WO2013045711A1 - Verfahren und vorrichtung zum dosieren eines arbeitsfluids - Google Patents

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WO2013045711A1
WO2013045711A1 PCT/EP2012/069389 EP2012069389W WO2013045711A1 WO 2013045711 A1 WO2013045711 A1 WO 2013045711A1 EP 2012069389 W EP2012069389 W EP 2012069389W WO 2013045711 A1 WO2013045711 A1 WO 2013045711A1
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pumping chamber
pressure
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PCT/EP2012/069389
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Harald Gentischer
Daniel Biro
Jan Specht
Florian Clement
Maximilian Pospischil
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
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    • B01L2400/0638—Valves, specific forms thereof with moving parts membrane valves, flap valves

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for dosing a bayfiuids.
  • fluids are delivered during dosing with the aid of pumps, such as diaphragm pumps, gear pumps, gerotor pumps, peristaltic pumps, peristaltic pumps or piston pumps.
  • pumps such as diaphragm pumps, gear pumps, gerotor pumps, peristaltic pumps, peristaltic pumps or piston pumps.
  • the fluid to be metered is provided in a plastic cartridge and is pressed directly, for example by compressed air from the cartridge or by a mechanically driven piston exerts a force on the fluid in the cartridge.
  • fluidic conveying devices which operate according to the extruder or screw conveyor principle are also known.
  • the challenge with dosing is not only to deliver and dispense a fluid, but also to control the delivered and dispensed amount with the accuracy needed for the particular application. If the application permits it, then gravimetric measuring methods are used to measure the quantity delivered. In this case, the mass of the dispensed fluid is determined at the issuing point during the dosing with a weighing device. In this case, only small demands are placed on the conveying accuracy of the fluidic conveying device, since the measuring accuracy is limited only by the accuracy of the weighing device.
  • volumetric metric method In favorable cases, flow meters can be used. In other cases, even the knowledge about the displacement volume of the fluidic conveying device is sufficient in dependence on the relative driving position of the displacing parts of the fluid conveying device in order to determine the conveyed quantity of the fluid. For example, in systems where the fluid is pushed directly out of a cartridge, the delivered amount of media may be determined by multiplying the piston area by the offset of the piston position. In contrast, when the fluid in these devices is displaced with the aid of compressed air, 10 usually time / pressure controlled control systems are used. In this case, one forms the integral of the pressure curve in the cartridge over time in conjunction with a mathematical model of the flow behavior of the respective fluid in the cartridge and in all connection and connection elements to the exit point.
  • the mechanical clearance is necessary in order to prevent parts of the dosing pump from becoming jammed by the particles embedded in the fluid or to prevent the stored particles from being deformed by moving parts of the fluidic conveying device.
  • the game results in that the achievable pressure is limited, thus only fluids can promote up to a bestimmst) th viscosity. As much as this increases the slippage of the fluidic delivery device, one loses the ability to determine the amount delivered via the displacement volume of the device.
  • the abrasive property of the stored particles leads to the progressive wear of all parts of the fluidic conveying device, which come into contact with the flowing medium. An undesirable consequence is in addition the wear of the device also the fact that the medium is contaminated by the particles removed by parts of the device.
  • Another form of complication are fluids with aggressive chemical or harmful properties. If such substances are promoted, only materials resistant to the respective substances can be used for the parts of the fluidic delivery device and for supply and discharge lines. This may result in restrictions on the achievable operating parameters. In addition, the expense of cleaning the device can be a high level and, as well as the provision of such fluids, pose a hazard to operators.
  • thixotropic fluids For filled, thixotropic fluids, it is particularly difficult to predict the flow properties because they exhibit non-Newtonian behavior, ie, the flow properties change in particular depending on the pressure and on the respective flow velocity at each individual point of the conveying path. External influences, such as temperature and air pressure, must also be taken into account from a specific dosing accuracy value. Even with the slightest changes to the system or the external conditions, for example when a different nozzle is used, the mathematical model has to be adapted in a complex manner. Particularly unfavorable is the fact that separate, extremely complex Theological investigations must be carried out for each fluid used to determine the parameters necessary for operation for calculating the flow behavior.
  • the difficult-to-calculate expansion behavior of the cartridge as a function of the pressure in the cartridge and of the ambient pressure must also be included in the calculation. Even if this is successful, the elongation of the cartridge in each Einzeldosiervorgang leads to a time lag between the time of pressure build-up and reaching the yield point of the fluid and thus to a delay of the fluid output, whereby the number of Einzeldosiervor réelle per unit time is severely limited. Slightly better accuracy values can be achieved if the fluid-displacing force is not introduced by means of compressed air but with a mechanically driven piston. Limiting factors in this variant, however, continue to be the expansion behavior of the cartridge and the positioning accuracy of the piston.
  • a device for dosing liquids comprising an optical fluid measuring device is disclosed in DE 10 2008 016 513 A1.
  • a device for dosing small amounts of liquid with dispensing from a Suction volume is disclosed in DE 197 42 005 A1, a volumetric working
  • the present invention has for its object to provide a method and apparatus for metering a working fluid to output working fluids with a wide range of material parameters, in particular viscosities, with improved dosing accuracy.
  • the method according to the invention and the device according to the invention are intended to improve the metering of pasty working fluids and / or working fluids provided with solid particles with regard to the metering accuracy.
  • the inventive method is preferably designed for implementation by means of the device according to the invention and / or a preferred embodiment thereof.
  • the device according to the invention is preferably designed for carrying out the method according to the invention and / or a preferred embodiment thereof.
  • the invention is based on the Applicant's finding that, although pumps are known for high-precision metering, such high-precision metering pumps achieve the desired high accuracy only with liquids of particular parameters, in particular liquids in a certain viscosity range. When using such pumps for working fluids with different physical parameters, in particular different viscosities, thus fluctuates the dosing accuracy. In addition, highly viscous working fluids, such as pastes, are often not suitable for use with high accuracy dosing pumps.
  • a first aspect of the invention therefore consists in the inventive method and the invention Device to promote a defined volume of an incompressible pumping fluid by means of a metering pump, which pumping fluid in turn leads by displacement to a synchronous output of the working fluid:
  • the inventive method for metering a working fluid comprises the following method steps:
  • a working fluid is provided within a pressure-stable and dimensionally stable pumping chamber.
  • Pressure-stable here and below means that the pumping chamber is on the one hand dimensionally stable with respect to the intrinsic pressure occurring in the pumping chamber during use and, on the other hand, dimensionally stable with respect to the ambient pressure acting on the pumping chamber.
  • dimensionally stable means in this case and in the following that no or at least essentially none or a negligible deformation of the components through which fluid flows in the region of the required metering accuracy takes place due to the action of pressure.
  • step A an incompressible feeding takes place
  • the pump chamber is subdivided into a pump fluid region and a working fluid region, in a first variant I a flexible membrane forming the interface is arranged in the pumping chamber or in a second variant I I the pumping fluid directly adjoins the working fluid at the interface.
  • the working fluid is dispensed from at least one working fluid opening of the pumping chamber, in that the working fluid in the pumping chamber is displaced by supplying the pumping fluid.
  • the inventive method thus differs in at least two essential aspects of the prior art method for dosing an incompressible working fluid, on the one hand a decoupling between metering pump and working fluid takes place such that by means of the metering pump only an incompressible pumping fluid is promoted and on the other hand in terms of the operation of a dosing a complete mechanical coupling is achieved between the pumping fluid and Häfiuid by a flexible membrane (variant I) is disposed at an interface in the pumping chamber or the pumping fluid directly adjacent to the Häfiuid ⁇ variant II), this results in particular the advantages that pumping fluid and metering pump with respect to a maximum possible Metering accuracy can be optimized.
  • the physical properties of the pumping fluid can be chosen such that the greatest possible metering accuracy is achieved by means of the metering pump used.
  • the dosing accuracy is substantially due to the dosing accuracy, by which the metering pump promotes the pumping fluid, due, so that the dosing accuracy achieved is largely independent of the Häfiuid used.
  • the interface between working fluid and pumping fluid is either formed by a flexible membrane or the pumping fluid immediately adjoins the working fluid. As a result, a significantly larger range of working fluids can be metered with higher accuracy, compared to previously known dosing methods.
  • the invention is based in particular on the recognition of the Applicant that the highest possible dosing accuracy values can be achieved if the dosing quantity does not have to be measured either directly or indirectly, but in which the desired volume to be dispensed can be deliberately and reliably pre-determined with a suitable device. This is realized with the method according to the invention.
  • the device according to the invention for metering a working fluid comprises a pressure-stable and dimensionally stable pumping chamber and a metering pump for conveying an incompressible fluid
  • the metering pump is connected via a fluid line with a pumping fluid opening of the pumping chamber in order to supply and / or discharge pumping fluid and the pumping chamber has at least one working fluid opening in order to supply and / or remove a working fluid.
  • the pumping chamber is designed in such a way that, in use, an interface between the pumping fluid and the working fluid is formed in the pumping chamber, which interface divides the pumping chamber into a pumping fluid region in which the pumping fluid opening m opens and a working fluid region in which the working fluid orifice opens, wherein in a variant I, an interface forming the flexible membrane is arranged in the pumping chamber or in a variant II, the pumping fluid at the interface directly adjacent to the working fluid.
  • the device according to the invention also has the aforementioned advantages of the method according to the invention.
  • the pumping chamber for receiving a working fluid-containing cartridge is formed with an at least partially flexible designed cartridge wall.
  • at least the flexibly formed part of the cartridge wall forms the flexible membrane according to variant I.
  • the working fluid can be provided in a simple manner according to method step A by arranging the cartridge in the pumping chamber.
  • the pumping chamber has seals and / or a closure system for fluid-tight application of the cartridge walls to walls of the pumping chamber, so that after arranging the cartridge in the pumping chamber, the area not executed by the cartridge in the pumping chamber is fluid-tight and only via the pumping fluid opening a volume exchange is possible.
  • the flexible membrane is arranged in the pumping chamber and fluid-tightly connected to one or more walls of the pumping chamber.
  • the distribution of the pumping chamber in the pumping fluid region and working fluid region is given by the membrane and the volume changes of these regions, ie for example enlargement of the volume of the pumping fluid region and at the same time reduction of the volume of the working fluid region for dispensing working fluid, take place by deformation and / or stretching of the membrane
  • the membrane is formed after a bubble, which bubble is arranged within the pumping chamber and only has an opening which encloses the pumping fluid opening or in another preferred embodiment, the working fluid opening.
  • pump fluid can thus be fed into the bladder opening and thus into the bladder via the pump fluid opening and can be discharged from the bladder.
  • working fluid can be introduced into the bladder through the bladder opening via the working fluid opening or out of the bladder.
  • the metering accuracy of prior art metering systems is surprisingly affected to a degree not to be neglected by fluctuations in the ambient pressure.
  • at least the flow path between the metering pump and the pumping chamber is pressure-stable with respect to ambient pressure acting on the device.
  • the metering pump is connected in a fluid-conducting manner to the pumping chamber via lines which are stable in terms of external pressure and internal pressure and are dimensionally stable.
  • the volume flowing into the pumping chamber corresponds at all times to the effluent at the working fluid openings Volume.
  • a relief valve is opened, which is pressure-compensating connected to an environment and the pumping fluid region and / or the working fluid region of the pumping chamber.
  • the relief valve may be formed as a vent valve, as described below in an advantageous manner.
  • a flexible surge tank can be provided which can be connected via the relief valve. Til fluidly connected to the pumping fluid region and / or the working fluid region of the pumping chamber, so that when the relief valve is open
  • the relief valve is connected to the working fluid portion of the pumping chamber to efficiently provide pressure equalization with the environment upon completion of the dosing operation.
  • the aforesaid preferred embodiment comprising a relief valve is particularly useful in dynamic printing operations, i. H. Printing processes in which a plurality of Dosiermengen, in particular in a short cycle must be delivered, advantageous.
  • a plurality of Dosiermengen in particular in a short cycle must be delivered
  • highly dynamic metering operations are required, so that in particular in such an application, the previously described advantageous embodiment comprising a relief valve considerable advantages in terms Dosing accuracy offers.
  • the relief valve is closed before method step B, preferably before method steps A and B, so that regardless of the ambient pressure, the supply of a predetermined volume of the pumping fluid or on the provision of the working fluid.
  • Applicant's investigations have furthermore shown that the dosing accuracy can still be impaired by an output delay in process step B.
  • the feeding of the predetermined volume of the incompressible pumping fluid in process step B leads to an output of the working fluid from the working fluid opening only with a time delay. This may be due to the fact that no complete venting has taken place or that at other places there are at least slightly compressible elements or volumes which thus result in no ideal pressure-stable system of incompressible liquids being present.
  • a pre-pressure which is in the range from 50% to 95%, preferably 85% to 95%.
  • a pre-pressure in the working fluid region of the pumping chamber is thus already generated before the actual dosing, but which form is below a pressure threshold for the output of working fluid.
  • a compression of any compressible volumes or other pressure-receiving elements is already achieved when building up the form, so that at the start of the actual dosing no or a significantly reduced delay is achieved until the output of the working fluid and thereby the dosing accuracy is further increased.
  • the application of a pre-pressure is preferably also via the metering pump and supplying pumping fluid in the pumping fluid region of the pumping chamber.
  • pressure sensors are preferably provided in the pumping chamber, preferably in the pumping fluid region of the pumping chamber, in order to build up a predetermined admission pressure in the pumping chamber by means of a likewise preferably provided control unit.
