Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung von Gegenständen mittels eines komprimierten Reinigungsfluids

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Gegenständen (4) in einem Druckbehälter (2) mittels eines komprimierten Reinigungsfluides, das ein Gas enthält und das ein oder mehrere Male nacheinander komprimiert und dekomprimiert wird. Gemäß der Erfindung wird das Reinigungsfluid auf einen Druck dekomprimiert, bei dem das Gas ein Volumen einnimmt, das ein Vielfaches des Volumens des komprimierten Reinigungsfluides in dem Druckbehälter beträgt. Dadurch kann man partikelförmige und andere Verunreinigungen auch aus Vertiefungen, Sacklöchern oder offenen Hohlräumen (6) in den Gegenständen entfernen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung von Gegenständen in einem Druckbehälter mittels eines komprimierten Reinigungsfluides, das ein Gas enthält und das ein oder mehrere Male nacheinander komprimiert und dekomprimiert wird.

[0002] Die US-A-5 514 229 beschreibt so ein Reinigungsverfahren mittels eines Reinigungsfluides, dass sich in einem nah- oder überkritischen Zustand befindet, d.h. in einem Zustand, in dem keine Unterscheidung zwischen Flüssigkeit und Gas möglich ist. Zwischen einem nah- oder überkritischen Zustand einerseits und einem überkritischen Zustand andererseits finden periodische Druckänderungen statt, um die Löslichkeit des Fluides für bestimmte Verunreinigungen zu verändern. Verunreinigungen, die in einer Dekornprimierungsphase ausgefällt werden, können abgeschieden werden. Das heißt, mit diesem Verfahren können nur lösliche Verunreinigungen beseitigt werden.

[0003] Unlösliche Verunreinigungen von Formteilen, zum Beispiel Herstellungsrückstände wie Formsand oder Späne, Bearbeitungsrückstände wie Abdeckmittel oder Bohrstäube, oder zufällige Verschmutzungen wie Staub, entfernt man konventionell auf mechanische Weise, zum Beispiel durch intensive Relativbewegung eines Reinigungsfluides und der zu reinigenden Gegenstände, wobei dem Reinigungsfluid mechanische Scheuermittel zuzugeben werden können. Derartige Reinigungsverfahren sind aber um so weniger wirksam, je komplizierter die zu reinigenden Gegenstände geformt sind. Besonders schwierig ist es, Verunreinigungen zu entfernen, die sich in Vertiefungen wie zum Beispiel Sacklöchern oder offenen Hohlräumen in den Gegenständen befinden. Bei der Reinigung mit einem normalen Reinigungsfluid ist eine gleichzeitige Zufuhr und Abfuhr des Fluides zu gewährleisten, andernfalls kommt es zu einem Stau ohne Austausch des Reinigungsfluides. Je komplexer, tiefer und größer die Vertiefungen sind, desto schwieriger wird dieser Prozess.

[0004] Diese Probleme werden gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung wie in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben.

[0005] Gemäß der Erfindung wird das Reinigungsfluid so weit dekomprimiert, dass, falls das Reinigungsfluid ein Gas ist, dieses sich auf ein Vielfaches des Volumens des komprimierten Gases entspannt, vorzugsweise auf ein Volumen in der Größenordnung des 100-fachen des Volumens des komprimierten Gases. Alternativ kann das Reinigungsfluid eine Flüssigkeit sein, in der sich das Gas im komprimierten Zustand löst. In diesem Fall wird die Dekompression so durchgeführt, dass ebenfalls ein Vielfaches des Volumens des komprimierten Reinigungsfluides an Gas frei wird.

[0006] Wenn sich das Gas entspannt bzw. frei wird, entstehen in Vertiefungen in den zu reinigenden Gegenständen nach Außen gerichtete Strömungen, die Verunreinigungen wirkungsvoll mit sich reißen. Wird die Kompression und Dekompression wiederholt durchgeführt, wobei die Verunreinigungen immer wieder aus dem Reinigungsfluid abgeschieden werden, können komplex geformte Bauteile sehr sorgfältig gereinigt werden.

