DE69326242T2

DE69326242T2 - Dosiervorrichtung für Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE69326242T2
Application number: DE69326242T
Authority: DE
Inventors: Wilhelm A. Keller; Laurence Richard Penn
Original assignee: Individual
Current assignee: Penn Laurence Richard Middleton Market Harborou
Priority date: 1993-10-01
Filing date: 1993-10-01
Publication date: 2000-01-05
Anticipated expiration: 2013-10-02
Also published as: EP0646776A1; EP0646776B1; KR100330105B1; US5547110A; TW270974B; CA2133375C; KR950012040A; JPH07159216A; CA2133375A1; ES2137243T3; DE69326242D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dosiervorrichtung für flüssige oder gasförmige Medien gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Eine solche Vorrichtung ist aus EP-A-0 200 961 bekannt, welche eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Dosierung von flüssigen oder gasförmigen Medien mit einem drehbaren, kugelförmigen Körper beschreibt, der mindestens eine Bohrung mit einer Membrane als Dosierelement aufweist.
US-A-4 058 240 offenbart eine automatische Entwässerungsvorrichtung für ein Druckluftsystem, welche als drehbares Ventil eine Kugel mit nicht durchgehender Bohrung aufweist, die als Aufnahme zum Transport der Flüssigkeit dient.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es das Ziel vorliegender Erfindung, eine Dosiervorrichtung anzugeben, welche die Dichtungsprobleme des drehbaren Körpers auf einfache Weise löst und sich sowohl für die Dosierung von Gasen als auch eines weiten Bereichs von Flüssigkeiten eignet.
Dieses Ziel wird mit einer Vorrichtung gemäss Anspruch 1 erreicht. Die beschriebene Lösung erlaubt eine deutliche Verminderung der Dichtungsprobleme und eine kompaktere Ausführung der Dosiervorrichtung.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Dosierelement innerhalb der drehbaren Kugel ebenfalls eine Kugel.
Die Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Querschnitt der erfindungsgemässen Vorrichtung,
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt eines Details senkrecht zum Schnitt von Fig. 1,
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt einer vierten Ausführungsform der Erfindung, welche besonders für kompressible Medien geeignet ist,
Fig. 6 zeigt einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit zwei Dosiereinheiten, und
Fig. 7 zeigt eine Anwendung der Erfindung in einer Anordnung für ein Zweikomponenten-Dosier- und Mischgerät.
Fig. 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform einer Dosiervorrichtung mit einem Gehäuse 1, welches eine Einlassöffnung 2 und eine diametral gegenüberliegende Auslassöffnung 3 aufweist. Die Einlassöffnung ist mit einer Zufuhr verbunden, und die Auslassöffnung mit einem Austraggerät. Das Dosierelement ist ein kugelförmiger, drehbarer Körper, vorzugsweise eine Kugel 4, die beispielsweise über eine Keilnutenkupplung 33 mit einer Antriebswelle 5 gekuppelt ist. Die Welle ist in einem Lager 6 mit geeigneter Dichtung 7 gelagert. Das Antriebssystem, beispielsweise ein Elektromotor mit Getriebe und die elektrische Steuerung zum Antrieb der drehbaren Kugel, kann an sich bekannt sein bzw. dem Stand der Technik entsprechen.