  • the pre-pressure described above can be generated by means of the metering pump. It is particularly advantageous, the admission pressure exclusively by means of a suction side of the pump arranged pressure source, in particular a one
  • the inlet pressure on the suction side of the metering pump is at least 90% of the pressure required to dispense working fluid. Since a pump is typically not absolutely pressure-tight even at a standstill, the pre-applied pressure on the suction side transmits at least attenuated even when the pump is stationary pressure on the pumping fluid and thus the pumping chamber and the working fluid in the working fluid.
  • the pumping chamber has a venting valve fluidly connected to the pumping fluid region.
  • a venting valve fluidly connected to the pumping fluid region.
  • the metering pump is connected in a fluid-conducting manner, on the one hand, to the pumping fluid filling of the pumping chamber and, on the other hand, to a pumping fluid reservoir.
  • the pumping fluid reservoir is pressure-stable in relation to the ambient pressure or designed to be closed in a pressure-stable manner.
  • pumping fluid can be provided in a simple manner for introduction into the pumping chamber and, when the pumping chamber is emptied, the pumping fluid pumped off from the pumping chamber can be stored again in the pumping fluid reservoir.
  • the pressure-stable design leads to an additional increase in the dosing accuracy, as in this preferred embodiment, the suction side of the metering pump ⁇ when pumping pump fluid into the pumping chamber) no or at least substantially no pressure fluctuations in a change in ambient pressure, or by the pressure fluctuations that resulting from the changes in the level in the pumping fluid reservoir, occur.
  • a compressed gas source it is particularly advantageous for a compressed gas source to be connected in a fluid-conducting manner to the pump fluid reservoir.
  • a constant pressure in the pumping fluid reservoir can be maintained even when removing pumping fluid by means of the compressed gas, so that in addition the pressure conditions are kept constant on the suction side of the metering pump and thus additionally the metering accuracy is increased.
  • a further increase in the dosing accuracy is achieved in a preferred embodiment in that a pressure control valve is arranged between the pump fluid reservoir and dosing pump, so that the pressure applied to the dosing pump can be regulated to a constant value by means of the pressure control valve on the suction side in order to increase the dosing accuracy even further.
  • a pressure control valve is arranged between the pump fluid reservoir and dosing pump, so that the pressure applied to the dosing pump can be regulated to a constant value by means of the pressure control valve on the suction side in order to increase the dosing accuracy even further.
  • step A pumping fluid is removed by means of the metering pump from the pumping chamber to generate a negative pressure in the pumping chamber and to introduce working fluid from a working fluid reservoir into the pumping chamber.
  • the metering pump can be additionally used to suck working fluid into the pumping chamber to provide the working fluid for a subsequent metering in the pumping chamber available.
  • a fluid line which is connected to a working fluid reservoir is connected to the working fluid opening and after provision of the working fluid in the pumping chamber this fluid line is removed again.
  • a working fluid reservoir is provided which is conductively connected to the working fluid region of the pumping chamber.
  • the working fluid reservoir it is particularly advantageous for the working fluid reservoir to be fiuid attired connected thereto via a second opening of the pumping chamber, so that this opening is thus formed as Pakistanfluidzu- opening to direct working fluid from the working fluid reservoir into the pumping chamber and continue the pumping chamber having the aforementioned working fluid opening which is thus formed in this preferred embodiment as Häfluidausgabeötechnisch.
  • the venting of the pumping chamber in the flow path between the working fluid reservoir and the pumping chamber and / or on the working fluid discharge opening optionally closable valves to close the working fluid dispensing opening when filling the working fluid area of the pumping chamber and to open the flow path between working fluid reservoir and pumping chamber ,
  • the working fluid reservoir is preferably pressure-stable with respect to the ambient pressure and is dimensionally stable or at least pressure-resistant and can be closed in a dimensionally stable manner.
  • a compressed gas source is provided, which is fluid-conductively connected to the working fluid reservoir.
  • a compressed gas source is provided, which is fluid-conductively connected to the working fluid reservoir.
  • the metering pump can be designed in the manner of known per se known conveying devices for incompressible pump fluids and it is basically at the discretion of the person skilled in the art to use any conveying device as a metering pump.
  • a pumping device which consists of a filled with pump fluid cylinder-piston unit, the piston by means of further hyd raulischer components and / or mechanical com ponents is movable, can also be used as a metering pump.
  • the metering pump is preferably designed as a piston, gear or tooth ring pum pe.
  • the individual components of the dosing pump used preferably have a sufficiently high degree of precision in interaction, so that elastic seals can be dispensed with and the dosing accuracy is increased hereby.
  • the pumping fluid preferably has Newtonian flow properties.
  • the viscosity of the pumping fluid is in the range between 5000 mPas and 40,000 mPas. In this area, according to experience, suitable metering pumps have the greatest tightness or the lowest slip.
  • gaseous working fluids it is within the scope of the invention to use gaseous working fluids.
  • a particularly high accuracy of the dispensed volume of the working fluid results in particular when using incompressible working fluids and in this case preferably from a liquid as the working fluid.
  • a hydraulic cylinder is preferably arranged so that a first volume of a first hydraulic cylinder with the Pumpfluido réelle the Pumpkamme and a first volume of the second hydraulic cylinder is fluidly connected to the metering pump.
  • the pistons of the two hydraulic cylinders are mechanically coupled such that a volume change in the first volume of the second cylinder due to the mechanical coupling of the pistons results in a volume change in the first volume of the second hydraulic cylinder. It is essential that the piston cross-sectional area of the second hydraulic cylinder is greater than the piston cross-sectional area of the first hydraulic cylinder.
  • a volumetric gear ratio is thus achieved by means of the metering pump, a first volume is conveyed, which leads to the introduction of a second volume of pumping fluid into the pumping chamber, wherein the first volume is greater than the second volume.
  • orzugswelse here is a gear ratio of at least 1: 2.
  • the transmission ratio is preferably selected according to the required dosing accuracy.
  • a further increase in the metering accuracy is achieved, since in particular small volumes can not be metered with high accuracy by means of a metering pump.
  • Due to the volumetric translations by means of the two hydraulic cylinders with different piston cross-sectional area a pumping fluid can thus be conveyed into the pumping chamber, by contrast, a larger volume by means of the metering pump for introducing a predetermined volume.
  • the two hydraulic pistons can be bridged by means of a bypass line, so that optionally there is a direct fluid-conducting connection between metering pump and pumping chamber, in particular in order to fill the pumping fluid region of the pumping chamber with pumping fluid.
  • a particularly simple embodiment of this selectively switchable bypass fluid line is obtained by a valve is arranged in the bypass fluid line and in a fluid id réelle between metering pump and second hydraulic cylinder also a valve is arranged.
  • the flow paths are preferably configured such that - when pumping fluid is pumped into the pumping chamber - a flow path branching is formed on the pressure side of the metering pump, whereby one branch via an optionally closable valve as a bypass line leads directly to the backfilling of the pumping chamber and the other branch via a second optionally closable valve opens into the first volume of the second cylinder-piston unit.
  • the device according to the invention and the method according to the invention are fundamentally suitable for applications in which a highly accurate metering of a working fluid is necessary.
  • it is particularly suitable for applications in which highly viscous working fluids are used, in particular working fluids having a high viscosity and / or fields of application where pasty working fluids are used and / or applications using solid state fluids and / or applications using non-Newtonian working fluids and / or aggressive or noxious chemical properties.
  • the device according to the invention and / or the method according to the invention are therefore preferably designed for the use of and / or are preferably used with
  • a non-Newtonian fluid as the working fluid, preferably one with
  • Solid particles filled fluid in particular with metal particles and / or ceramic particles (eg glass frit) filled fluid;
  • a preferred application relates to the production of photovoltaic solar cells:
  • process steps are often necessary in which a paste-like working fluid to be applied in one or more parallel tracks on a semiconductor substrate.
  • the pasty working fluid may be, for example, a metal particle-containing paste having a viscosity of bi to 500,000 mPas for producing a metallic contacting structure.
  • a dopant-containing paste for generating doping regions in the semiconductor substrate is possible.
  • inventive method and the device according to the invention are suitable for incompressible fluids.
  • the method according to the invention and the device according to the invention are also suitable for compressible fluids, in particular compressible gases, due to the high dosing accuracy.
  • Further preferred fields of application are:
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a device according to the invention, in which a working fluid region of a pumping chamber is filled via a working fluid opening;
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a device according to the invention, in which working fluid from a working fluid area via a
  • FIG. 1 shows a third embodiment according to the structure of Figure 1, which additionally comprises a volumetric translation device.
  • Figure 4 shows a fourth embodiment of a device according to the invention according to the second embodiment of Figure 2, which additionally has a volumetric translation device.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a device A for metering a working fluid 1.
  • a first embodiment of a method according to the invention will be further described.
  • the working fluid 1 is located in a cartridge 2.
  • the cartridge 2 is arranged in a pumping chamber 3 in a method step A.
  • the cartridge 2 has a working fluid opening 4 and, after insertion into the pumping chamber 3 at the edges of the working fluid opening 4, is connected in a fluid-tight manner to an edge of the pumping chamber 3 surrounding the working fluid opening 4.
  • the working fluid 1 is in each case designed as a printing paste provided with metal particles. forms.
  • the printing paste is applied to a semiconductor substrate, preferably a preliminary stage in the production process of a photovoltaic solar cell, to form a metallic contacting structure.
  • the enclosed by the cartridge 2 volume, which is filled with working fluid thus represents the working fluid in the pumping chamber 3.
  • a metering pump 5 which is designed for example as a gerotor pump is connected via a pressure-stable and dimensionally stable fluid line 8 with a pumping fluid opening of the pumping chamber 3 ,
  • the metering pump 5 is furthermore connected to a pump fluid reservoir 9 via a pressure-stable fluid line.
  • pumping fluid 6 can thus be conveyed out of the pumping fluid reservoir 9 into a pumping fluid region of the pumping chamber 3 by means of the metering pump 5. If necessary, in the
  • Pump fluid portion of the pumping chamber 3 located gas is discharged via a vent valve 7, wherein a collecting container 1 5 is provided to catch possibly exiting via the vent valve pumping fluid 6.
  • a predetermined amount of pumping fluid 6 is supplied to the pumping chamber 3 by means of the metering pump 5. Since the pumping fluid is incompressible and since both the pumping fluid and the working fluid share the volume contained in the pressure-stable and dimensionally stable pumping chamber, the volume of pumping fluid 6 supplied to the pumping chamber corresponds to the volume of working fluid 1 dispensed at the working fluid port 4.
  • the working fluid 1 is thus dispensed, since in the pumping chamber 3 by supplying pumping fluid 6, the volume of the pumped fluid area increases and correspondingly decreases due to displacement of the volume of the working fluid area.
  • the outer wall of the cartridge 2 is designed to be flexible and thus forms the flexible membrane between the pumping fluid region and the working fluid region. During the dispensing operation of working fluid 1, a pressure P is thus discharged into the pumping chamber 3 without any significant delay by supplying pumping fluid 6. built, which leads to a reduction of the volume of the working fluid in the pumping chamber 3.
  • the high dosing accuracy is thus on the one hand by the design of the metering pump as a high-precision metering pump in training, for example, as a toothed ring pump, which steals no elastic seals, guaranteed. Furthermore, at least the elements arranged in the region C are in each case pressure-stable and dimensionally stable, so that an internal volume enclosed by these elements does not change either with a change in the ambient pressure B or by the overpressure in the interior.
  • the metering pump 5 is on the suction side (in terms of the direction of flow when supplying pumping fluid 6 to the pumping chamber 3) via a fluid line with a
  • Pumpfluidreservoir 9 connected.
  • the fluid line between Pumpfluidreservoir 9 and metering pump 5 is also formed pressure stable to further increase the dosing accuracy.
  • a pressure-stable design is sufficient at this point, since before the pump only the constant pressure is important and not a constant volume.
  • a dimensionally stable design of this fluid line is therefore not absolutely necessary.
  • a pressure regulating valve 1 1 is provided, by means of which the suction side of the metering pump (conveying pumping fluid into the pumping chamber 3) applied pressure is predetermined, so achieved due to this suction side constantly applied to the metering pump during the delivery pressure, a further increase in dosing accuracy becomes.
  • the dosing accuracy is increased by the pumping fluid reservoir 9 formed pressure stable and pressure-sealed from the environment.
  • a constant gas pressure is generated in the region of the pumping fluid reservoir 9 not occupied by the pumping fluid by means of a compressed gas source 10 via a fluid line which has an optionally closable valve 13, so that additionally a pressure fluctuation on the suction side of the metering pump 3 is avoided.
  • pumping fluid is pumped out of the pumping chamber 3 by means of the metering pump 5 into the pumping fluid reservoir 9 by conveying inversion. In this case, the valve 13 is closed and a vent valve 14 is opened.
  • the dosing accuracy is increased, in particular in dynamic metering processes, by opening the venting valve 7 after method step B in a method step C so that pressure equalization between the pumping fluid region 6 'and the environment (via the collecting container open to the environment 15) is produced and thus an immediate termination of the output of working fluid from the working fluid opening 4 is achieved.
  • the bleeder valve 7 thus also serves as a relief valve in this preferred embodiment. Before the next dosing operation, the venting relief valve 7 is closed again in order to allow a pressure build-up in the pumping chamber 3 by means of the dosing pump 5.