[0007] In einer Weiterbildung des Verfahrens wird ein nicht gasförmiger Stoff, in dem das komprimierte Reinigungsfluid löslich ist und der sich tendenziell an Verunreinigungen bindet, auf einen zu reinigenden Gegenstand aufgebracht und/oder in irgendwelche offenen Hohlräume in dem Gegenstand eingebracht, bevor der Gegenstand in den Druckbehälter gesetzt wird. Der nicht gasförmige Stoff, der vorzugsweise flüssig, plastisch oder pastös ist, um eine gute Anbindung an die Verunreinigungen zu gewährleisten, bildet so genannte Schlepphilfen. Durch die Löslichkeit mit dem komprimierten Reinigungsfluid werden die Schlepphilfen bei der Dekompression besonders gut aus den Vertiefungen mitgenommen und schleppen dabei die Verunreinigungen mit. Dadurch können auch sehr schwere, sehr kleine oder sehr unzugänglich gelegene Verunreinigungen zuverlässig entfernt werden. Wenn das Reinigungsfluid aus Kohlendioxid besteht, sind geeignete Schlepphilfen handelsübliche Alkohole, Öle, Fette oder Wachse auf Kohlenwasserstoff-Basis, in denen sich das Kohlendioxid löst.

[0008] Sowohl in der Grundform des Verfahrens als auch in der Weiterbildung mit Schlepphilfen kann das Reinigungsfluid in der Kompressionsphase der Reinigung einen überkritischen Zustand erreichen. Es kann aber auch während der gesamten Reinigungsphase in einem unterkritischen Zustand bleiben, da die Änderung des Gasvolumens mit dem Druck, wie für intensive wirkungsvolle Quell-Strömungen aus den Vertiefungen erwünscht, im unterkritischen Bereich ohnehin am größten ist.

[0009] Werden Schlepphilfen verwendet, können jedoch Reste davon an den Gegenständen haften bleiben. Solche Reste von Schlepphilfen werden vorzugsweise dadurch entfernt, dass das Reinigungsfluid am Ende des Verfahrens zum Beispiel einmal auf einen nah- oder überkritischen Zustand komprimiert wird. In diesem Zustand lösen sich geeignete Schlepphilfen besonders gut in dem Reinigungsfluid und werden mit diesem ausgeschwemmt.

[0010] In einer anderen Weiterbildung des Verfahrens wird der Druckbehälter vor der Reinigung mit einem oder mehreren zu reinigenden Gegenständen sowie mit einer Vielzahl von festen Füllkörpern im wesentlichen vollständig gefüllt. In diesem Fall muss der Druckbehälter mit wesentlich weniger Reinigungsfluid befüllt werden, so dass Kompressionsarbeit eingespart wird.

[0011] Eine weitere Einsparung von Kompressionsarbeit ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung, die einen Hubkolben enthält, der antriebsmäßig mit einem Verdichter für das Reinigungsfluid gekoppelt ist, so dass die bei der Dekompression frei werdende Arbeit teilweise für Kompressionsarbeit des Verdichters zurückgewonnen wird.

[0012] Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig. 1a und 1b Prinzipskizzen zur Veranschaulichung des Verfahrens zur Reinigung vom komplexen Formteilen,

Fig. 2a und 2b Prinzipskizzen zur Veranschaulichung einer Variante des Verfahrens zur Reinigung vom komplexen Formteilen, und

Fig. 3a und 3b Prinzipskizzen zur Veranschaulichung einer Vorrichtung zur Reinigung vom komplexen Formteilen.

[0013] Fig. 1a und 1b zeigen jeweils einen geschlossenen Druckbehälter 2, in dem sich ein komplexes Formteil 4 befindet. Das Formteil 4 enthält einen Hohlraum 6, der durch eine enge Öffnung 8 mit der Außenseite verbunden ist. Das Formteil 4 ist irgendein Erzeugniss, das zum Beispiel mit Herstellungsrückständen wie Formsand, Spänen oder Kühlschmiermittel, Bearbeitungsrückständen wie Abdeckmittel oder Bohrstäube, oder zufälligen Verschmutzungen wie Staub verschmutzt ist. Das eingezeichnete Formteil 4 kann zum Beispiel ein Gusserzeugniss sein, das mit Resten von Formsand verunreinigt ist, die sich insbesondere in dem Hohlraum 6 befinden. Das Formteil 4 kann aber auch irgendein anderes Erzeugniss sein, dass irgendwelche schwer zugänglichen Bereiche enthält, zum Beispiel Vertiefungen, Hinterschneidungen, Löcher, Sacklöcher oder Kanäle, die jeweils einen Hohlraum 6 bilden.