Für eine einwandfreie Funktion ist auf der Auslassseite vorzugsweise ein sphärischer Sitz 8 für die drehbare Kugel vorhanden, der eine dauerhaftere und wirksamere Dichtung als bei den bekannten drehbaren Ventilkörpern ermöglicht, und dies auf kostengünstigere Weise. Auch der Sitz 8a auf der Einlassseite kann sphärisch ausgebildet sein. Die drehbare Kugel weist eine Querbohrung 9 auf, in der vorzugsweise eine zylindrische Hülse 9a angeordnet ist, deren Innenbohrung 9b an beiden Enden je einen Sitz 11 bzw. 12 für das Dosierelement aufweist. Die Hülse kann aus einem beliebigen Material bestehen, welches eine einfache Ausbildung der Sitze gestattet. Bei dieser Ausführung ist das Dosierelement eine bewegliche Kugel 10, welche zwischen den Sitzen 11 und 12 in der Hülsenbohrung 9b hin- und herpendelt.
Wenn dem Einlass 2 eine unter Druck stehende Flüssigkeit oder ein Gas zugeführt wird, wird die drehbare Kugel, obwohl sie zwischen den Sitzen festgehalten ist, aufgrund des Drucks gegen den Sitz 8 auf der Auslassseite gedrückt.
Demzufolge kompensiert sich jede Druckveränderung der Flüssigkeit oder des Gases in bezug auf die Dichtungswirkung am Auslasssitz von selbst. Der Auslasssitz 8 muss gegenüber dem Gehäuse abgedichtet sein, beispielsweise durch eine Dichtung 58 oder andere Dichtmittel. Ausserdem erlaubt dieses System eine selbsttätige Kompensation der Abnützung der drehbaren Kugel und der Sitze. Weiter kann die Flüssigkeit oder das Gas auch zur Kühlung im Fall einer Erhitzung aufgrund der Reibung zwischen der drehbaren Kugel und den Sitzen dienen.
Der Auslasssitz 8 wird mittels einer Stellschraube gegen die drehbare Kugel gedrückt. Zu diesem Zweck kann das Gehäuse einen Deckel 35 aufweisen, dessen Aussengewinde 36 in ein Innengewinde des Gehäuses passt.
Aus Fig. 2 geht hervor, dass die Länge D' der Kontaktfläche zwischen dem Auslasssitz 8 und der drehbaren Kugel grösser als der Durchmesser D der Querbohrung 9 sein muss, damit keine Verluste entstehen, wenn die Bohrung 9 am Auslasssitz vorbeiläuft. Es ist ebenfalls ersichtlich, dass zwischen der Einlass- und der Auslassseite ein Druckunterschied bestehen muss, damit der volle Hub der verschiebbaren Kugel zwischen den Sitzen und damit eine einwandfreie Dosierung und Dichtheit gewährleistet ist.
Die Vorrichtung gemäss Fig. 1 arbeitet wie folgt: Das zu dosierende Material wird über den Einlass 2 zugeführt, drückt auf die verschiebbare Kugel 10 und verschiebt diese vom Sitz 11 durch die Hülsenbohrung 9b zum zweiten Sitz 12, wodurch eine Materialdosis ausgestossen wird. Nach einer Drehung von ungefähr 180º ergibt sich die gleiche Situation wie in Fig. 1, und die verschiebbare Kugel wird wieder durch die Hülsenbohrung nach unten gegen den gegenüberliegenden Sitz gedrückt, wo sie dichtet, nachdem wieder eine Dosis ausgestossen wurde. Bei einer Drehgeschwindigkeit von 500 U/Min. und einem Ausstossvolumen der Hülsenbohrung von 0,25 ml ergibt sich eine Durchflussmenge von 250 ml pro Minute. Durch das relativ geringe Volumen und die Schnelligkeit der abgemessenen Dosis entsteht ein scheinbar ununterbrochener Strom. Ein unterbrochener oder stossweiser Strom kann erzeugt werden, indem die drehende Kugel in 180º-Schritten mit nachfolgender Pause gedreht wird.
Es ist zu bemerken, dass eine solche Dosiervorrichtung für einen weiten Bereich von Parametern geeignet ist, beispielsweise für Flüssigkeiten von niedriger bis hoher Viskosität, Flüssigkeiten mit nichtschmierenden und abrasiven Eigenschaften und für verschiedene Durchflussmengen und Drücke.