  • a pre-pressure in the pumping chamber 3 is constructed prior to the dosing, which corresponds to about 90% of the pressure at the working fluid exiting the working fluid opening 4.
  • the pumping chamber 3 has a pressure sensor (not shown) in the working fluid region, which is connected to a control unit (also not shown).
  • the control unit controls the dosing pump 5 depending on the measuring signals of the pressure sensor such that before starting the actual dosing of the predetermined form in the
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a device according to the invention, with reference to which a second exemplary embodiment of the method according to the invention is described.
  • the second embodiment of the device according to the invention and of the method according to the invention is fundamentally similar to the respective first exemplary embodiment.
  • the device according to Figure 2 also has the above-described components metering pump 5, pressure control valve 1 1, pumping fluid reservoir 9, valves 13 and 14 and the compressed gas source 10 for providing a form Q on.
  • a pumping chamber 3 'of the device comprises an elastic bladder 23 formed by an elastic membrane.
  • the elastic membrane is fixed on the inside to a wall of the pumping chamber 3 'fluid-tight and encloses an opening of the elastic bubble a pumping fluid opening 24 of the pumping chamber 3'.
  • the metering pump 5 is thus optionally pumping fluid via the pumping fluid port 24 into the elastic bladder 23 can be supplied or discharged from the elastic bladder.
  • the elastic bladder thus divides the pumping chamber 3 'into a pumping fluid area enclosed by the elastic bladder and a working fluid area outside the elastic bladder in the pumping chamber 3'.
  • the device according to FIG. 2 has a working fluid reservoir 16 which is designed to be pressure-stable and is fluid-conductively connected to the working fluid region of the pumping chamber 3 'via pressure-stable lines 18 and 18' via a shut-off valve 17. Furthermore, the pumping chamber 3 'on a vent valve 19, which is also fluidly connected to the working fluid region of the pumping chamber 3', wherein a vent line via the vent valve 19 opens into a collecting container 20.
  • the venting valve 19 is opened and pumping fluid is introduced into the elastic bladder 23 by means of the metering pump 5 so that the elastic bladder 23 expands and any gas present in the working fluid area of the pumping chamber 3 'is discharged via the vent line and the vent valve 19, then the vent valve 1 9 is closed and the shut-off valve 17 is opened so that when pumping fluid from the elastic bladder 23 by means of the metering pump 5, the elastic bladder 23 is reduced in volume and thus working fluid from the working fluid reservoir 16 flows into the working fluid region of the pumping chamber 3 '.
  • the shut-off valve 17 is closed. It is within the scope of the invention, when filling the working fluid region of the pumping chamber 3 'to close the working fluid discharge opening 22 of the pumping chamber 3' by means of a further valve. However, it is also possible to provide such a valve at the working fluid discharge opening 22 and instead to select the admission pressure by means of the compressed gas source 26 always during the filling process equal to the ambient pressure, so that at the working fluid discharge opening 22 neither an excess nor a negative pressure.
  • valves 17 and 19 are closed and it is in a step B by means of the metering pump 5 as previously described in Figure 1 pumping fluid 6 from the pumping fluid reservoir 9 into the pumping chamber 3', that is in the elastic bladder 23 introduced.
  • the elastic bladder 23 expands accordingly and displaces working fluid discharged from the working fluid opening 22.
  • Figure 3 shows a third embodiment of a device according to the invention, which is similar in basic construction to the first embodiment shown in FIG.
  • a third embodiment of a method according to the invention will be described, which thus also resembles the first embodiment of a method according to the invention in the basic sequence.
  • the device according to FIG. 3 has a volumetric translation device 30.
  • This comprises a first cylinder-piston unit 31 and a second cylinder-piston unit 32.
  • a first volume 31 a of the first unit 31 is fluid-conducting with a pump fluid inlet Opening a pumping chamber connected.
  • a first volume 32a of the second unit 32 is connected to a metering pump for conveying pumping fluid.
  • a bypass line for bypassing the units 31 and 32 is provided between the metering pump and the pumping chamber, which bypass line has a shut-off valve 28. Between the shut-off valve 28 and metering pump, a branch is provided in the flow path, which leads via a further shut-off valve 29 to the first volume 32 a of the unit 32.
  • pumping fluid For filling the pumping fluid region of the pumping chamber and for removing pumping fluid from the pumping chamber, by closing the valve 29 and opening the valve 28 as described above, pumping fluid can be fed into the pumping chamber or removed from the pumping chamber by means of the metering pump.
  • valve 28 is closed and the valve 29 is opened.
  • pumping of pumping fluid by means of the dosing pump into the pumping chamber thus takes place only indirectly.
  • FIG. 4 shows a fourth exemplary embodiment, which in principle is similar in construction to the second exemplary embodiments.
  • a volumetric translation unit 30 with a first unit 31 and a second unit 32 and a valve 28 and a bypass line and a valve 29 is additionally arranged. The operation follows analogously to the method described with reference to FIG. 2, the volumetric translation as described with respect to FIG. 3 being used to increase the dosing accuracy when the processing fluid is dispensed.
  • All embodiments have in common that due to the pressure-stable and dimensionally stable design of the pumping chamber (3, 3 ') and the connecting elements (8) to the metering pump (5) and due to the fact that pumping fluid (6, 6') and working fluid (3, 3 ') in the region between the metering pump (5) and the working fluid opening (4, 4') share the same volume, the volume flowing into the pumping chamber (3, 3 ') at all times at the working fluid openings (4, 4') outflowing volume corresponds.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dosieren eines Arbeitsfluids, folgende Verfahrensschritte umfassend: A. Bereitstellen des Arbeitsfluids (1, 1 ') innerhalb einer druckstabilen und formsteifen Pumpkammer (3, 3'); B. Zuführen eines vorgegebenen Volumens eines inkompressiblen Pumpfluids (6, 6') mittels einer Dosierpumpe (5) in die Pumpkammer (3, 3'), wobei in der Pumpkammer (3, 3") an einer Grenzfläche zwischen Pumpfluid (6, 6') und Arbeitsfluid, welche Grenzfläche die Pumpkammer (3, 3') in einen Pumpfluidbereich und einen Arbeitsfluidbereich unterteilt, I. eine die Grenzfläche bildende flexible Membran in der Pumpkammer (3, 3') angeordnet wird, oder II. das Pumpfluid (6, 6') an der Grenzfläche unmittelbar an das Arbeitsfluid angrenzt, und Ausgeben des Arbeitsfluids (1, 1') aus mindestens einer Arbeitsfluidöffnung (4, 4') der Pumpkammer (3, 3'), indem das Arbeitsfluid (1, 1') in der Pumpkammer (3, 3') durch Zuführen das Pumpfluids (6, 6') verdrängt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Dosieren eines Arbeitsfluids.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Dosieren eines Arbeitsfiuids
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Dosieren eines Arbeitsfiuids.
Bei einer Vielzahl technischer Anwendungen ist es erforderlich, Fluide aus einem Reservoir in definierten Einzelmengen oder mit einem definierten Volumenstrom mit einem vorgegebenen Dosiergenauigkeitswert auszugeben bzw, zu fördern.
Üblicherweise werden Fluide beim Dosieren mit Hilfe von Pumpen, wie beispielsweise Membranpumpen, Zahnradpumpen, Zahnringpumpen, Schlauchpumpen, Peristaltikpumpen oder Kolbenpumpen gefördert. Häufig werden auch Systeme verwendet, bei denen das zu dosierende Fluid in einer Kunststoffkartusche bereitgestellt wird und unmittelbar, beispielsweise durch Druckluft aus der Kartusche gedrückt wird oder indem ein mechanisch angetriebener Kolben eine Kraft auf das Fluid in der Kartusche ausübt. Schließlich sind auch noch fluidische Fördervorrichtungen, die nach dem Extruder- bzw. Förderschneckenprinzip arbeiten, bekannt.
Grundsätzlich liegt die Herausforderung beim Dosieren darin, ein Fluid nicht nur zu fördern und auszugeben, sondern dabei auch die geförderte und ausgegebene Menge mit der für die jeweilige Anwendung notwendigen Genauigkeit zu steuern. Wenn es die Anwendung erlaubt, dann kommen zur Messung der geförderten Menge gravimetrische Messverfahren zum Einsatz. Dabei wird die Masse des ausgegebenen Fluides an der Ausgabestelle während des Dosiervorgangs mit einer Wiegevorrichtung bestimmt. Hierbei werden nur geringe Anforderungen an die Fördergenauigkeit der fluidischen Fördervorrichtung gestellt, da die Messgenauigkeit nur durch die Genauigkeit der Wiegevorrichtung begrenzt ist.
Ist es anwendungsbedingt nicht möglich, ein gravimetrisches Messverfahren zur Steuerung des Dosiervorgangs zu verwenden, so bedient man sich eines volu- metrischen Verfahrens. In günstigen Fällen kann man dafür Durchflussmessge- räte einsetzen. In anderen Fällen genügt sogar die Kenntnis über das Verdrängungsvolumen der fluidischen Fördervorrichtung in Abhängigkeit von der relativen Vortriebsstellung der verdrängenden Teile der fluidtschen Fördervorrich- 5 tung, um die geförderte Menge des Fluides zu bestimmen. Im Falle von Systemen, bei denen das Fluid unmittelbar aus einer Kartusche gedrückt wird, kann die geförderte Menge des Mediums beispielsweise ermittelt werden , indem die Kolbenfläche mit dem Versatz der Kolbenposition multipliziert wird. Wenn das Fluid bei diesen Vorrichtungen dagegen mit Hilfe von Druckluft verdrängt wird, 10 kommen üblicherweise zeit-/ druckgesteuerte Regelsysteme zum Einsatz. Dabei bildet man das Integral des Druckverlaufs in der Kartusche über die Zeit in Verbindung mit einem mathematischen Modell des Strömungsverhaltens des jeweiligen Fluides in der Kartusche und in allen Verbindungs- und Anschlusselementen bis zur Austrittsstelle.
15 Während sich eine Vielzahl von Fluiden hervorragend und mit hohen Dosier- genauigkeitswerten dosieren lässt, so gibt es auch Fluide, mit denen dies nur eingeschränkt möglich ist. Sollen beispielsweise Fluide, die eine sehr hohe Viskosität aufweisen dosiert werden , so scheiden unter anderem Membranpumpen oder Schlauchpumpen zu deren Förderung aus, weil diese Pumpen bauartbe- 20 dingt einen bestimmten Förderdruck nicht überschreiten können. Werden Fluide dosiert, in welche Partikel aus einem Feststoff eingebettet sind, so können Pumpen, wie Zahnrad- und Zahnringpumpen, sowie Kolben- und Förderschneckenpumpen nur dann verwendet werden, wenn zwischen den bewegten Teilen der fluidischen Fördervorrichtung ausreichend mechanisches Spiel vorhanden 25 ist. Das mechanische Spiel ist notwendig, um zu verhindern, dass sich Teile der Dosierpumpe durch die im Fluid eingelagerten Partikel verklemmen, bzw. um zu verhindern, dass die eingelagerten Partikel durch bewegte Teile der fluidischen Fördervorrichtung verformt werden. Das Spiel führt jedoch dazu, dass der erzielbare Druck begrenzt ist, somit lassen sich nur Fluide bis zu einer bestimmst) ten Viskosität fördern. Im gleichen Maße, wie dadurch der Schlupf der fluidischen Fördervorrichtung zunimmt, verliert man die Möglichkeit, die geförderte Menge über das Verdrängungsvolumen der Vorrichtung zu bestimmen. Zudem führt die abrasive Eigenschaft der eingelagerten Partikel zur fortschreitenden Abnutzung aller Teile der fluidischen Fördervorrichtung, die mit dem fließenden 35 Medium in Berührung kommen. Eine unerwünschte Folgeerscheinung ist neben dem Verschleiß der Vorrichtung auch die Tatsache, dass das Medium durch die von Teilen der Vorrichtung abgetragenen Partikel verunreinigt wird.
Auch bei anderen volumetrischen Mess- bzw. Dosierverfahren gibt es Erschwernisse. So lässt sich bei zeit-/ druckgeregelten Systemen das Fließverhalten von gefüllten Fluiden mit mathematischen Modellen nur bis zu einem bestimmten Grad beschreiben, wodurch den zu erreichenden Dosiergenauigkeitswerten Grenzen gesetzt werden. Durchflussmessgeräte können generell nur ab einer bestimmten Fließgeschwindigkeit eingesetzt werden. Dabei ist auch die Messgenauigkeit je nach verwendetem Verfahren und je nach Art des zu dosierenden Fluides begrenzt.
Eine weitere Form der Erschwernis stellen Fluide mit aggressiven chemischen oder gesundheitsschädlichen Eigenschaften dar. Werden derartige Stoffe gefördert, so können nur gegen die jeweiligen Stoffe resistente Materialien für die Teile der fluidischen Fördervorrichtung und für Zu- und Ableitungen verwendet werden. Dadurch können sich Einschränkungen für die erzielbaren Betriebsparameter ergeben. Außerdem kann der Aufwand für die Reinigung der Vorrichtung ein hohes Ausmaß und ebenso wie die Bereitstellung solcher Fluide eine Gefährdung für die Bediener darstellen.