[0014] Um die Verunreinigungen aus dem Formteil 4 zu entfernen, wird der Druckbehälter 2 geöffnet, das Formteil 4 wird hinein gegeben, und der Druckbehälter 2 wird fest verschlossen. Über einen Einlass 10 wird ein hochkomprimiertes Gas wie zum Beispiel Kohlendioxid zugeführt bzw. über Pumpen erzeugt (Fig. 1a). Sobald ein gewünschter Druck erreicht ist, wird über den Einlass 10 spontan dekomprimiert (Fig. 2). Dabei vergrößert sich das Volumen des Gases, und aus der Öffnung 8 tritt Gas aus. Diese Gasströmung reißt Partikel und andere Verunreinigungen im Hohlraum 6 mit sich. Damit die Gasströmung genügend intensiv ist, soll die Dekompression möglichst schnell erfolgen. Das heißt, der Druckausgleich zwischen dem Inneren des Druckbehälters 2 und z.B. der Atmosphäre soll wesentlich schneller erfolgen als der Druckausgleich zwischen dem Hohlraum 6 und dem Inneren des Druckbehälters 2.

[0015] Die Drücke, auf die das Gas abwechselnd komprimiert und dekomprimiert wird, werden so gewählt, dass sich das Volumen des Gases bei der Dekompression um ein Vielfaches vergrößert, zum Beispiel um das 200-fache. Bei so einer starken Volumenvergrößerung ist die Quellströmung aus dem Hohlraum 6 intensiv genug für einen starken Reinigungseffekt. Um Verunreinigungen weitestgehend zu entfernen, werden die Kompression und Dekompression wiederholt durchgeführt, wobei das Gas immer wieder gefiltert wird, damit keine Verunreinigungen in den Hohlraum 6 zurück gespült werden.

[0016] Volumenänderungen in der genannten Größenordnung erfordern ein erhebliches Maß an Kompressionsarbeit, welche einen großen Teil der Betriebskosten ausmacht. Der Energieinhalt des Druckbehälters 2 ergibt sich als Produkt von Druck und Restvolumen (Volumen des Druckbehälters 2 minus Volumen des Formteils 4). Um das Restvolumen zu vermindern, kann man neben dem Formteil 4 und ggf. weiteren zu reinigenden Gegenständen eine Vielzahl von kompakten Füllkörpern 12 in den Druckbehälter 2 füllen, wie in Fig. 2a und 2b gezeigt. Die Füllkörper 12 sind zum Beispiel massive Kugeln aus einem Material, das dem Kompressionsdruck ohne Volumenänderung widersteht. Die Minimierung des Restvolumens ergibt eine proportionale Einsparung bei der aufzubringenden Kompressionsarbeit.

[0017] In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das Formteil 4 zunächst mit Schlepphilfen versehen, bevor wie vorstehend beschrieben verfahren wird. Die Schlepphilfen sind Substanzen, die bei der Arbeitstemperatur flüssig plastisch oder pastös sind und in denen sich das Gas löst. Falls das Gas Kohlendioxid ist, sind geeignete Schlepphilfen handelsübliche Alkohole, Öle, Fette oder Wachse auf Kohlenwasserstoff-Basis. Das zu reinigende Formteil 4 wird mit den Schlepphilfen überzogen bzw. damit befüllt, wobei die Schlepphilfen die Verunreinigungen umgeben und sich physikalisch oder chemisch an die Verunreinigungen binden. In der Kompressionsphase löst sich das Gas in den Schlepphilfen, und bei der spontanen Entspannung reißt das freiwerdende Gas die Schlepphilfen und somit auch die anhaftenden Verunreinigungen mit. Die Schlepphilfen werden zusammen mit den Verunreinigungen ausgetrieben. In der Praxis kann es allerdings vorkommen, dass Reste der Schlepphilfen am Bauteil haften bleiben. In diesem Fall muss das Bauteil durch eine anschließende überkritische Extraktion von den verbleibenden Schlepphilfe-Rückständen gereinigt werden. Zum Beispiel ein Wachs als Schlepphilfe löst sich sehr gut in Kohlendioxid, das sich in einem überkritischen Zustand befindet.