Im oben erwähnten Beispiel ergibt sich ein würfelförmiges Gehäuse von ungefähr 50 mm Seitenlänge bei einem Durchmesser der drehbaren Kugel von ca. 25 mm, einem Durchmesser der verschiebbaren Kugel von ca. 6 mm und einem Hub von ca. 9 mm. Dies zeigt klar die kompakten Abmessungen der wirkungsvollen Dosiervorrichtung. Je nach der Grösse der Vorrichtung, den Eigenschaften der zu dosierenden Substanzen, der anwendbaren Durchflussmenge und dem Druck können für die drehbare Kugel und deren Sitze verschiedene Materialien verwendet werden. Falls eine sehr geringe Abnützung und hohe chemische Stabilität verlangt werden, kann Keramik verwendet werden, und für kleine Präzisionsteile Saphire oder Rubine. Ansonsten können Stahl oder Kunststoffe verwendet werden.
Fig. 3 zeigt eine Variante zu Fig. 1, welche besonders zur Dosierung von Gasen oder anderen kompressiblen Medien geeignet ist. Anstatt der verschiebbaren Kugel ist ein verschiebbarer zylindrischer Kolben mit kurzen, zulaufenden Enden 39 vorgesehen, die in einen kurzen Zylinder 40 münden und in die entsprechenden Sitze 41 bzw. 42 der Hülse 43a mit Bohrung 45b passen, welche in die Bohrung 43 der drehbaren Kugel 44 eingesetzt ist und bei den Sitzen jeweils Dichtmittel aufweist, beispielsweise Dichtungsringe 45. Die äussere Form der Sitze ist an die Kugelform der drehbaren Kugel angepasst. Bei dieser Variante wird der Auslasssitz 8 durch eine Feder 46 gegen die drehbare Kugel gedrückt, welche zwischen dem Auslasssitz 8 und dem eingeschraubten Deckel 47 angeordnet ist. Das Gehäuse 48 ist schematisch dargestellt, ebenso der Einlass 2 und der Auslass 3. Wie in Fig. 1 ist nur eine Antriebswelle 49 vorgesehen, die jedoch nicht mit einer Keilnut versehen, sondern direkt und starr mit der drehbaren Kugel verbunden ist, da der Auslasssitz 8 der drehbaren Kugel geschraubt/gefedert ist.
Im Betrieb bewegt der Gasdruck auf der Einlassseite den Kolben gegen den Sitz 42, wobei der entstehende zylindrische Hohlraum aufgefüllt wird, während sich der Kolben vorwärtsbewegt, bis er gegen den Auslasssitz 42 der Hülse stösst. Die drehbare Kugel wird dann um ca. 180º gedreht, wobei der Kolben, der sich zum gegenüberliegenden Sitz bewegt, das Gas ausstösst. Wenn das Gas durch den Auslass 3 vollständig aus dem zylindrischen Hohlraum ausgestossen ist, füllt der Kolben den zylindrischen Hohlraum aus und schliesst die Oberfläche des Sitzes bündig ab. Somit bringt der ebene Bereich im Sitz bei der Drehung um weitere 180º keinerlei Gas in den Einlassbereich zurück. Die vom Einlass zum Auslass gelangende Gasmenge ist direkt abhängig vom Gasdruck im Einlass und einem konstant geringeren Druck im Auslassbereich als im Einlassbereich.
Die Ausführung gemäss Fig. 4 zeigt eine weitere Variante des Dosierelements, und zwar ein Diaphragma 50, das mit Rückhaltemitteln in der Mitte der Bohrung 51b der Hülse 51a befestigt ist, die in der Querbohrung 51 der drehbaren Kugel 52 eingesetzt ist, welche Kugel in denselben Sitzen 8, 8a wie in den vorangehenden Ausführungen gelagert ist, wobei der Sitz 8 wie in Fig. 3 geschraubt/gefedert ist. Es ist offensichtlich, dass die Bohrung 51b der Hülse keine Sitze aufzuweisen braucht. Die drehbare Kugel 52 läuft auf zwei direkt mit der Kugel verbundenen Wellen 53, von welchen die eine angetrieben ist. Das Gehäuse 54 ist ähnlich aufgebaut wie das Gehäuse 48 gemäss Fig. 3, und die restlichen Teile ebenfalls.
Fig. 5 zeigt eine andere Ausführung 55, welche besonders zur Dosierung von kompressiblen Medien geeignet ist, und bei welcher die drehbare Kugel 56 am Äquator eine Anzahl Hohlräume 57 aufweist, die als Sacklöcher zum Transport eines kleinen Volumens vom Einlass 2 zum Auslass 3 ausgebildet sind. Die Sitze 8 und 8a sind die gleichen wie in der vorangehenden Ausführung, und der Sitz 8 ist ebenfalls wie oben beschrieben geschraubt und durch die Feder 8 eingespannt. Der Auslasssitz 8 ist durch Dichtmittel 58 gegenüber dem Gehäuse abgedichtet.