Alle genannten Phänomene, die bei der Interaktion von schwer handhabbaren Medien mit den jeweiligen Dosiersystemen auftreten haben dazu geführt, dass nach dem derzeitigen Stand der Technik zum Dosieren der genannten Fluide vorzugsweise zeit-/ druckgeregelte Kartuschendosiersysteme eingesetzt werden, bei denen die Fluide in Kartuschen bereitgestellt werden und dadurch nicht bzw. nur in geringem Maße mit der Dosiervorrichtung in Kontakt geraten. Das hat zum einen den Vorteil, dass die Fluide nicht mit Teilen der fluidischen Fördervorrichtung interagieren können. Zum anderen beschränkt sich der Reinigungsaufwand auf das Austauschen der Kartusche und bei Bedarf der daran befestigten Düse. Die Schwierigkeit liegt bei diesem System allerdings darin, dass zum dosiergenauen Ausgeben der Fluide ein mathematisches Modell er- stellt werden muss, welches das Strömungsverhalten des jeweiligen Fluides in der Vorrichtung bis zur Austrittsöffnung in Abhängigkeit von einer Vielzahl von Parametern und äußeren Einflüssen beschreibt. Bei gefüllten, thixotropen Fluiden ist es besonders schwierig, die Fließeigenschaften vorauszusagen, weil diese ein nicht-newtonsches Verhalten aufweisen, d. h. die Fließeigenschaften verändern sich insbesondere in Abhängigkeit vom Druck und von der jeweiligen Fließgeschwindigkeit an jeder einzelnen Stelle des Förderweges. Auch äußere Einflüsse, wie Temperatur und Luftdruck müssen ab einem bestimmten Dosier- genauigkeitswert berücksichtigt werden. Schon bei geringsten Änderungen am System oder an den äußeren Bedingungen, beispielsweise wenn eine andere Düse verwendet wird, muss das mathematische Modell in aufwändiger Weise angepasst werden. Besonders ungünstig ist der Umstand, dass für jedes verwendete Fluid gesonderte, außerordentlich aufwändige Theologische Untersuchungen durchgeführt werden müssen, um die für den Betrieb notwendigen Parameter zur Berechnung des Fließverhaltens zu ermitteln. Nicht zuletzt muss auch noch das schwer kalkulierbare Dehnungsverhalten der Kartusche in Abhängigkeit vom Druck in der Kartusche und vom Umgebungsdruck in die Berechnung mit einbezogen werden. Selbst wenn dies gelingt, so führt die Dehnung der Kartusche bei jedem Einzeldosiervorgang zu einem zeitlichen Versatz zwischen dem Zeitpunkt des Druckaufbaus und dem Erreichen der Fließgrenze des Fluides und somit zu einer Verzögerung der Fluidausgabe, wodurch die Anzahl der Einzeldosiervorgänge je Zeiteinheit stark eingeschränkt ist. Etwas bessere Genauigkeitswerte können erreicht werden, wenn die fluidverdrängende Kraft nicht über Druckluft, sondern mit einem mechanisch vorgetriebenen Kolben eingebracht wird. Limitierende Faktoren sind bei dieser Variante jedoch weiterhin das Dehnungsverhalten der Kartusche und die Positioniergenauigkeit des Kolbens. Teilweise wird versucht, die Dehnung der Kartusche unter Druck zu verringern, indem die Kartusche teilweise durch mechanische Vorrichtungen eingekapselt wird. Diese Formen der mechanischen Einkapselung sind jedoch nicht vollständig formschlüssig in Bezug auf die Kartuschen, weshalb eine Dehnung nicht vollständig verhindert werden kann. Auch in günstigen Fällen, in denen Fluide mit eher niedriger Viskosität und mit newtonschen Eigenschaften verwendet werden, können aus den genannten Gründen bei zeit-/ druckgeregelten Kartuschendosiersystemen keine vergleichbar hohen Dosiergenauigkeits- werte wie bei starren fluidischen Fördervorrichtungen , die nach dem Volumenverdrängungsprinzip arbeiten, erreicht werden.
Eine Vorrichtung zum Dosieren von Flüssigkeiten umfassend eine optische Flüssigkeitsmessvorrichtung ist in DE 10 2008 016 513 A1 offenbart. Eine Vorrichtung zum Dosieren von kleinen Flüssigkeitsmengen mit Ausgabe aus einem Saugvolumen ist in DE 197 42 005 A1 offenbart, ein volumetrisch arbeitendes
Dosierventil in EP 1 864 721 A1 , .
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Dosieren eines Arbeitsfluids zu schaffen, um Arbeitsfluide mit einer großen Bandbreite an Materialparametern, insbesondere an Viskositäten, mit einer verbesserten Dosiergenauigkeit auszugeben. Insbesondere soll das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung die Dosierung von pastösen Arbeitsfluiden und/oder mit Feststoffpartikeln versehenen Arbeitsfluiden hinsichtlich der Dosiergenauigkeit verbessern.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Dosieren eines Arbeitsfluids gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung zum Dosieren eines Arbeitsfluids gemäß Anspruch 8. Vorzugsweise Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 2 - 7. Vorzugsweise Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung finden sich in den Ansprüchen 6 - 1 8. Eine Erfindungsgemäße Verwendung findet sich in Anspruch 19. Hiermit wird der Wortlaut sämtlicher Ansprüche explizit per Referenz in die Beschreibung einbezogen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise zur Durchführung mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder einer vorzugsweisen Ausführungsform hiervon ausgebildet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder einer vorzugsweisen Ausführungsform hiervon ausgebildet.
Die Erfindung ist in der Erkenntnis des Anmelders begründet, dass zwar Pumpen zur hochgenauen Dosierung bekannt sind, solche hochgenaue Dosierpumpen jedoch nur mit Flüssigkeiten bestimmter Parameter, insbesondere Flüssig- keiten in einem bestimmten Viskositätsbereich, die gewünschte hohe Genauigkeit erreichen. Bei Verwendung solcher Pumpen für Arbeitsfluide mit unterschiedlichen physikalischen Parametern, insbesondere unterschiedlichen Viskositäten, schwankt folglich die Dosiergenauigkeit. Darüber hinaus sind hochviskose Arbeitsfluide, beispielsweise Pasten , häufig nicht zur Verwendung mit hochgenauen Dosierpumpen geeignet. Ein erster Aspekt der Erfindung besteht daher darin, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung mittels einer Dosierpumpe ein definiertes Volumen eines inkom- pressiblen Pumpfluids zu fördern, welches Pumpfluid wiederum durch Verdrängen zu einer synchronen Ausgabe des Arbeitsfluids führt: Das erfindungsgemäße Verfahren zum Dosieren eines Arbeitsfluids umfasst folgende Verfahrensschritte:
In einem Verfahrensschritt A wird ein Arbeitsfiuid innerhalb einer druckstabilen und formsteifen Pumpkammer bereitgestellt. Druckstabil bedeutet hierbei und im Folgenden, dass die Pumpkammer einerseits formsteif hinsichtlich des bei Benutzung in der Pumpkammer auftretenden I nnendrucks und andererseits formsteif hinsichtlich einer Einwirkung des Umgebungsdrucks auf die Pumpkammer ist. Formsteif wiederum bedeutet hierbei und im Folgenden, dass keine oder zumindest im Wesentlichen keine, bzw. eine im Bereich der geforderten Dosier- genauigkeit vernachlässigbare Verformung der mit Fluid durchströmten Komponenten aufgrund der Druckeinwirkung erfolgt.
In einem Verfahrensschritt A erfolgt ein Zuführen eines inkompressiblen
Pumpfluids mittels einer Dosierpumpe in die Pumpkammer, wobei in der Pump- kammer an einer Grenzfläche zwischen Pumpfluid und Arbeitsfluid, welche
Grenzfläche die Pumpkammer In einem Pumpfluidbereich und einen Arbeitsflu- idbereich unterteilt, in einer ersten Variante I eine die Grenzfläche bildende flexible Membran in der Pumpkammer angeordnet wird oder in einer zweiten Variante I I das Pumpfluid an der Grenzfläche unmittelbar an das Arbeitsfluid an- grenzt.
Weiterhin erfolgt im Verfahrensschritt B ein Ausgeben des Arbeitsfluids aus mindestens einer Arbeitsfluidöffnung der Pumpkammer, indem das Arbeitsfluid in der Pumpkammer durch Zuführen des Pumpfluids verdrängt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich somit in zumindest zwei wesentlichen Aspekten vom vorbekannten Verfahren zum Dosieren eines inkompressiblen Arbeitsfluids, indem einerseits eine Entkopplung zwischen Dosierpumpe und Arbeitsfluid derart erfolgt, dass mittels der Dosierpumpe lediglich ein inkompressibles Pumpfluid gefördert wird und andererseits im Sinne der Funktionsweise eines Dosiersystems eine vollständige mechanische Kopplung zwischen Pumpfluid und Arbeitsfiuid erzielt wird, indem an einer Grenzfläche in der Pumpkammer eine flexible Membran (Variante I) angeordnet wird oder das Pumpfluid unmittelbar an das Arbeitsfiuid angrenzt {Variante I I), Hierdurch ergeben sich insbesondere die Vorteile, dass Pumpfluid und Dosierpumpe hinsichtlich einer größtmöglichen Dosiergenauigkeit optimiert werden können. Insbesondere können die physikalischen Eigenschaften des Pumpfluids derart gewählt werden, dass eine größtmögliche Dosiergenauigkeit mittels der verwendeten Dosierpumpe erzielt wird. Darüber hinaus ist die Dosiergenauigkeit wesentlich durch die Dosiergenauigkeit, durch welche die Dosierpumpe das Pumpfluid fördert, bedingt, sodass die erzielte Dosiergenauigkeit weitgehend unabhängig von dem verwendeten Arbeitsfiuid ist. Darüber hinaus wird die Grenzfläche zwischen Arbeitsfiuid und Pumpfluid entweder durch eine flexible Membran gebildet oder das Pumpfluid grenzt unmittelbar an das Arbeitsfiuid an. Hierdurch kann eine erheblich größere Bandbreite an Arbeitsfluiden mit höherer Genauigkeit dosiert werden, verglichen mit vorbekannten Verfahren zum Dosieren. Insbesondere bei vorbekannten Verfahren, bei welchen innerhalb eines Zylinders das Arbeitsfiuid mittels eines Kolbens aus dem Zylinder herausgedrückt wird, treten typischerweise an Dichtungselementen zwischen Kolben und Zylin- der Fehler auf, insbesondere bei Verwendung von Arbeitsfluiden, welche feste Partikel umfassen, da insbesondere die festen Partikel sich zwischen Zylinder und Kolben verklemmen können und somit den Kolben blockieren oder die Dichtwirkung beeinträchtigen, Solche Fehlerquellen sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beseitigt, da in Variante I eine flexible Membran verwendet wird, welche somit durch Formveränderung und/oder Ausdehnung ein Verdrängen des Arbeitsfluids innerhalb der Pumpkammer ermöglicht, ohne dass eine Relativbewegung zwischen flexibler Membran und einer Wand der Pumpkammer - etwa wie sie zwischen Kolben und Zylinder erfolgt - notwendig ist. In Variante I I grenzt das Pumpfluid unmittelbar an das Arbeitsfiuid, sodass keinerlei Elemente vorliegen, welche zu den vorgenannten Problemen führen könnten.
Die Erfindung ist insbesondere in der Erkenntnis des Anmelders begründet, dass höchstmögliche Dosiergenauigkeitswerte dann erreicht werden können, wenn die Dosiermenge weder direkt noch indirekt gemessen werden muss, son- dem das gewünschte auszugebende Volumen mit einer geeigneten Vorrichtung gezielt und verlässlich vorbestimmt verdrängt werden kann. Dies ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwirklicht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Dosleren eines Arbeitsfluids umfasst eine druckstabile und formsteife Pumpkammer und eine Dosierpumpe zum Fördern eines inkompressibien
Pumpfluids. Die Dosierpumpe ist über eine Fluidleitung m it einer Pumpfluidöffnung der Pumpkammer verbunden, um Pumpfluid zu- und/oder abzuführen und die Pumpkammer weist mindestens eine Arbeitsfluidöffnung auf, um ein Arbeitsfluid zu- und/oder abzuführen.
Die Pum pkammer ist derart ausgebildet, dass bei Benutzung eine Grenzfläche zwischen Pumpfluid und Arbeitsfluid in der Pumpkammer ausgebildet ist, welche Grenzfläche die Pumpkammer in einen Pumpfluidbereich, in welchem die Pumpfluidöffnung m ündet und einen Arbeitsfluidbereich, in welchem die Arbeits- fluidöffnung mündet, unterteilt, wobei in einer Variante I eine die Grenzfläche bildende flexible Membran in der Pumpkammer angeordnet ist oder in einer Variante II das Pumpfluid an der Grenzfläche unmittelbar an das Arbeitsfluid angrenzt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ebenfalls die vorgenannten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auf.