[0018] Übrigens kann es bei bestimmten Arten von Verunreinigungen möglich sein, die Verunreinigungen selbst als Schlepphilfen zu verwenden. Wird Kohlendioxid als Reinigungsfluid verwendet, wirken Verunreinigungen zum Beispiel in Form von Kühlschmiermittel oder Abdeckmittel auf Kohlenwasserstoff-Basis selbst als Schlepphilfen.

[0019] Fig. 3a und 3b sind Prinzipskizzen zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens. Die Vorrichtung enthält einen Verdichter 14, dessen Auslass mit einem Druckreservoir 16 verbunden ist. Das Druckreservoir 16 ist über ein Ventil 18 mit einem Druckbehälter 20 zur Aufnahme der zu reinigenden Gegenstände verbunden. Weiterhin enthält die Vorrichtung eine Hubkolbenvorrichtung 22, die ein Hohlzylinder ist, der an beiden Enden gasdicht verschlossen ist und in dem sich ein axial beweglicher Kolben 24 befindet. Der Kolben 24 ist antriebsmäßig mit dem Verdichter 14 gekoppelt, zum Beispiel durch eine gemeinsame Kolbenstange oder durch ein Pleuel und eine Kurbel, wie mit einer gestrichelten Linie 26 angedeutet. Falls der Verdichter 14 ein Hubkolbenverdichter ist, können der Kolben des Verdichters 14 und der Kolben der Hubkolbenvorrichtung 22 auch in einem gemeinsamen Hohlzylinder angeordnet und über eine Kolbenstange, die sich gasdicht durch eine Trennwand zwischen dem Verdichter 14 und der Hubkolbenvorrichtung 22 erstreckt, miteinander gekoppelt sein.

[0020] Der Kolben 24 unterteilt die Hubkolbenvorrichtung 22 in eine erste Kammer 28 und eine zweite Kammer 30. Die erste Kammer 28 ist über ein Ventil 32 mit dem Druckreservoir 16 verbunden und über ein Ventil 34 mit einem Vorratsbehälter 36 für das Reinigungsfluid verbunden. Die zweite Kammer 30 ist über ein Ventil 38 mit dem Druckbehälter 20 verbunden und über ein Ventil 40 mit einem Abscheider 42 für Verunreinigungen verbunden, dessen Auslass mit dem Vorratsbehälter 36 verbunden ist. Der Vorratsbehälter 36 ist außerdem mit dem Einlass des Verdichters 14 verbunden.

[0021] Fig. 1a zeigt die Dekompressionsphase, in der die Ventile 32 und 38 geöffnet sind und die Ventile 18, 34 und 40 geschlossen sind. Der Kolben 24 bewegt sich in der eingezeichneten Pfeilrichtung nach oben, um den Druckbehälter 20 zu dekomprimieren und dadurch die darin befindlichen Gegenstände zu reinigen. Das aus dem Druckbehälter 20 austretende Gas unterstützt teilweise direkt das Austreiben von Gas aus der ersten Kammer 28 in das Druckreservoir 16, teilweise unterstützt es über die Kopplung 26 den Verdichter 14, der das Druckreservoir 16 ebenfalls mit Gas füllt.

