher beim Betrieb aus dem Materialpuffer 40 nötig war, anliegt. Dies hat ebenfalls den Vorteil, dass ein kurzfristiger Umstieg vom Betrieb aus der Versorgungsstation 10 auf den Betrieb aus dem Materialpuffer 40 auch sehr einfach möglich ist.
• Der Pneumatikdruck in der Belastungskammer 55 während der Versorgung aus der Versorgungsstation 10 hat zusätzlich den Vorteil, dass die Kraft auf das elastische Federelement 61 im Normalbetrieb geringer ist. Dies wiederum führt zu einer geringeren Stauchung des elastischen Federelements 61 im Normalbetrieb, was wiederum mehr mögliches Entlastungsvolumen z.B. im Standby-Zustand zur Verfügung stellt.
• Durch den Positionssensor 75 des Materialpuffers 40 kann der Füllstand überwacht werden. Dies liefert wichtige Informationen bezüglich der restlichen verbleibenden Zeit bis ein Wechsel der Materialbehälter in der Versorgungsstation 10 abgeschlossen sein muss und die Versorgungsstation 10 wieder die Versorgung der Dosierpumpe 20 übernehmen muss. Dies kann durch Erkennen des bisherigen Verbrauchsschemas auch entsprechend als Vorhersage der Restzeit umgesetzt werden.
• Wird beim Betrieb aus der Versorgungsstation 10 erkannt, dass sich der Materialpuffer 40 entleert, ist davon auszugehen, dass der momentane pneumatische Druck in der Belastungskammer 55 zu hoch ist. Dies kann z.B. durch Änderungen in der Viskosität des Klebstoffs oder durch Änderungen am Ablauf des Dosiervorgangs (z.B. Dosierrate) der Fall sein. Wird dies erkannt, muss der Druck in der Belastungskammer 55 verringert werden. Dazu sind verschiedene Verfahren denkbar. Dieser könnte z.B. stufenweise reduziert werden oder auch über einen Regelalgorithmus entsprechend angepasst werden. Umgekehrt kann auch ein zu niedriger Druck in der Belastungskammer 55 durch den Positionssensor 75 erkannt werden. Dieser zu niedrige Druck würde sich in einer zu starken Stauchung des elastischen Federelements 61 zeigen und würde wiederum entsprechende Gegenmaßnahmen bezüglich einer Druckerhöhung in der Belastungskammer 55 erfordern.
Bezugszeichenliste

1

System

2

Materialfluss/Pfeil

3

Materialfluss/Pfeil

4

Druckluft/Pfeil

5

Druckluft/Pfeil

6

Entlüftung/Pfeil

10

Versorgungsstation

11

Förderpumpe

12

Rückschlagventilen

20

Dosierpumpe

30

Dosierventil

31

2/2-Wegeventil

40

Materialpuffer

41

Materialzylinder

42

Materialkolben

43

Materialkammer

44

Längsachse

45

Mantelkörper

46

Zylinderendteil

47

Materialausgang

48

Kolbenstange

49

Druckzylinder

50

Mantelkörper

51

erster Zylinderdeckel

52

zweiter Zylinderdeckel

53

Verbindungsteil

54

Druckkolben

55

Belastungskammer

56

Öffnung

57

Entlastungskammer

58

Öffnung

59

Öffnung

60

rückwärtiger Raum

61

Federelement

62

erstes stirnseitiges Ende

63

zweites stirnseitiges Ende

64

Schraube

65

Sperrflüssigkeitskammer

66

Querbohrung

67

Sperrflüssigkeit/Pfeil

68

Kolbenmantelfläche

69

Dichtung

70

Vertiefung

71

5/3-Wegeventil

72

Proportionaldruckregelventil

73

Druckluftleitung

74

Druckluftleitung

75

Positionssensor

80

Drucksensor

Claims (12)

1. Materialpuffer (40) für ein System (1) zur Förderung und Dosierung eines viskosen Materials, wobei das System (1) eine Dosierpumpe (20) und eine Versorgungsstation (10) mit einer Förderpumpe (11) umfasst, wobei der Materialpuffer (40) zwischen der Versorgungsstation (10) und der Dosierpumpe (20) einsetzbar ist und aufweist:

   - einen Materialzylinder (41);

   - einen Materialkolben (42), der mit dem Materialzylinder (41) eine das Material aufnehmende Materialkammer (43) begrenzt, in der ein Materialdruck herrscht;

   - eine Kolbenstange (48), die mit dem Materialkolben (42) verbunden ist und als Hohlstange ausgebildet ist, sodass das Material durch die Kolbenstange (48) in die Materialkammer (43) einleitbar ist;

   - einen Druckzylinder (49), durch den die Kolbenstange (48) führt;

   - einen Druckkolben (54), der an der Kolbenstange (48) befestigt ist,

   wobei der Druckkolben (54) und der Druckzylinder (49) eine Belastungskammer (55) und eine Entlastungskammer (57) begrenzen, die jeweils durch ein Druckmedium beaufschlagbar sind, und wobei das Volumen der Materialkammer (53) zunimmt, wenn das Volumen der Belastungskammer (55) abnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass an oder in dem Druckzylinder (49) ein elastisches Federelement (61) vorgesehen ist, das eine Federkraft auf den Druckkolben (54) ausübt, wenn die Belastungskammer (55) drucklos gestellt ist, wobei die Federkraft einer Kraft, die auf den Druckkolben (48) durch den Materialdruck entsteht, entgegenwirkt.
2. Materialpuffer (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Federelement (61) an einem ersten Zylinderdeckel (51) des Druckzylinders (49) abstützt, der die Belastungskammer (55) begrenzt.
3. Materialpuffer (40) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zylinderdeckel (51) eine Vertiefung (70) zur Fixierung und/oder Zentrierung des Federelements (61) aufweist.
4. Materialpuffer (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (61) als ein Hohlkörper ausgebildet ist, der um eine Mittelachse im Wesentlichen rotationssymmetrisch ist.
5. Materialpuffer (40) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse des Hohlkörpers und eine Längsachse (44) der Kolbenstange (48) zusammenfallen.
6. Materialpuffer (40) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper ein Hohlzylinder aus einem kompressiblen Kunststoff ist.
7. Materialpuffer (40) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der kompressible Kunststoff ein Elastomer aus Polyurethan ist.
8. Materialpuffer (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialkolben (42) an einer Kolbenmantelfläche (68) eine Sperrflüssigkeitskammer (65) zur Aufnahme einer Sperrflüssigkeit aufweist.
9. Materialpuffer (40) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der Kolbenmantelfläche (68) zwei axial zueinander beabstandete Dichtungen (66) vorgesehen sind, zwischen denen sich die Sperrflüssigkeitskammer (65) befindet.
10. Materialpuffer (40) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialzylinder (41) ein demontierbares Zylinderendteil (46) und einen Zylinderkörper (45) mit zwei Querbohrungen (66) aufweist, wobei in einem demontierten Zustand des Zylinderendteils (46) der Materialkolben (42) in eine Pflegeposition bewegbar ist, in der eine Befüllung der Sperrflüssigkeitskammer (65) durch die Querbohrungen (66) möglich ist.
11. Materialpuffer (40) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einem montierten Zustand das Zylinderendteil (46) die Querbohrungen (66) verschließt.
12. System (1) zur Förderung und Dosierung eines viskosen Materials, umfassend eine Versorgungsstation (10) mit einer Förderpumpe (11), eine Dosierpumpe (20) sowie einen zwischen der Förderpumpe (11) und der Dosierpumpe (20) vorgesehenen Materialpuffer (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.