In einer vorzugsweisen Ausführungsform ist die Pumpkammer zur Aufnahme einer Arbeitsfluid enthaltenden Kartusche mit einer zumindest teilweise flexibel ausgestalteten Kartuschenwand ausgebildet. In dieser vorzugsweisen Ausführungsform bildet somit zumindest der flexibel ausgebildete Teil der Kartuschenwand die flexible Membran gemäß Variante I . In dieser vorzugsweisen Ausführungsform kann somit in einfacher Weise gemäß Verfahrensschritt A ein Bereitstellen des Arbeitsfluids erfolgen, indem die Kartusche in der Pumpkammer an- geordnet ist. Vorzugsweise weist die Pumpkammer Dichtungen und/oder ein Verschlusssystem zum fluiddichten Anlegen der Kartuschenwände an Wände der Pumpkammer auf, sodass nach Anordnen der Kartusche in der Pumpkammer der nicht durch die Kartusche ausgeführte Bereich in der Pumpkammer flu- iddicht ist und lediglich über die Pumpfluidöffnung ein Volumenaustausch mög- lieh ist. In einer anderen vorzugsweisen Ausführungsform gemäß Variante I ist die flexible Membran in der Pumpkammer angeordnet und mit einer oder mehreren Wänden der Pumpkammer fluiddicht verbunden. Durch die Membran ist somit die Aufteilung der Pumpkammer im Pumpfluidbereich und Arbeitsfluidbereich gegeben und die Volumenänderungen dieser Bereiche, das heißt beispielsweise Vergrößerung des Volumens des Pumpfluidbereichs und gleichzeitig Verkleinerung des Volumens des Arbeitsfluidbereichs zum Ausgeben von Arbeitsfluid erfolgt durch eine Verformung und/oder ein Dehnen der Membran. Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die Membran nach einer Blase ausgebildet ist, welche Blase innerhalb der Pumpkammer angeordnet ist und lediglich eine Öffnung aufweist, welche die Pumpfluidöffnung oder in einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform die Arbeitsfluidöffnung umschließt. Im ersten Fall ist somit über die Pumpfluidöffnung Pumpfluid in die Blasenöffnung und somit in die Blase zuführbar und aus der Blase abführbar. Im zweiten Fall ist umgekehrt über die Arbeitsfluidöffnung Arbeitsfluid durch die Blasenöffnung in die Blase einführbar oder aus der Blase ausführbar.
Untersuchungen des Anmelders ergaben weiterhin, dass die Dosiergenauigkeit vorbekannter Dosiersysteme überraschenderweise in einem nicht zu vernachlässigenden Ausmaß durch Schwankungen im Umgebungsdruck beeinträchtigt wird. In einer vorzugsweisen Ausführungsform ist daher zumindest der Flussweg zwischen Dosierpumpe und Pumpkammer druckstabil gegenüber auf die Vorrichtung einwirkendem Umgebungsdruck ausgebildet. Insbesondere ist es vor- teilhaft, dass die Dosierpumpe über außen- und innendruckstabile und formsteife Leitungen fluidleitend mit der Pumpkammer verbunden ist. Hierdurch ist somit eine Verringerung der Dosiergenauigkeit ganz oder zumindest im Wesentlichen ausgeschlossen, da das System Dosierpumpe, Pumpkammer und Fluidleitung zwischen Dosierpumpe und Pumpkammer nicht durch einen sich ändernden Umgebungsdruck beeinflusst wird und insbesondere das jeweilige Innenvolumen sich nicht aufgrund eines sich ändernden Umgebungsdrucks ändert. Eine formsteife Ausführung der Zuleitungen bewirkt darüber hinaus eine Aufrechterhaltung der mechanischen Kopplung zwischen Pumpfluid und Arbeitsfluid im für die Steuerung der Dosiermenge relevanten Bereich des Systems und damit auch eine Unabhängigkeit der Dosiergenauigkeit von Schwankungen des Umgebungsdrucks. Es ist daher insbesondere vorteilhaft, dass Pumpfluid und Arbeitsfluid vom Ort der Vorgabe des Dosiervolumens bis zum Ort der Ausgabe des Arbeitsfluids in einem geschlossenen System in Form einer druckstabilen und formsteifen Ein- hausung eingeschlossen sind, welche während des Dosiervorgangs allenfalls mit dem Umgebungsdruck über die Ausgabeöffnung der Pumpkammer bzw. einer sich in der Pumpkammer befindlichen Kartusche in Druckverbindung steht.
Aufgrund der druckstabilen und formsteifen Ausführung der Pumpkammer sowie der Verbindungselemente zur Dosierpumpe und aufgrund der Tatsache, dass sich Pumpfluid und Arbeitsfluid im Bereich zwischen der Dosierpumpe und der Arbeitsfluidöffnung dasselbe Volumen teilen, entspricht das in die Pumpkammer einströmende Volumen zu jeder Zeit dem an den Arbeitsfluidöffnungen ausströmenden Volumen.
Untersuchungen des Anmelders ergaben weiterhin, dass überraschenderweise die Dosiergenauigkeit häufig durch ein„Nachlaufen" beeinträchtigt wird, wobei nach Beenden des eigentlichen Dosiervorgangs und insbesondere Stillstand der Dosierpumpe dennoch Arbeitsfluid aus der Arbeitsfluidöffnung austritt. Ein solches Nachlaufen kann in einer vorzugsweisen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung vermieden oder zumindest erheblich verringert werden:
Vorzugsweise erfolgt in einem Verfahrensschritt C nach Verfahrensschritt B ein Angleichen des Drucks der Pumpkammer an einen Umgebungsdruck. Hierzu wird ein Entlastungsventil geöffnet, welches druckausgleichend mit einer Umgebung sowie dem Pumpfluidbereich und/oder dem Arbeitsfluidbereich der Pumpkammer verbunden ist. In dieser vorzugsweisen Ausführungsform erfolgt somit nach Ausgabe der gewünschten Menge von Arbeitsfluid unmittelbar eine Druckentlastung in der Pumpkammer, so dass in einfacher und effizienter Weise ein Nachlaufen verhindert wird. Hierzu kann in vorteilhafter Weise das Entlastungsventil als Entlüftungsventil ausgebildet sein, wie nachfolgend beschrieben. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass das Entlastungsventil zwar zum Druckausgleich eine Verbindung mit der Umgebung im geöffneten Zustand herstellt, nicht jedoch eine fluidleitende Verbindung, Beispielsweise kann ein flexibler Druckausgleichsbehälter vorgesehen sein, welcher über das Entlastungsven- til fluidleitend mit dem Pumpfluidbereich und/oder dem Arbeitsfluidbereich der Pumpkammer verbunden ist, so dass bei geöffnetem Entlastungsventil ein
Druckausgleich erfolgt, jedoch keine fluidleitende Verbindung mit der Umgebung besteht, Vorzugsweise ist das Entlastungsventil mit dem Arbeitsfluidbereich der Pumpkammer verbunden, um in effizienter Weise einen Druckausgleich mit der Umgebung nach Beenden des Dosiervorgangs zu schaffen.
Die vorgenannte vorzugsweise Ausführungsform umfassend ein Entlastungsventil ist insbesondere bei dynamischen Druckvorgängen, d. h. Druckvorgängen, bei denen eine Mehrzahl von Dosiermengen, insbesondere in kurzer Taktfolge abgegeben werden muss, vorteilhaft. Insbesondere bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufbringen von Arbeitsfluid auf einer Solarzelle bei der Herstellung von photovoltai- schen Solarzellen sind hochdynamische Dosiervorgänge erforderlich, so dass insbesondere bei solch einer Anwendung die zuvor beschriebene vorteilhafte Ausgestaltung umfassend ein Entlastungsventil erhebliche Vorteile hinsichtlich der Dosiergenauigkeit bietet.
I n einer Weiterbildung der zuvor beschriebenen vorteilhaften Ausführungsform wird das Entlastungsventil vor Verfahrensschritt B, bevorzugt vor den Verfahrensschritten A und B geschlossen, so dass unabhängig von dem Umgebungsdruck das Zuführen eines vorgegebenen Volumens des Pumpfluids bzw. auf das Bereitstellen des Arbeitsfluids erfolgt. Untersuchungen des Anmelders haben weiterhin ergeben, dass die Dosiergenauigkeit weiterhin durch eine Ausgabeverzögerung in Verfahrensschritt B beeinträchtigt werden kann: In praktischen Anwendungsfäilen führt das Zuführen des vorgegebenen Volumens des inkompressiblen Pumpfluids in Verfahrensschritt B erst mit einer Zeitverzögerung zu einer Ausgabe des Arbeitfluids aus der Arbeitsfluidöffnung. Dies kann darin begründet sein, dass keine vollständige Entlüftung erfolgt ist oder dass an anderen Stellen zumindest geringfügig kom- pressible Elemente oder Volumina vorliegen, die somit dazu führen, dass kein Idealdruckstabiles System it inkompressiblen Flüssigkeiten vorliegt. Diesem Nachteil kann dadurch begegnet werden, dass in Verfahrensschritt B vor Aus- gäbe des Fluids der Arbeitsfluidbereich mit einem Vordruck beaufschlagt wird, welcher Vordruck im Bereich von 50 % bis 95 %, bevorzugt 85 % bis 95 %, wei- ter bevorzugt etwa 90 % des zur Ausgabe von Arbeitsfluid notwendigen Druckes liegt. In dieser vorzugsweisen Ausführungsform wird somit bereits vor dem eigentlichen Dosiervorgang ein Vordruck im Arbeitsfluidbereich der Pumpkammer erzeugt, welcher Vordruck jedoch unterhalb einer Druckschwelle zur Ausgabe von Arbeitsfluld liegt. Hierdurch wird bei Aufbauen des Vordrucks bereits eine Kompression etwaiger kompressibler Volumina oder anderer druckaufnehmender Elemente erzielt, so dass bei Start des eigentlichen Dosiervorgangs keine oder eine erheblich verringerte Verzögerung bis zur Ausgabe des Arbeitfluids erzielt wird und hierdurch die Dosiergenauigkeit weiter gesteigert wird. Das Beaufschlagen mit einem Vordruck erfolgt vorzugsweise ebenfalls über die Dosierpumpe und Zuführen von Pumpfluid in dem Pumpfluidbereich der Pumpkammer. Insbesondere sind bevorzugt Drucksensoren in der Pumpkammer, bevorzugt im Pumpfluidbereich der Pumpkammer, vorgesehen, um mittels einer ebenfalls bevorzugt vorgesehenen Steuereinheit einen vorgegebenen Vordruck in der Pumpkammer aufzubauen.
Der zuvor beschriebene Vordruck kann mittels der Dosierpumpe erzeugt werden. Besonders vorteilhaft ist, den Vordruck ausschließlich mittels einer saug- seitig der Pumpe angeordneten Druckquelle, insbesondere einer einem
Pumpfluidreservoir zugeordneten Druckgasquelle zu erzeugen, Insbesondere ist es vorteilhaft, dass der Vordruck saugseitig der Dosierpumpe bei mindestens 90% des zur Ausgabe von Arbeitsfluid notwendigen Druckes liegt. Da eine Pumpe typischerweise auch im Stillstand nicht absolut druckdicht ist, überträgt sich der saugseitig anliegende Vordruck zumindest abgeschwächt auch bei stillstehender Pumpe druckseitig auf das Pumpfluid und damit die Pumpkammer und das Arbeitsfluid im Arbeitsfluidbereich.
Vorzugsweise weist die Pumpkammer ein mit dem Pumpfluidbereich fluidleitend verbundenes Entlüftungsventil auf. Hierdurch ist es insbesondere möglich, in einer vorzugsweisen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zwischen Verfahrensschritt A und B das nicht durch das Arbeitsfluid belegte Volumen der Pumpkammer mittels der Dosierpumpe mit Pumpfluid zu füllen, wobei gegebenenfalls in der Pumpkammer vorhandenes Gas über das Entlüftungsventil aus der Pumpkammer abgeführt wird. Anschließend kann das Entlüftungsventil geschlossen werden, sodass keine Wechselwirkung zwischen Umgebungsdruck und Pumpkammer besteht. Vorzugsweise ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Dosierpumpe einerseits mit der Pumpfluidfüllung der Pumpkammer und andererseits mit einem Pumpfluidreservoir fluidleitend verbunden. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass das Pumpfluidreservoir gegenüber dem Umgebungsdruck druckstabil abgeschlossen oder druckstabil verschließbar ausgebildet ist. Durch das Pumpfluidreservoir kann in einfacher Weise Pumpfluid zum Einführen in die Pumpkammer bereitgestellt werden und bei Entleeren der Pumpkammer das von der Pumpkammer abgepumpte Pumpfluid wieder in dem Pumpfluidreservoir gespei- chert werden. Die druckstabile Ausführung führt zu einer zusätzlichen Erhöhung der Dosiergenauigkeit, da in dieser vorzugsweisen Ausführungsform auch saugseitig der Dosierpumpe {bei Fördern von Pumpfluid in die Pumpkammer) keine oder zumindest im Wesentlichen keine Druckschwankungen bei einer Änderung des Umgebungsdrucks, bzw. durch die Druckschwankungen, die sich durch die Veränderungen des Füllstandes im Pumpfluidreservoir ergeben, auftreten.
Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, dass eine Druckgasquelle fluidleitend mit dem Pumpfluidreservoir verbunden ist. Hierdurch kann mittels der Druckgas- queile ein konstanter Druck in dem Pumpfluidreservoir auch bei Entnahme von Pumpfluid aufrechterhalten werden, sodass zusätzlich die Druckbedingungen saugseitig der Dosierpumpe konstant gehalten werden und somit zusätzlich die Dosiergenauigkeit erhöht wird.