[0022] Fig. 2a zeigt die Kompressionsphase, in der die Ventile 32 und 38 geschlossen sind und die Ventile 18, 34 und 40 geöffnet sind. Während der Druckbehälter 20 über das Ventil 18 mit Druckluft aus dem Druckreservoir 16 gefüllt wird, bewegt sich der Kolben 24 in der eingezeichneten Pfeilrichtung nach unten, um das Gas, das sich während der Dekompressionsphase in der zweiten Kammer 30 angesammelt hat, durch den Abscheider 42 und den Vorratsbehälter 36 in den Verdichter 14 und die erste Kammer 28 zu treiben. Der Vorratsbehälter 36 wirkt hier als Puffer für das im Abscheider 42 gereinigte Gas. Das Gas aus dem Abscheider 42 kann aber auch direkt in den Verdichter 14 und die erste Kammer 28 geleitet werden. Der Vorratsbehälter 36 wird dann nur für die Zufuhr von Frischgas zu Beginn des Verfahrens und ggf. zum Ausgleich von Leckverlusten benötigt.

[0023] Das Ausblasen von Gas in der zweiten Kammer 30 und das Ansaugen von Gas in der ersten Kammer 28 während der Kompressionsphase kann dadurch unterstützt bzw. geleistet werden, dass die während der Dekompressionsphase am Kolben 24 gewonnene Arbeit z.B. in einer Schwungscheibe gespeichert wird, die über eine Kurbel und ein Pleuel mit dem Kolben 24 verbunden ist, und zum Ausblasen bzw. Ansaugen in der Hubkolbenvorrichtung 22 genutzt wird.

Ansprüche

1. Verfahren zur Reinigung von Gegenständen in einem Druckbehälter mittels eines komprimierten Reinigungsfluides, das ein Gas enthält und das ein oder mehrere Male nacheinander komprimiert und dekomprimiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Reinigungsfluid auf einen Druck dekomprimiert wird, bei dem das Gas ein Volumen einnimmt, das ein Vielfaches des Volumens des komprimierten Reinigungsfluides in dem Druckbehälter (2; 20) beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reinigungsfluid aus dem Gas besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein nicht gasförmiger Stoff, in dem das komprimierte Reinigungsfluid löslich ist und der sich tendenziell an Verunreinigungen bindet, auf einen zu reinigenden Gegenstand (4) aufgebracht und/oder in irgendwelche offenen Hohlräume (6) in dem Gegenstand eingebracht wird, bevor der Gegenstand in den Druckbehälter (2; 20) gesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht gasförmige Stoff flüssig, plastisch oder pastös ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Reinigungsfluid aus Kohlendioxid besteht und dass der nicht gasförmige Stoff Alkohol, Öl, Fett und/ oder Wachs auf Kohlenwasserstoff-Basis enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 3 und Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Reinigungsfluid nach der Reinigung der Gegenstände von Verunreinigungen auf einen nah- oder überkritischen Zustand komprimiert wird, in dem der nicht gasförmige Stoff in dem Reinigungsfluid löslich ist, um irgendwelche Reste des nicht gasförmigen Stoffes von den Gegenständen (4) zu entfernen.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (2) vor der Reinigung mit einem oder mehreren zu reinigenden Gegenständen (4) sowie mit einer Vielzahl von festen Füllkörpern (12) im wesentlichen vollständig gefüllt wird.

8. Vorrichtung zur Reinigung von Gegenständen mittels eines Reinigungsfluides, mit einem Druckbehälter zur Aufnahme der zu reinigenden Gegenstände und mit einem Verdichter für das Reinigungsfluid, gekennzeichnet durch eine Hubkolbenvorrichtung (22) mit einem Hubkolben (24), der antriebsmäßig mit dem Verdichter (14) gekoppelt ist und die Hubkolbenvorrichtung in zwei Kammern (28, 30) unterteilt, wobei eine erste Kammer (28) der Hubkolbenvorrichtung über ein erstes Ventil (32) mit einem Druckreservoir (16) verbunden ist, das mit dem Auslass des Verdichters (14) und über ein zweites Ventil (18) mit dem Druckbehälter (20) verbunden ist, und wobei eine zweite Kammer (30) der Hubkolbenvorrichtung über ein drittes Ventil (38) mit dem Druckbehälter verbunden ist und über ein viertes Ventil (40) mit einem Abscheider (42) für Verunreinigungen verbunden ist.

Zeichnung