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Die Erfindung betrifft einen Behälter gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen eines Innendrucks in einem Behälterinnenraum eines Behälters.
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Bei der Verarbeitung von Fluiden bei hohen Temperaturen und unter hohen Drücken, beispielsweise von Glasschmelzen oberhalb der Glasübergangstemperatur, lässt sich der Druck nur sehr schlecht messen.
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Aus der
EP 0 327 693 A1 ist ein ophthalmologisches Gerät zum Messen des Augeninnendrucks bekannt. Eine derartige Vorrichtung ist nicht als Behälter tauglich.
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Aus der
DE 10 2006 012 917 B4 ist ein Element zum Übertragen von Kräften bekannt, das zwei membranartig ausgestaltete Wände aufweist. Wird auf die eine Membran eine Kraft ausgeübt, so wird diese Kraftwirkung durch das zwischen den beiden Membranen vorhandene Fluid auf die zweite Membran übertragen. Ein mit der zweiten Membran verbundener Druckmesser kann den Druck so schwerkraftfrei messen.
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Aus der
DE 296 02 065 U1 ist ein gattungsgemäßer Behälter in Form eines Schlauchs bekannt, der auf einen Stößel drückt. Der Stößel überträgt eine Verformung des Schlauchs auf einen Kraftsensor. Nachteilig an einem derartigen System ist, dass es für sehr hohe Innendrücke nicht geeignet ist.
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Aus der
DE 35 28 768 A1 ist ein Drucksensor bekannt, bei dem ein druckempfindliches Element mit einer Seite an einer deformierbaren Wand eines Behälters verbunden ist und sich mit der anderen Seite auf einem nicht deformierbaren Teil abstützt. Nachteilig an einem derartigen System ist, dass es für hohe Temperaturen nicht geeignet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Druckmessung, insbesondere bei der Messung von hohen Drücken unter hohen Temperaturen, zu verbessern.
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Die Erfindung löst das Problem durch einen Behältermit den Merkmalen von Anspruch 1. Erfindungsgemäß ist zudem eine Glas-Spritzgießmaschine, die einen derartigen Behälter aufweist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch.
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Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass der Druck auch bei hohen Temperaturen und/oder hohen Drücken gemessen werden kann. So kann das Kraftübertragungselement aus einem wenig wärmeleitenden Material hergestellt werden, sodass der Drucksensor bei vergleichsweise geringen Temperaturen betrieben werden kann. Das vermindert seinen Verschleiß und ermöglicht es, Standard-Drucksensoren zu verwenden.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass auch aggressive und/oder toxische und/oder korrosive Materialien im Hochtemperaturbehälter enthalten sein können, ohne dass dies die Druckmessung beeinflussen würde. Bei den meisten bekannten Drucksensoren führt eine Änderung des Drucks zu einer Verschiebung von zwei Elementen des Drucksensors relativ zueinander, die detektiert wird. Das setzt aber voraus, dass die beiden sich relativ zueinander bewegenden Objekte gegeneinander abgedichtet sind. Das ist bei hohen Drücken und/oder hohen Temperaturen aufwändig und fehleranfällig. Bei dem erfindungsgemäßen Hochtemperaturbehälter ist die Wand in dem Bereich, in dem das Kraftübertragungselement mit ihr Kontakt hat, ununterbrochen. In anderen Worten existieren keine Lücken, in die im Hochtemperaturbehälter vorhandenes Material eindringen könnte. Das erlaubt eine sehr robuste Druckmessung.
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Es ist ein weiterer Vorteil, dass der erfindungsgemäße Hochtemperaturbehälter mit einfachen Mitteln hergestellt werden kann. So ist es lediglich notwendig, eine (vorzugsweise gewindete) Sackbohrung in die Wand einzubringen und das Kraftübertragungselement mit der so entstehenden Membran in Kontakt zu bringen. Erhöht sich der Druck im Innenraum, wölbt sich der Bereich der Außenwand, der durch die Stirnfläche der Sackbohrung gebildet und daher als Membran bezeichnet wird. Diese Wölbung wird durch das Kraftübertragungselement auf den Drucksensor übertragen, beispielsweise indem die Wölbung durch das Kraftübertragungselement in eine lineare Bewegung umgesetzt wird. Die Membran ist so gestaltet, dass die zulässigen Spannungen und Dehnungen des Wandmaterials unter Einsatzbedingungen nicht überschritten werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Membran so ausgebildet, dass eine Druckänderung im Behälterinnenraum von 0 MPa auf 200 MPa zu einer maximalen Deformation von höchstens 200 µm führt. In anderen Worten bewegt sich kein Punkt der Membran um mehr als 200 µm, wenn der Innendruck im Behälterinnenraum von 0 MPa auf 200 MPa steigt.