Eine weitere Erhöhung der Dosiergenauigkeit wird in einer vorzugsweisen Aus- führungsform erzielt, indem zwischen Pumpfluidreservoir und Dosierpumpe ein Druckregelventil angeordnet ist, sodass mittels des Druckregelventils saugseitig der Dosierpumpe der anliegende Druck auf einen konstanten Wert geregelt werden kann, um die Dosiergenauigkeit noch weiter zu erhöhen. Entsprechend wird in einer vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in Verfahrensschritt B der Dosierpumpe saugseitig Pumpfluid aus einem Pumpfluidreservoir zugeführt, welches Pumpfluidreservoir vorzugsweise druckstabil dem Umgebungsdruck abgeschlossen ist. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass dem Pumpfluidreservoir mittels einer Druckgasquelle Gas zum Aufrechterhalten eines vorgegebenen Drucks in dem Pumpfluidreservoir zuge- führt wird. Hierdurch wird wie zuvor beschrieben, jeweils die Dosiergenauigkeit erhöht.
Um Arbeitsfluid in der druckstabilen und formsteifen Kammer im Arbeitsfluidbe- reich bereitzustellen, liegt es im Rahmen der Erfindung, wie zuvor beschrieben, eine Kartusche, welche Arbeitsfluid enthält, in der Pumpkammer anzuordnen.
In einer anderen vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Verfahrensschritt A Pumpfluid mittels der Dosierpumpe aus der Pumpkammer abgeführt, um einen Unterdruck in der Pumpkammer zu erzeugen und Arbeitsfluid aus einem Arbeitsfluidreservoir in die Pumpkammer einzuführen. Hierdurch kann somit die Dosierpumpe zusatzlich dazu verwendet werden, Arbeitsfluid in die Pumpkammer einzusaugen, um das Arbeitsfluid für einen nachfolgenden Dosiervorgang in der Pumpkammer zur Verfügung zu stellen.
Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, dass zum Füllen des Arbeitsfluidbe- reichs der Pumpkammer mit Arbeitsfluid eine Fluidleitung, welche mit einem Arbeitsfluidreservoir verbunden ist, an die Arbeitsfluidöffnung angeschlossen wird und nach Bereitstellen des Arbeitsfiuids in der Pumpkammer diese Fluidleitung wieder entfernt wird.
In einer vorzugsweisen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Arbeitsfluidreservoir vorgesehen, welches fiuidleitend mit dem Arbeitsfluid- bereich der Pumpkammer verbunden ist. Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, dass das Arbeitsfluidreservoir über eine zweite Öffnung der Pumpkammer fiuidleitend mit dieser verbunden ist, sodass diese Öffnung somit als Arbeitsfluidzu- führöffnung ausgebildet ist, um Arbeitsfluid aus dem Arbeitsfluidreservoir in die Pumpkammer zu leiten und weiterhin die Pumpkammer die vorgenannte Arbeitsfluidöffnung aufweist, welche in dieser vorzugsweisen Ausführungsform somit als Arbeitsfluidausgabeöffnung ausgebildet ist. Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, zur Entlüftung der Pumpkammer in dem Flussweg zwischen Arbeitsfluidreservoir und Pumpkammer und/oder an der Arbeitsfluidausgabeöffnung wahlweise verschließbare Ventile vorzusehen, um bei Befüllen des Arbeitsfluid- bereiches der Pumpkammer die Arbeitsfluidausgabeöffnung zu verschließen und den Flussweg zwischen Arbeitsfluidreservoir und Pumpkammer zu öffnen. Bei Entleeren des Arbeitsfluidbereiches der Pumpkammer, das heißt bei Ausgabe von Ärbeitsfluid, wird in umgekehrter Weise der Flussweg zwischen Arbeitsfl u- idreservoir und Pumpkammer geschlossen und die Arbeitsfluidausgabeöffnung geöffnet. Das Arbeitsfluidreservoir ist vorzugsweise gegenüber dem Umgebu ngsdruck druckstabil und formsteif abgeschlossen oder zumindest druckstabil und formsteif verschließbar ausgebildet. Hierdurch wird erreicht, dass das Arbeitsfluidreservoir mit einem Überdruck beaufschlagt werden kann, um beim Befüllen der Pumpkammer aus dem Arbeitsfluidreservoir zu verhindern, dass an der Ausga- beöffnung er Pumpkammer ein Unterdruck entsteht, Somit wird das Risiko beseitigt, Umgebungsluft oder Partikel aus der Umgebung über die Ausgabeöffnung in die Pumpkammer einzusaugen.
Vorzugsweise ist eine Druckgasquelle vorgesehen, welche fl uidleitend mit dem Arbeitsfluidreservoir verbunden ist. Hierdurch wird zusätzlich verhi ndert, dass bei Befüllen der Pumpkammer mit Ärbeitsfluid U mgebungsluft oder Partikel aus der Umgebung über die Ausgabeöffnung in die Pumpkammer eingesaugt werden. Die Dosierpumpe kann nach Art an sich bekannter Fördervorrichtungen für in- kom pressible Pum pfluide ausgebildet sein und es liegt grundsätzlich im Belieben des Fachmanns, eine beliebige Fördervorrichtung als Dosierpumpe zu verwenden. Insbesondere ist kein dauerhaft kontinuierlicher Betrieb notwendig , das heißt eine Pumpvorrichtung, weiche aus einem mit Pumpfluid gefüllten Zylinder- Kolben-Aggregat besteht, wobei der Kolben mittels weiterer hyd raulischer Komponenten und/oder mechanischer Kom ponenten bewegbar ist, kann ebenfalls als Dosierpumpe verwendet werden .
I nsbesondere ist jedoch die Verwendung von Fördersystemen m it einer hohen Dichtheit und somit einem besonders niedrigen Schlupf hinsichtl ich des
Pumpfluids vorteilhaft. Somit ist die Dosierpumpe vorzugsweise als Kolben-, Zahnrad- oder Zahn ring pum pe ausgebildet. Die einzelnen Bauteile der verwendeten Dosierpumpe weisen vorzugsweise im Zusammenspiel eine genügend hohe Präzision auf, sodass auf elastische Dichtungen verzichtet werden kann u nd hierd urch die Doslergenauigkeit erhöht wird . Das Pumpfluid weist vorzugsweise newtonsche Fließeigenschaften auf. Vorzugsweise liegt die Viskosität des Pumpfluids im Bereich zwischen 5000 mPas und 40000 mPas. In diesem Bereich weisen geeignete Dosierpumpen erfahrungsgemäß die größte Dichtheit, bzw. den geringsten Schlupf auf.
Es liegt Im Rahmen der Erfindung , gasförmige Arbeitsfluide zu verwenden. Eine besonders hohe Genauigkeit des ausgegebenen Volumens des Arbeitsfluids ergibt sich jedoch insbesondere bei Verwendung von inkompressiblen Arbeits- fluiden und hierbei bevorzugt von einer Flüssigkeit als Arbeitsfluid.
Eine weitere Erhöhung der Dosiergenauigkeit kann in folgender vorzugsweisen Ausgestaltung erzielt werden:
Im Flussweg zwischen Dosierpumpe und Pumpfluidoffnung der Pumpkammer ist vorzugsweise ein Hydraulikzylinder angeordnet, sodass ein erstes Volumen eines ersten Hydraulikzylinders mit der Pumpfluidoffnung der Pumpkamme und ein erstes Volumen des zweiten Hydraulikzylinders fluidleitend mit der Dosierpumpe verbunden ist. Die Kolben der beiden Hydraulikzylinder sind mechanisch gekoppelt, sodass eine Volumenänderung im ersten Volumen des zweiten Zylinders aufgrund der mechanischen Kopplung der Kolben zu einer Volumenänderung im ersten Volumen des zweiten Hydraulikzylinders führt. Wesentlich ist, dass die Kolbenquerschnittsfläche des zweiten Hydraulikzylinders größer ist als die Kolbenquerschnittsfläche des ersten Hydraulikzylinders. Hierdurch wird somit ein volumetrisches Übersetzungsverhältnis erzielt, indem mittels der Dosierpumpe ein erstes Volumen gefördert wird, welches zum Einbringen eines zweiten Volumens an Pumpfluid in die Pumpkammer führt, wobei das erste Volumen größer als das zweite Volumen ist. orzugswelse liegt hierbei ein Übersetzungsverhältnis von mindestens 1 :2. Das Übersetzungsverhältnis wird vorzugsweise entsprechend der geforderten Dosiergenauigkeit gewählt.
Hierdurch wird eine weitere Erhöhung der Dosiergenauigkeit erzielt, da insbesondere kleine Volumina nicht mit hoher Genauigkeit mittels einer Dosierpumpe dosiert werden können. Aufgrund der volumetrischen Übersetzungen mittels der beiden Hydraulikzylinder mit unterschiedlicher Kolbenquerschnittsfläche kann somit zum Einbringen eines vorgegebenen Volumens ein Pumpfluid in die Pumpkammer ein demgegenüber größeres Volumen mittels der Dosierpumpe gefördert werden. Vorzugsweise sind die beiden Hydraulikkolben wahlweise mittels einer Bypass- leitung überbrückbar, sodass wahlweise eine direkte fluidleitende Verbindung zwischen Dosierpumpe und Pumpkammer besteht, insbesondere um den Pumpfluidbereich der Pumpkammer mit Pumpfluid zu füllen. Eine besonders einfache Ausgestaltung dieser wahlweise einschaltbaren Bypass-Fluidleitung ergibt sich, indem in der Bypass-Fluidleitung ein Ventil angeordnet ist und in einer Flu- idleitung zwischen Dosierpumpe und zweitem Hydraulikzylinder ebenfalls ein Ventil angeordnet ist. Die Flusswege sind vorzugsweise derart ausgestaltet, dass - bei Fördern von Pumpfluid in die Pumpkammer - druckseitig der Dosierpumpe eine Flussweg Verzweigung ausgebildet ist, wobei ein Zweig über ein wahlweise verschließbares Ventil als Bypassleitung unmittelbar zur Verfüllung der Pumpkammer führt und der andere Zweig über ein zweites wahlweise verschließbares Ventil in das erste Volumen des zweiten Zylinder-Kolben- Aggregates mündet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind grundsätzlich für Anwendungen geeignet, bei denen eine hochgenaue Dosierung eines Arbeitsfluids notwendig ist. Insbesondere ergibt sich aufgrund der Entkopplung des durch die Dosierpumpe geförderten Pumpfluids und des für den Anwendungsbereich verwendeten Arbeitsfluids eine besondere Eignung für Anwendungsbereiche, bei denen hochviskose Arbeitsfluide verwendet werden insbesondere Arbeitsfluide mit einer hohen Viskosität und/oder Anwendungsgebiete, bei denen pastenartige Arbeitsfluide verwendet werden und/oder Anwendungsgebiete, bei denen mit Feststoff versehene Fluide verwendet werden und/oder Anwendungen, bei denen Arbeitsfluide mit nicht-newtonschen Eigenschaften und/oder Fluide mit aggressiven oder gesundheitsschädlichen chemischen Eigenschaften verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und/oder das erfindungsgemäße Verfahren sind daher vorzugsweise ausgebildet zur Verwendung von und/oder werden vorzugsweise verwendet mit
- einem nicht newtonschen Fluid als Arbeitsfluid, bevorzugt einem mit
Feststoffpartikeln gefüllten Fluid, insbesondere mit Metallpartikeln und/oder Keramikpartikeln (z. B. Glasfritte) gefüllten Fluid;
und/oder - einem Fluid einer Viskosität größer 100 mPas, bevorzugt größer
1000 mPas, bevorzugt größer 10.000 mPas, weiter bevorzugt größer 100.000 mPas.
Eine vorzugsweise Anwendung betrifft die Herstellung von fotovoltaischen Solarzellen: Hierbei sind häufig Prozessschritte notwendig, bei welchen ein pastenartiges Arbeitsfluid in einer oder mehrerer paralleler Bahnen auf ein Halbleitersubstrat aufgebracht werden sollen. Das pastenartige Arbeitsfluid kann beispielsweise eine Metallpartikel enthaltende Paste mit einer Viskosität von bi zu 500.000 mPas zur Herstellung einer metallischen Kontaktierungsstruktur sein. Ebenso ist die Verwendung einer Dotierstoff enthaltenden Paste zur Erzeugung von Dotierbereichen in dem Halbleitersubstrat möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sind für inkompressible Fluide geeignet. I nsbesondere sind das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung aufgrund der hohen Dosiergenauigkeit jedoch auch für kompressible Fluide, insbesondere kompressible Gase geeignet. Weitere vorzugsweise Anwendungsgebiete sind:
Dispensieren von Klebstoffen, Leitklebern und Lotpasten bei der Herstellung von elektronischen Schaltungen
Dosieranwendungen in der Pharmaindustrie
Dosieranwendungen in der Lebensmittelindustrie
Dosieranwendungen in der Medizintechnik
Dosieranwendungen in der chemischen I ndustrie
Generell Dosieranwendungen bei denen das Arbeitsfluid auf keinen Fall kontaminiert werden darf
Generell Dosieranwendungen bei denen Gefahr durch das Arbeitsfluid für Mensch oder Umwelt besteht
Generell hochgenaues volumetrisches Dosieren von Gasen
Generell hochgenaues volumetrisches Dosieren von nicht-newtonschen
Fluiden Weitere vorzugsweise Merkmale und Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert. Dabei zeigt: Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher ein Arbeitsfluidbereich einer Pumpkammer über eine Arbeitsfluidöffnung gefüllt wird;
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrich- tung, bei welcher Arbeitsfluid aus einem Arbeitsfluidbereich über eine
Arbeitsfluidausgabeöffnung ausgebbar ist und über eine separate Ar- beitsfluidzuführöffnung Arbeitsfluid aus einem Arbeitsfluidreservoir in die Pumpkammer zuführbar ist; Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel nach dem Aufbau gemäß Figur 1 , welches zusätzlich eine volumetrische Übersetzungsvorrichtung umfasst.