Fig. 6 zeigt eine Ausführung, welche eine Verdopplung der Dosierkapazität und gleichzeitig einen gleichförmigeren und gleichmässigeren Durchfluss gestattet, indem zwei drehbare Kugeln 13 und 14 mit je einer verschiebbaren Kugel 11 und 12 eingesetzt werden, die in je einer Hülsenbohrung 9b zwischen zwei gleichartigen Sitzen 11 und 12 gleiten, wobei die zwei Querbohrungen 9 um 90º versetzt sind. Die zwei drehbaren Kugeln 13 und 14 sind durch ein Verbindungsstück 15 verbunden, und die eine drehbare Kugel 13 wird von der Antriebswelle 16 angetrieben, welche ein Lager 6 und eine Dichtung 7 aufweist. Die restlichen kennzeichnenden Merkmale gemäss Anspruch 1 sind nicht dargestellt.
Das Gehäuse 17 weist zwei Einlassöffnungen 18 und zwei Auslassöffnungen 19 auf. Es ist klar, dass auch in diesem Fall der Druck auf der Einlassseite stets höher sein muss als der erwünschte Druck auf der Auslassseite, vorzugsweise mit einem Sicherheitsfaktor. Weiter ist zu bemerken, dass die Erfindung, d. h. die Dosiervorrichtung nicht auf eine oder zwei drehbare Kugeln beschränkt ist. Folglich kann eine unterschiedliche Anzahl von Einlass- und Auslassöffnungen vorgesehen sein, während die Querbohrungen unter einem Winkel von 180º/N angeordnet sind, wobei N gleich der Anzahl drehbarer Körper ist.
Fig. 7 zeigt schematisch eine mögliche Anwendung zweier erfindungsgemässer Vorrichtungen in einem Dosier- und Mischgerät 21 für Zweikomponentenmassen. Die Ziffern 22 und 23 bezeichnen zwei Vorratsbehälter für die zwei Komponenten. Die Leitungen 24 und 25 sind mit Pumpen 26 und 27 oder anderen Druckquellen verbunden. Die Pumpen fördern die Masse unter Druck zu den Dosiervorrichtungen 28 und 29, deren Auslassöffnungen mit einer Mischvorrichtung 20 statischer oder dynamischer Art verbunden sind.
Die Elektromotoren 30 und 31 der Dosiervorrichtungen sowie die Dosiervorrichtungen selbst sind mit einer Computersteuerung 32 verbunden, welche ausserdem die Vorratsbehälter, die Pumpen oder dergleichen Druckquellen sowie die Mischvorrichtung steuert, sofern es sich um eine elektrisch angetriebene Mischvorrichtung handelt. Es ist klar, dass der Druck der Pumpen oder anderer Druckquellen sowie der Austrag der Dosiervorrichtungen unterschiedlich sein kann, und dass die elektrischen Parameter angepasst und verändert werden können.
Aus der vorangehenden Beschreibung geht hervor, dass die erfindungsgemässen Vorrichtungen weniger aufwendig und vergleichsweise kompakter und kleiner sind als bekannte Vorrichtungen, und dass sie eine geringere Abnützung aufweisen. Sie justieren sich selbsttätig oder können so justiert werden, dass die Abnützung vermindert wird und eine vollständige Dichtheit gegen Verluste während der Drehung erreicht wird und ermöglichen somit eine optimale Genauigkeit der Dosierung und eine einwandfreie Schliessfunktion in jeder Winkelstellung, sobald die Drehung gestoppt wird und die Dosierung aufhört.
Ausserdem gestattet eine solche Dosiervorrichtung eine exakte stossweise oder ununterbrochene Dosierung von flüssigen oder gasförmigen Stoffen und eine einfache Konstruktion mit wenigen bewegten Teilen, so dass sie gut für den Einbau in ein Druckübertragungssystem für Flüssigkeiten und Gase geeignet ist.