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Es hat sich überraschend gezeigt, dass die Auslenkung eines Mittelpunkts des Kontaktbereiches in guter Näherung linear vom Innendruck abhängt. Der Innendruck kann daher mit relativ hoher Genauigkeit gemessen werden.
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Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter dem Hochtemperaturbehälter insbesondere alles das verstanden, was ein Medium enthält oder leitet.
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Insbesondere kann der Hochtemperaturbehälter ein Teil einer Maschine sein, beispielsweise eine Leitung. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Hochtemperaturbehälter ein Zylinder, insbesondere ein Spritzzylinder, mittels dem ein Medium auf einen Druck von zumindest 1500 bar, vorzugsweise zumindest 2000 bar, bringbar ist.
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Unter einem Hochtemperaturbehälter wird ein Behälter verstanden, der bei einer Temperatur von zumindest 1000°C dauerfest ist. Vorzugsweise ist der Hochtemperaturbehälter als Hochtemperatur-Hochdruckbehälter ausgelegt, der bei einer Temperatur von 1000°C bis zumindest 100 MPa, vorzugsweise zumindest 200 MPa, druckfest ist.
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Besonders günstig ist es, wenn der Hochtemperaturbehälter aus Edelstahl nach EN10020 hergestellt ist. Günstig ist es, wenn eine 0,2-Dehngrenze des Edelstahls zumindest 500 Newton pro Quadratmillimeter beträgt. Beispielsweise ist der Edelstahl ein nichtrostender martensitischer Stahl.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Drucksensor ausgebildet zum Erfassen einer Messgröße, die von der Deformation der Wand im Kontaktbereich abhängt, wobei der Hochtemperaturbehälter eine Auswerteeinheit aufweist, die mit dem Drucksensor verbunden ist und ausgebildet ist zum automatischen Berechnen des Innendrucks aus der Messgröße. Beispielsweise ist die Messgröße eine elektrische oder optische Messgröße. Günstig ist es, wenn die Auswerteeinheit einen digitalen Speicher und eine Recheneinheit umfasst, die aus der Messgröße den Innendruck berechnet. Alternativ ist es möglich, dass der Drucksensor analog aufgebaut ist und den Innendruck in Abhängigkeit von der Information der Wand im Kontaktbereich analog anzeigt.
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Vorzugsweise ist das Kraftübertragungselement stabförmig und weist eine Längsachse auf, wobei die Information der Wand im Kontaktbereich aufgrund einer Druckänderung im Behälterinnenraum eine Bewegung des Kraftübertragungselements entlang der Längsachse bewirkt. Das hat den Vorteil, dass eine hohe Temperatur der Wand sich entlang des Kraftübertragungselements ausbreiten muss, um zum Drucksensor zu gelangen. Vorzugsweise ist das Kraftübertragungselement so angeordnet, dass es, beispielsweise durch Umgebungsluft, gekühlt wird.
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In diesem Fall wird die Wärme über das Kühlmedium abgeführt und gelangt nicht zum Drucksensor. In anderen Worten muss der Drucksensor nicht Hochtemperatur-geeignet sein und dennoch können sehr hohe Temperaturen im Behälterinnenraum herrschen.
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Günstig ist es, wenn das Kraftübertragungselement plane oder konvexe Enden hat. In diesem Fall kann das Kraftübertragungselement die Bewegung der Wand im Kontaktbereich besonders sicher auf den Drucksensor übertragen.
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Vorzugsweise ist das Kraftübertragungselement zumindest überwiegend aus einem Material aufgebaut, dessen Wärmeleitfähigkeit λ kleiner ist als 4 Watt pro Meter und Kelvin. Beispielweise ist das Kraftübertragungselement zumindest abschnittsweise aus Keramik aufgebaut. Hierunter ist zu verstehen, dass es möglich, nicht aber notwendig ist, dass das Kraftübertragungselement ausschließlich aus Keramik besteht. Es ist vielmehr möglich, dass das Kraftübertragungselement abschnittsweise nicht aus Keramik besteht. Im gleichen Sinne ist unter dem Merkmal, dass das Kraftübertragungselement zumindest überwiegend aus dem Material mit der angegebenen Wärmeleitfähigkeit aufgebaut ist, insbesondere zu verstehen, dass es günstig, nicht aber notwendig ist, dass das Kraftübertragungselement vollständig aus einem entsprechenden Material aufgebaut ist. Vielmehr ist es möglich, dass Abschnitte des Kraftübertragungselements aus einem Material mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit aufgebaut sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bildet die Wand im Kontaktbereich – oder einer Umgebung des Kontaktbereichs – eine Membran, die einteilig, insbesondere einstückig, mit dem umgebenden Bereich der Wand verbunden ist. Unter dem Merkmal, dass die beiden Abschnitte einstückig miteinander verbunden sind, wird insbesondere verstanden, dass sie nicht zerstörungsfrei relativ zueinander bewegbar sind. In anderen Worten existiert keine Trennstelle zwischen der Membran und deren Umgebung.