Figur 4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2, welches zu- sätzlich eine volumetrische Übersetzungsvorrichtung aufweist.
In den Figuren 1 - 4 bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Elemente. Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung A zum Dosieren eines Arbeitsfluids 1 . Anhand der Vorrichtung gemäß Figur 1 wird weiterhin ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
Das Arbeitsfluid 1 befindet sich in einer Kartusche 2. Die Kartusche 2 wird in einem Verfahrensschritt A in einer Pumpkammer 3 angeordnet. Die Kartusche 2 weist eine Arbeitsfluidöffnung 4 auf und wird nach Einsetzen in die Pumpkammer 3 an den Rändern der Arbeitsfluidöffnung 4 fluiddicht mit einem die Arbeitsfluidöffnung 4 umgebenden Rand der Pumpkammer 3 verbunden. In den Figuren 1 bis 4 und den hierzu beschriebenen Ausführungsbeispielen ist das Arbeitsfluid 1 jeweils als mit Metallpartikeln versehene Druckpaste ausge- bildet. Die Druckpaste wird auf ein Halbleitersubstrat, vorzugsweise eine Vorstufe im Herstellungsprozess einer photovoltaischen Solarzelle aufgebracht, um eine metallische Kontaktierungsstruktur auszubilden. Das durch die Kartusche 2 eingeschlossene Volumen, welches mit Arbeitsfluid befüllt ist, stellt somit den Arbeitsfluidbereich in der Pumpkammer 3 dar. Eine Dosierpumpe 5, welche beispielsweise als Zahnringpumpe ausgebildet ist, ist über eine druckstabile und formsteife Fluidleitung 8 mit einer Pumpfluidöffnung der Pumpkammer 3 verbunden. Die Dosierpumpe 5 ist weiterhin ü er eine druckstabile Fluidleitung mit einem Pumpfluidreservoir 9 verbunden.
Nach Einführen der Kartusche 2 in die Pumpkammer kann somit mittels der Dosierpumpe 5 Pumpfluid 6 aus dem Pumpfluidreservoir 9 in einen Pumpfluidbe- reich der Pumpkammer 3 gefördert werden. Gegebenenfalls sich in dem
Pumpfluidbereich der Pumpkammer 3 befindendes Gas wird über ein Entlüftungsventil 7 abgeleitet, wobei ein Auffangbehälter 1 5 vorgesehen ist, um gegebenenfalls über das Entlüftungsventil austretendes Pumpfluid 6 aufzufangen.
Sobald der Pumpfluidbereich der Pumpkammer 3 vollständig mit Pumpfluid 6 gefüllt ist, wird das Entlüftungsventil 7 geschlossen.
Anschließend wird in einem Verfahrensschritt B eine vorgegebene Menge Pumpfluid 6 mittels der Dosierpumpe 5 der Pumpkammer 3 zugeführt. Da das Pumpfluid inkompressibel ist und da sowohl das Pumpfluid, als auch das Arbeitsfluid sich das in der druckstabilen und formsteifen Pumpkammer befindende Volumen teilen, entspricht das der Pumpkammer zugeführte Volumen an Pumpfluid 6 dem an der Arbeitsfluidöffnung 4 ausgegebenen Volumen von Arbeitsfluid 1 .
Das Arbeitsfluid 1 wird somit ausgegeben, da sich in der Pumpkammer 3 durch Zuführen von Pumpfluid 6 das Volumen des Pumpfluidbereiches vergrößert und entsprechend aufgrund Verdrängung des Volumens des Arbeitsfiuidbereiches verkleinert. Die Außenwand der Kartusche 2 ist flexibel ausgebildet und bildet somit die flexible Membran zwischen Pumpfluidbereich und Arbeitsfluidbereich. Bei dem Ausgabevorgang von Arbeitsfluid 1 wird somit ohne wesentliche Verzö- gerung ein Druck P durch Zuführen von Pumpfluid 6 in die Pumpkammer 3 auf- gebaut, welcher zu einer Verkleinerung des Volumens des Arbeitsfluidbereiches in der Pumpkammer 3 führt.
Die hohe Dosiergenauigkeit wird somit einerseits durch die Ausgestaltung der Dosierpumpe als hochgenaue Dosierpumpe in der Ausbildung beispielsweise als Zahnringpumpe, welche keine elastischen Dichtungen aufwe st, gewährleistet. Weiterhin sind zumindest die in dem Bereich C angeordneten Elemente jeweils druckstabil und formsteif ausgebildet, sodass sich ein von diesen Elementen umschlossenes Innenvolumen weder bei einer Änderung des Umgebungsdrucks B, noch durch den Überdruck im Innern ändert.
Die Dosierpumpe 5 ist saugseitig (hinsichtlich der Flussrichtung bei Zuführen von Pumpfluid 6 zu der Pumpkammer 3) über eine Fluidleitung mit einem
Pumpfluidreservoir 9 verbunden. Die Fluidleitung zwischen Pumpfluidreservoir 9 und Dosierpumpe 5 ist ebenfalls druckstabil ausgebildet, um die Dosiergenauigkeit weiter zu erhöhen. Eine druckstabile Ausführung genügt an dieser Stelle, da vor der Pumpe nur der konstante Druck von Bedeutung ist und nicht ein konstantes Volumen. Eine formstabile Ausführung dieser Fluidleitung ist somit nicht zwingend notwendig.
Weiterhin ist in dieser Leitung ein Druckregelventil 1 1 vorgesehen, mittels welchem der saugseitig der Dosierpumpe (Befördern von Pumpfluid in die Pumpkammer 3) anliegende Druck vorgebbar ist, sodass aufgrund dieses saugseitig konstant an der Dosierpumpe während des Fördervorgangs anliegenden Drucks eine weitere Erhöhung der Dosiergenauigkeit erzielt wird.
Zusätzlich wird die Dosiergenauigkeit erhöht, indem das Pumpfluidreservoir 9 druckstabil ausgebildet und druckdicht gegenüber der Umgebung abgeschlossen ist. Bei Entnahme von Pumpfluid 6 aus dem Pumpfluidreservoir 9 wird mittels einer Druckgasquelle 10 über eine Fluidleitung, welche eine wahlweise verschließbares Ventil 13 aufweist, ein konstanter Gasdruck in dem nicht durch das Pumpfluid belegten Bereichs des Pumpfluidreservoirs 9 erzeugt, sodass zusätzlich eine Druckschwankung saugseitig der Dosierpumpe 3 vermieden wird. Sofern die Kartusche 2 ausgetauscht werden soll, insbesondere wenn die Kartusche leer ist, wird durch Förderumkehr Pumpfluid aus der Pumpkammer 3 mittels der Dosierpumpe 5 in das Pumpfluidreservoir 9 gefördert. Hierbei wird das Ventil 13 geschlossen und ein Entlüftungsventil 14 geöffnet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Dosiergenauigkeit insbesondere bei dynamischen Dosiervorgängen dadurch erhöht, dass nach Verfahrensschritt B in einem Verfahrensschritt C das Entlüftungsventil 7 geöffnet wird, so dass ein Druckausgleich zwischen Pumpfluidbe- reich 6' und Umgebung (über den zur Umgebung offenen Auffangbehälter 15) hergestellt wird und somit ein unmittelbares Beenden der Ausgabe von Arbeits- fluid aus der Arbeitsfluidöffnung 4 erzielt wird. Das Entlüftungsventii 7 dient somit in dieser vorzugsweisen Ausführungsform zusätzlich als Entlastungsventii. Vor dem nächsten Dosiervorgang wird das Entlüftungs-Entlastungsventil 7 wie- der geschlossen, um mitteis der Dosierpumpe 5 einen Druckaufbau in der Pumpkammer 3 zu ermöglichen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor dem Dosiervorgang ein Vordruck in der Pumpkammer 3 aufgebaut, welcher etwa 90 % des Druckes entspricht, bei dem Arbeitsfluid aus der Arbeitsfluidöffnung 4 austritt. Hierzu weist die Pumpkammer 3 einen {nicht dargestellten) Drucksensor im Arbeitsfiuidbereich auf, welcher mit einer (ebenfalls nicht dargestellten) Steuereinheit verbunden ist. Die Steuereinheit steuert die Dosierpumpe 5 abhängig von den Messsignalen des Drucksensors derart, dass vor Starten des eigentlichen Dosiervorgangs der vorgegebene Vordruck in der
Pumpkammer 3 aufgebaut wird. Hierdurch wird eine Zeitverzögerung zwischen Starten des Dosiervorgangs und Ausgabe von Arbeitsfluid vermieden oder zumindest erheblich verringert. I n Figur 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, anhand dessen ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben wird. Das zweite Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens gleicht grundsätzlich dem jeweiligen ersten Ausführungsbeispiel. Im Folgenden wird zur Vermeidung von Wiederholungen insbesondere auf die Unterschiede eingegangen: Die Vorrichtung gemäß Figur 2 weist ebenfalls die vorbeschriebenen Komponenten Dosierpumpe 5, Druckregelventil 1 1 , Pumpfluidreservoir 9, Ventile 13 und 14 sowie Druckgasquelle 10 zur Bereitstellung eines Vordrucks Q auf.
Eine Pumpkammer 3' der Vorrichtung weist eine elastische Blase 23 auf, welche durch eine elastische Membran gebildet ist. Die elastische Membran ist innenseitig an einer Wand der Pumpkammer 3' fluiddicht befestigt und umschließt mit einer Öffnung der elastischen Blase eine Pumpfluidöffnung 24 der Pumpkammer 3'. Mittels der Dosierpumpe 5 ist somit wahlweise Pumpfluid über die Pumpfluidöffnung 24 in die elastische Blase 23 zuführbar oder aus der elastischen Blase abführbar.
Die elastische Blase unterteilt somit die Pumpkarnmer 3' in einen durch die elastische Blase umschlossenen Pumpfluidbereich und einen außerhalb der elastischen Blase liegenden Arbeitsfluidbereich in der Pumpkammer 3'.
Im Unterschied zu der Vorrichtung gemäß Figur 1 , weist die Vorrichtung gemäß Figur 2 ein Arbeitsfluidreservoir 16 auf, welches druckstabil ausgebildet ist und über druckstabile Leitungen 18 und 18' über ein Absperrventil 17 fluidleitend mit dem Arbeitsfluidbereich der Pumpkammer 3' verbunden ist. Weiterhin weist die Pumpkammer 3' ein Entlüftungsventil 19 auf, welches ebenfalls mit dem Arbeitsfluidbereich der Pumpkammer 3' fluidleitend verbunden ist, wobei eine Entlüftungsleitung über das Entlüftungsventil 19 in einen Auffangbehälter 20 mündet.
Zum ersten Bereitstellen von Arbeitsfluid im Arbeitsfluidbereich der noch leeren druckstabilen und formsteifen Pumpkammer 3' wird zunächst das Entlüftungsventil 19 geöffnet und Pumpfluid mittels der Dosierpumpe 5 in die elastische Blase 23 eingeführt, sodass sich die elastische Blase 23 ausdehnt und gegebenenfalls vorhandenes Gas im Arbeitsfluidbereich der Pumpkammer 3' über die Entlüftungsleitung und das Entlüftungsventil 19 ausgegeben wird, Anschließend wird das Entlüftungsventil 1 9 geschlossen und das Absperrventil 17 geöffnet, sodass bei Abführen von Pumpfluid aus der elastischen Blase 23 mittels der Dosierpumpe 5 sich die elastische Blase 23 im Volumen verkleinert und somit Arbeitsfluid aus dem Arbeitsfluidreservoir 16 in den Arbeitsfluidbereich der Pumpkammer 3' fließt. Hierbei wird mittels einer Druckgasquelle 26 über ein weiteres Absperrventil 25 ein konstanter Druck in dem Arbeitsfluidreservoir 16 und somit auch im Bereich der Pumpkammer 3' vorgegeben, um zu verhindern, dass während des Befüllens an der Arbeitsfluidausgabeöffnung 22 ein Unterdruck entsteht. Zur vollständigen Entlüftung der Pumpkammer 3' kann dieser Vorgang wiederholt werden.
Nach Bereitstellen des Arbeitsfluids in der Pumpkammer 3' wird das Absperrventil 17 geschlossen. Es liegt im Rahmen der Erfindung , bei Befüllen des Arbeitsfluidbereiches der Pumpkammer 3' die Arbeitsfluidausgabeöffnung 22 der Pumpkammer 3' mittels eines weiteren Ventils zu verschließen. Ebenso ist es jedoch möglich, kein solches Ventil an der Arbeitsfluidausgabeöffnung 22 vorzusehen und stattdessen den Vordruck mittels der Druckgasquelle 26 stets während des Befüllvorganges gleich dem Umgebungsdruck zu wählen, sodass an der Arbeitsfluidausgabeöffnung 22 weder ein Über- noch ein Unterdruck entsteht.
Nach Befüllen des Arbeitsfluidbereiches der Pumpkammer 3' mit Arbeitsfluid V sind die Ventile 17 und 19 geschlossen und es wird in einem Verfahrensschritt B mittels der Dosierpumpe 5 wie zuvor bei Figur 1 beschrieben Pumpfluid 6 aus dem Pumpfluidreservoir 9 in die Pumpkammer 3', das heißt in die elastische Blase 23, eingeführt. Die elastische Blase 23 dehnt sich entsprechend aus und verdrängt Arbeitsfluid , welches aus der Arbeltsfluidöffnung 22 ausgegeben wird.