Claims

1. Dosiervorrichtung für flüssige oder gasförmige Stoffe, mit einem Gehäuse (1, 17, 48, 54, 55) mit mindestens einer Einlassöffnung (2, 18) und mindestens einer Auslassöffnung (3, 19) für den zu dosierenden Stoff und mindestens einem drehbaren, kugelförmigen Körper (4, 13, 14, 44, 52, 56) mit Dosiermitteln (10, 39, 50, 57), wobei der drehbare Körper mindestens eine Antriebswelle (5, 16, 49, 53) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der drehbare kugelförmige Körper (4, 13, 14; 44; 52; 56) eine Kugel ist, welche zwischen zwei Sitzen (8, 8a) mit einander gegenüberliegenden halbkugelförmigen Dichtungsflächen festgehalten ist, wobei die Sitze je eine Öffnung (2, 3) als Einlass bzw. Auslass aufweisen und der Sitz (8) auf der Auslassseite durch den Druck eines einschraubbaren Deckels (47) und/oder einer Feder (46) gegen die drehbare Kugel (4, 44, 52, 56) gedrückt wird, um eine dichte Verbindung zwischen dem Auslasssitz (8) und der drehbaren Kugel (4, 44, 52, 56) herzustellen.

2. Dosiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Sitze (8, 8a) dem Gehäuse gegenüber (1, 17, 48, 54, 55) abgedichtet ist.

3. Dosiervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbare Kugel (4, 13, 14; 44) eine Querbohrung (9, 43) aufweist, welche das Dosierelement enthält, wobei die Bohrung im wesentlichen diametral und rechtwinklig zur Antriebswelle verläuft und das Dosierelement ein verschiebbarer Körper (10, 38) ist, der sich in der Querbohrung geradlinig zwischen zwei dichtenden Sitzen (11, 12; 41, 42) bewegt.

4. Dosiervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosierelement eine verschiebbare Kugel (10, 13, 14) ist.

5. Dosiervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosiermittel ein verschiebbarer Kolben (38) ist.

6. Dosiervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbare Kugel (52) eine Querbohrung (51) aufweist, welche das Dosierelement enthält, wobei die Bohrung im wesentlichen diametral und rechtwinklig zur Antriebswelle verläuft und das Dosierelement ein Diaphragma (50) ist, das in der Mitte der Bohrung befestigt ist.

7. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (17) mindestens zwei drehbare Kugeln (13, 14) aufweist, welche durch ein Verbindungsstück (15) verbunden sind und eine Antriebswelle (16) aufweisen, wobei die Querbohrungen (9) der drehbaren Körper jeweils um 90º oder 180º/N gegeneinander versetzt sind, wobei N gleich der Anzahl drehbarer Kugeln ist, und das Gehäuse mindestens zwei Einlassöffnungen (18) und mindestens zwei Auslassöffnungen (19) aufweist.

8. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Querbohrung (9, 43, 51) eine Hülse (9a, 43a, 51a) aufweist, welche die dichtenden Sitze (11, 12; 41, 42) für das Dosierelement beinhaltet, und deren Bohrung (9b, 43b, 51b) die Dosierbohrung ist, die das Dosierelement enthält (10, 38, 50).

9. Dosiervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbare Kugel (56) am Äquator eine Anzahl Hohlräume (57) aufweist, welche als Dosiermittel dienen.

10. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass entlang einem Querschnitt durch die beiden Sitze (8, 8a) und einem Durchmesser der drehbaren Kugel (10) gesehen der Durchmesser (D) der Querbohrung (9, 43, 51) oder der Hohlräume (57) kleiner ist als die Länge (D') der Berührungsfläche zwischen dem Sitz (8) und der drehbaren Kugel.

11. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle(n) (5; 16; 49; 53) in einem Lager (6) läuft (laufen) und durch Dichtmittel (7) gegenüber dem Gehäuse (1, 17, 48, 54, 55) abgedichtet ist (sind).

12. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbare Kugel (4) durch eine Wellenkupplung (33) mit mindestens einer Welle derart verbunden ist, dass sie frei auf dem Sitz aufliegen kann, und dass eine Welle eine Antriebswelle (5) ist.

13. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass unabhängig von der Stellung, in welcher die Bewegung der drehbaren Kugel aufhört, die Einlassöffnung immer von der Auslassöffnung getrennt ist, wobei die drehbare Kugel als Absperrventil wirkt.

14. Anwendung mindestens zweier Dosiervorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in einem Mehrkomponenten- Dosier- und Mischgerät, bei welchem den Dosiervorrichtungen (28, 29) unabhängig voneinander Flüssigkeiten entsprechender mit Vorratsbehältern (22, 23) verbundener Druckquellen (26, 27) zugeführt werden, während deren Auslassöffnungen mit einer Mischvorrichtung verbunden sind, wobei die Druckquellen (26, 27), die Dosiervorrichtungen (28, 29) sowie deren Antriebe (30, 31) und die Mischvorrichtung, falls elektrisch angetrieben, jeweils einzeln von einer Computersteuerung (32) gesteuert werden.