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Vorzugsweise ist die Membran mit deren Umgebung einstückig verbunden, das heißt, dass keine Fügestelle zwischen der Membran und deren Umgebung besteht. Eine derartige Membran wird beispielsweise dadurch hergestellt, dass von der Außenseite der Wand eine Sackbohrung eingebracht wird. Die Stirnseite der Sackbohrung bildet dann die Membran.
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Dadurch, dass die Membran und die Umgebung einstückig miteinander verbunden sind, ist keine Dichtung notwendig. Auch ist keine Leckage des Materials vom Behälterinnenraum nach außen zu befürchten.
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Günstig ist es, wenn der Durchmesser der Membran höchstens 15 mm, insbesondere höchstens 10 mm, beträgt. Günstig ist zudem eine Membrandicke der Membran von höchstens 5 mm, insbesondere höchstens 3 mm.
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Da die Wand eine durchschnittliche Wandstärke hat und eine Kontaktbereich-Wandstärke in dem Kontaktbereich höchstens ein Fünftel, insbesondere höchstens ein Zehntel, der durchschnittlichen Wandstärke beträgt, kann der Hochtemperaturbehälter ein unter einem hohen Druck stehendes Medium aufnehmen und dennoch ist die Messung des Innendrucks gut möglich.
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Erfindungsgemäß ist zudem eine Maschine, insbesondere eine Spritzgießmaschine, die einen erfindungsgemäßen Hochtemperaturbehälter umfasst. Bei der Spritzgießmaschine handelt es sich beispielsweise um eine Glas-Spritzgießmaschine, die zum Spritzgießen von Glas ausgebildet ist. In diesem Fall ist der Hochtemperaturbehälter vorzugsweise ein Spritzzylinder. Derartige Spritzgießmaschinen müssen Glas unter einem hohen Druck und unter einer hohen Temperatur in die Spritzgießform pressen. Die Messung des Drucks war bislang nicht oder nur mit großem Aufwand möglich. Dieser Nachteil bestehender Spritzgießmaschinen wird durch die Erfindung beseitigt.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren wird vorzugsweise an einem Hochtemperaturbehälter durchgeführt, der eine Temperatur von zumindest 400°, insbesondere zumindest 800° hat. Besonders günstig ist es, wenn der Hochtemperaturbehälter eine Temperatur von zumindest 100° hat, da in diesem Fall die Erfindung mit besonders großem Vorteil angewendet werden kann.
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Günstig ist es, wenn der Hochtemperaturbehälter unter einem Druck von zumindest 100 MPa, insbesondere zumindest 200 MPa steht. In diesem Druckbereich ist der Innendruck mittels der Erfindung besonders einfach im Vergleich zu anderen Methoden zu messen.
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Vorzugsweise ist das Verfahren ein Spritzgießverfahren zum Herstellen von Glas-Spritzgussteilen, wobei das Verfahren das Spritzen des Glases aus einem Spritzzylinder beinhaltet und wobei der Innendruck in diesem Spritzzylinder die oben angegebenen Schritte aufweist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
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1 schematisch eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Maschine und
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2 einen Querschnitt durch eine Druckermittlungsvorrichtung eines erfindungsgemäßen Hochtemperaturbehälters.
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1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Maschine 10 in Form einer Spritzgießmaschine, die einen erfindungsgemäßen Hochtemperaturbehälter 12 umfasst. Der Hochtemperaturbehälter 12 hat eine Wand 14, die einen Behälterinnenraum 16 nach außen begrenzt. Im Behälterinnenraum 16 ist ein Medium 18, beispielsweise eine Glasschmelze, vorhanden. Es ist möglich, dass der Hochtemperaturbehälter eine Heizung 20, beispielsweise eine konduktive und/oder eine induktive Heizung, umfasst, das ist aber nicht notwendig.
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Der Hochtemperaturbehälter 12 besitzt eine Druckermittlungsvorrichtung 22, mittels der ein Innendruck p16 im Behälterinnenraum 16 ermittelt werden kann. Die Druckermittlungsvorrichtung 22 umfasst einen Drucksensor 24, der beispielsweise einen drucksensitiven Widerstand aufweist, und ein Kraftübertragungselement 26 in Form eines Stabes. Es ist zu erkennen, dass das Kraftübertragungselement 26 mit einer ersten Seite 28 von außen in einem Kontaktbereich M an der Wand 14 anliegt. Mit einer zweiten Seite 30, die der ersten Seite 28 gegenüberliegt, liegt das Kraftübertragungselement 26 am Drucksensor 24 an. Der Drucksensor 24 ist starr mit der Wand 14 verbunden, im vorliegenden Fall ist die Druckermittlungsvorrichtung 22 in die Wand 14 eingeschraubt. Der Drucksensor kann direkt oder über einen passenden Adapter mit der Wand 14 verbunden sein.