Figur 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, welches im Grundaufbau dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 gleicht. Anhand des dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfah- rens beschrieben, welches somit ebenfalls dem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens im Grundablauf gleicht.
Wesentlich ist, dass die Vorrichtung gemäß Figur 3 eine volumetrische Übersetzungsvorrichtung 30 aufweist. Diese umfasst ein erstes Zylinder-Kolben- Aggregat 31 und ein zweites Zylinder-Kolben-Aggregat 32. Ein erstes Volumen 31 a des ersten Aggregates 31 ist fluidleitend mit einer Pumpfluideingangs- Öffnung einer Pumpkammer verbunden. Ein erstes Volumen 32a des zweiten Aggregates 32 ist mit einer Dosierpumpe zum Fördern von Pumpfluid verbunden, Weiterhin ist zwischen Dosierpumpe und Pumpkammer eine Bypassleitung zum Umgehen der Aggregate 31 und 32 vorgesehen, welche Bypassleitung ein Absperrventil 28 aufweist. Zwischen Absperrventil 28 und Dosierpumpe ist eine Verzweigung im Flussweg vorgesehen, welche über ein weiteres Absperrventil 29 zu dem ersten Volumen 32a des Aggregates 32 führt.
Zum Befüllen des Pumpfluidbereichs der Pumpkammer und zum Entfernen von Pumpfluid aus der Pumpkammer kann somit durch Schließen des Ventils 29 und Öffnen des Ventils 28 wie zuvor beschrieben mittels der Dosierpumpe Pumpfluid in die Pumpkammer zugeführt oder aus der Pumpkammer abgeführt werden.
Während des Dosiervorgangs wird bei der Vorrichtung gemäß Figur 3 das Ven- til 28 verschlossen und das Ventil 29 geöffnet. Während des Dosiervorgangs erfolgt somit hier nur mittelbar ein Fördern von Pumpfluid mittels der Dosierpumpe in die Pumpkammer:
Mittels der Dosierpumpe wird Pumpfluid über das geöffnete Ventil 29 in das ers- te Volumen 32a des Aggregates 32 gefördert. Ein Kolben des Aggregates 33 ist mechanisch mit einem Kolben des Aggregates 31 verbunden. Eine Ausdehnung des ersten Volumens 32a führt somit aufgrund der mechanisch gekoppelten Kolbenverschiebung zu einer Verringerung des ersten Volumens 31 a des Aggregates 31 und entsprechend zum Einführen von Pumpfluid aus dem ersten Volumen 31 a in die Pumpkammer.
Da die Querschnittsfläche des Kolbens des Aggregates 32 doppelt so groß wie die Querschnittsfläche des Kolbens des Aggregates 31 ist, erfolgt hierbei eine volumetrische Übersetzung im Verhältnis 2: 1 :
Um ein vorgegebenes Volumen A aus dem ersten Volumen 31 a des Aggregates 31 in die Pumpkammer zu fördern, muss somit ein doppelt so großes Volumen , das heißt 2a, von Pumpfluid mittels der Dosierpumpe in das erste Volumen 32a des Aggregates 32 gefördert werden. Hierdurch wird die Dosiergenauigkeit weiter erhöht, da der absolute Fehler der Dosiermenge bei größeren Volumen kleiner ist. Figur 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel, welches grundsätzlich im Aufbau den zweiten Ausführungsbeispielen gleicht. Auch hier ist zusätzlich eine volumetrische Übersetzungseinheit 30 mit einem ersten Aggregat 31 und einem zweiten Aggregat 32 sowie einem Ventil 28 und einer Bypassleitung und einem Ventil 29 angeordnet. Der Betrieb folgt analog des zu Figur 2 beschriebenen Verfahrens, wobei bei Ausgabe von Arbeiisfluid die volumetrische Übersetzung wie zu Figur 3 beschrieben zur Erhöhung der Dosiergenauigkeit Anwendung findet.
Allen Ausführungsbeispielen ist gemein, dass aufgrund der druckstabilen und formsteifen Ausführung der Pumpkammer (3, 3') sowie der Verbindungselemente (8) zur Dosierpumpe (5) und aufgrund der Tatsache, dass sich Pumpfluid (6, 6') und Arbeitsfluid (3, 3') im Bereich zwischen der Dosierpumpe (5) und der Arbeitsfluidöffnung (4, 4') das selbe Volumen teilen, das in die Pumpkammer (3, 3') einströmende Volumen zu jeder Zeit dem an den Arbeitsfluidöffnungen (4, 4') ausströmenden Volumen entspricht.

Claims

Ansprüche
Verfahren zum Dosieren eines Arbeitsfluids (1 , 1 '), folgende Verfahrensschritte umfassend:
A Bereitstellen des Arbeitsfluids (1 , ) innerhalb einer druckstabilen und formsteifen Pumpkammer (3, 3');
B Zuführen eines vorgegebenen Volumens eines inkompressiblen Pumpfluids (6, 6') mittels einer Dosierpumpe (5) in die Pumpkammer (3, 3'), wobei in der Pumpkammer (3, 3') an einer Grenzfläche zwischen Pumpfluid (6, 6') und Arbeitsfluid, welche Grenzfläche die Pumpkammer (3, 3') in einen Pumpfluidbereich und einen Ar- beitsfluidbereich unterteilt,
I, eine die Grenzfläche bildende flexible Membran in der
Pumpkammer (3, 3') angeordnet wird, oder
II. das Pumpfluid (6, 6') an der Grenzfläche unmittelbar an das
Arbeitsfluid angrenzt. und Ausgeben des Arbeitsfluids (1 , 1 ') aus mindestens einer Arbeitsfluid- öffnung (4, 4') der Pumpkammer (3, 3"), indem das Arbeitsfluid (1 , 1 ') in der Pumpkammer (3, 3') durch Zuführen das Pumpfluids (6, 6') verdrängt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass in einem Verfahrensschritt C nach Verfahrensschritt B ein Angleichen des Drucks der Pumpkammer (3,3') an einen Umgebungsdruck erfolgt, indem ein Entlastungsventil (7, 19) geöffnet wird, welches druckausgleichend mit einer Umgebung sowie dem Pumpfluidbereich und/oder dem Arbeitsfluidbereich der Pumpkammer (3, 3') verbunden ist, vorzugsweise, dass zumindest vor Verfahrensschritt B, bevorzugt vor den Verfah- rensschritten A und B des Entlastungsventil (7,19) geschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Verfahrensschritt B vor Ausgabe des Fluids der Arbeitsfluidbe- reich mit einem Vordruck beaufschlagt wird, welcher Vordruck im Bereich von 50% bis 95%, bevorzugt 85% bis 95%, weiter bevorzugt etwa 90% des zur Ausgabe von Arbeitsfluid notwendigen Druckes liegt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Verfahrensschritt B der Dosierpumpe (5) saugseitig Pumpfiuid (6, 6') aus einem Pumpfluidreservoir (9) zugeführt wird, welches Pumpflu- idreservoir (9) druckstabil gegenüber dem Umgebungsdruck abgeschlossen ist und welchem Pumpfluidreservoir (9) mittels einer Druckgasquelle (10) Gas unter einem konstanten Druck zum Aufrechterhalten eines vorgegebenen Drucks in dem Pumpfluidreservoir (9) und somit zum Aufrechterhalten eines vorgegebenen Vordrucks an der Saugseite (12) der Dosierpumpe (5) zugeführt wird, insbesondere, dass der Vordruck mindestens 90% des zur Ausgabe von Arbeitsfluid notwendigen Druckes liegt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Verfahrensschritt A Pumpfiuid (6, 6') mittels der Dosierpumpe (5) aus der Pumpkammer (3, 3') abgeführt wird, um einen Unterdruck in der Pumpkammer (3, 3') zu erzeugen und Arbeitsfluid (1 , 1 ') aus einem Ar- beitsfluidreservoir (16) in die Pumpkammer (3, 3') einzuführen.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen Verfahrensschritt A und B das nicht durch das Arbeitsfluid (1 , 1 ') belegte Volumen (ΔΥ) der Pumpkammer (3, 3') mittels der Dosierpumpe (5) mit Pumpfiuid (6, 6') gefüllt wird, wobei gegebenenfalls in der Pumpkammer (3, 3') vorhandenes Gas über ein Entlüftungsventil (7, 1 9) aus der Pumpkammer (3, 3') abgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Arbeitsfluid ein kompressibles Fluid, insbesondere ein kompressibles Gas ist.
8. Vorrichtung (A, A') zum Dosteren eines Arbeitsfluids (1 , 1 '),
umfassend eine druckstabile und formsteife Pumpkammer (3, 3') und eine Dosierpumpe (5) zum Fördern eines inkompressibien Pumpfluids (6, 6'), wobei die Dosierpumpe (5) über eine druckstabile und formsteife Fluidlei- tung (8) mit einer Pumpfluidöffnung (24) der Pumpkammer (3, 3') verbunden ist, um Pumpfluid {6, 6') zu- und/oder abzuführen und
die Pumpkammer (3, 3') mindestens eine Arbeitsfluidöffnung (4, 4') aufweist, um ein Arbeitsfluid (1 , 1 ') zu- und/oder abzuführen,
und wobei die Pumpkammer {3, 3') derart ausgebildet ist, dass bei Benutzung eine Grenzfläche zwischen Pumpfluid (6, 6 ) und Arbeitsfluid (1 , 1 ') in der Pumpkammer (3, 3 ) ausgebildet ist, welche Grenzfläche die Pumpkammer (3, 3') in einen Pumpfluidbereich, in welchen die Pumpfluidöffnung (24) mündet und einen Arbeitsfluidbereich, in welchen die Arbeitsfluidöffnung (4, 4') mündet, unterteilt, wobei
I . eine die Grenzfläche bildende flexible Membran in der
Pumpkammer (3, 3') angeordnet ist, oder
II. das Pumpfluid (6, 61) an der Grenzfläche unmittelbar an das
Arbeitsfluid (1 , 1 ') angrenzt.
9. Vorrichtung (A, A') nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Pumpkammer (3, 3') zur Aufnahme einer Arbeitsfluid (1 , 1 ') enthaltenden Kartusche (2) mit einer zumindest teilweise flexibel ausgebildeten Kartuschenwand ausgebildet ist, welche Kartuschenwand die flexible Membran gemäß Variante I bildet.
1 0. Vorrichtung (A, A') nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass gemäß Variante I die flexible Membran in der Pumpkammer (3, 3') mit einer oder mehreren Wänden der Pumpkammer (3, 3') fluiddicht verbunden angeordnet ist.
1 1 . Vorrichtung (A, A') nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest der Flussweg zwischen Dosierpumpe (5) und Pumpkammer (3, 3') druckstabil gegenüber auf die Vorrichtung (A, A') einwirkenden Umgebungsdruck ausgebildet ist, vorzugsweise, dass die Dosierpumpe (5) über außendruckstabile Leitungen fluidleitend mit der Pumpkammer (3, 3') verbunden ist.
12. Vorrichtung (A, A') nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Pumpkammer (3, 3 ) ein mit dem Pumpfluidbereich fluidleitend verbundenes Druckentlastungsventil und/oder Entlüftungsventil (7, 19) aufweist.
13. Vorrichtung (A, A') nach einem der Ansprüche 8 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dosierpumpe (5) einerseits mit der Pumpfluidöffnung (24) der Pumpkammer (3, 3') und andererseits mit einem Pumpfluidreservoir (9) fluidleitend verbunden ist, vorzugsweise, dass das Pumpfluidreservoir (9) gegenüber dem Umgebungsdruck druckstabil abgeschlossen oder verschließbar ausgebildet ist.
14. Vorrichtung (A, A') nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen Pumpfluidreservoir (9) und Dosierpumpe (5) ein Druckregelventil (1 1 ) angeordnet ist.
15. Vorrichtung (A, A') nach einem der Ansprüche 13 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Druckgasquelle (10) fluidleitend mit dem Pumpfluidreservoir (9) verbunden ist.
16. Vorrichtung (A, A') nach einem der Ansprüche 8 bis 1 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Arbeitsfluidreservoir (16) vorgesehen ist, welches fluidleitend mit dem Arbeitsfluidbereich der Pumpkammer (3, 3') verbunden ist, vorzugsweise, dass zumindest der Flussweg zwischen Arbeitsfluidreservoir (16) und Pumpkammer (3, 3') druckstabil gegenüber auf die Vorrichtung (A, A') einwirkenden Umgebungsdruck ausgebildet ist, insbesondere, dass das Arbeitsfluidreservoir (16) über außendruckstabile Leitungen fluidleitend mit der Pumpkammer (3, 3') verbunden ist.
17. Vorrichtung (A, A') nach einem Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Arbeitsfluidreservoir (16) gegenüber dem Umgebungsdruck druckstabil abgeschlossen oder verschließbar ausgebildet ist.
18. Vorrichtung (A, A') nach einem der Ansprüche 16 bis 17,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Druckgasquelle (1 0) fluidleitend mit dem Arbeitsfluidreservoir (16) verbunden ist.
19. Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 18
und/oder eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Herstellung einer photovoltaischen Solarzelle, insbesondere zum Aufbringen einer Metallpartikel enthaltenden Paste auf ein Halbfeitersubstrat zum Erzeugen einer Kontaktierungsstruktur.
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