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Die Druckermittlungsvorrichtung 22 besitzt einen elektrischen Anschluss 32, mit dem der Drucksensor 24 kontaktiert ist. Über ein elektrisches Kabel 34 ist der Drucksensor 24 mit einer Auswerteeinheit 36 verbunden. So kann die Auswerteeinheit 36 eine Messgröße, im vorliegenden Fall den ohmschen Widerstand R des Drucksensors 24 auslesen und daraus den Innendruck p16 berechnen.
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Die Maschine 10 umfasst im vorliegenden Fall einen Kolben 38, mit dem das Medium 18, im vorliegenden Fall die Glasschmelze, in eine Spritzgussform 40 einpressbar ist. Die übrigen Komponenten der Maschine 10 sind die einer Spritzgussmaschine und sind daher bekannt und nicht weiter dargestellt.
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2 zeigt einen Teil der Wand 14 und die Druckermittlungsvorrichtung 22. Es ist zu erkennen, dass die Druckermittlungsvorrichtung 22 einen Grundkörper 42 aufweist, mittels dem sie in die Wand 14 eingeschraubt ist. Das Kraftübertragungselement 26 ist stabförmig ausgebildet, hat eine Längsachse L und besteht im vorliegenden Fall aus Keramik. Es ist zu erkennen, dass die Wand 14 im Kontaktbereich M eine Membran bildet, also eine Struktur, die so dünn ist, dass sie sich bei einer Änderung des Innendrucks p16 deutlich stärker deformiert als die Wand 14 in der Umgebung. Vorzugsweise verformt sich die Membran M um zumindest den Faktor 50 stärker als die übrige Wand 14.
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Die Membran M ist einstückig mit ihrer Umgebung ausgebildet, das heißt, dass keine Fügestelle existiert. Im vorliegenden Fall ist die Membran M dadurch hergestellt, dass eine Sackbohrung 44 in die Wand 14 eingebracht wurde.
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Die schematische Ansicht in 1 zeigt, dass die Wand 14 eine Wandstärke d14 hat, die abseits der Membran M deutlich größer ist als eine Kontaktbereich-Wandstärke dM (vgl. 2). Die durchschnittliche Wandstärke d14,av wird berechnet, indem der Mittelwert über alle Wandstärken anhand der Innenoberfläche des Hochtemperaturbehälters 12 gemittelt wird.
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2 zeigt, dass die Kontaktbereich-Wandstärke dM deutlich kleiner ist als die durchschnittliche Wandstärke und insbesondere höchstens 1/20tel beträgt. Das führt zu der deutlich stärkeren Deformation des Kontaktbereichs M im Vergleich zu der Deformation der Wand 14 an anderen Stellen.
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Im Betrieb wird das Medium 18 in Form der Glasschmelze auf eine Temperatur von mindestens 400 °C gebracht. Durch den Kolben 38 wird ein Druck von maximal 2500 bar (250 MPa) aufgebracht und so die Glasschmelze in die Spritzgussform 40 gedrückt. Die Deformation der Membran M wird vom Drucksensor 24 erfasst und von der Auswerteeinheit 36 berechnet. Auf diese Weise kann der Innendruck p16 konstant gehalten werden.
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Die Wand 14 ist aus dem Edelstahl 1.4122 aufgebaut. Es ist günstig, wenn der Grundkörper 42 eine höhere Wärmeleitfähigkeit hat als das umgebende Wandmaterial.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Maschine
- 12
- Hochtemperaturbehälter
- 14
- Wand
- 16
- Behälterinnenraum
- 18
- Medium
- 20
- Heizung
- 22
- Druckermittlungsvorrichtung
- 24
- Drucksensor
- 26
- Kraftübertragungselement
- 28
- erste Seite
- 30
- zweite Seite
- 32
- elektrischer Anschluss
- 34
- Kabel
- 36
- Auswerteeinheit
- 38
- Kolben
- 40
- Spritzguss
- 42
- Grundkörper
- 44
- Sackbohrung
- d14
- Wandstärke
- d14,av
- durchschnittliche Wandstärke
- dM
- Kontaktbereich-Wandstärke
- L
- Längsachse
- M
- Kontaktbereich/Membran
- p16
- Innendruck
- R
- Widerstand, Messgröße
- T
- Temperatur
- λ
- Wärmeleitfähigkeit
