DE102019201847A1

DE102019201847A1 - Hochdruckpumpe, Pumpenkolben und Verfahren zum Homogenisieren

Info

Publication number: DE102019201847A1
Application number: DE102019201847.5A
Authority: DE
Inventors: Steffen Jahnke; Volker Richter
Original assignee: HST Maschinenbau GmbH
Current assignee: HST Maschinenbau GmbH
Priority date: 2019-02-13
Filing date: 2019-02-13
Publication date: 2020-08-13

Abstract

In einer Hochdruckpumpe mit einem Block (1), in welchem wenigstens ein linear in einer Zylinderbohrung (11) hin- und hergehend antreibbarer Pumpenkolben (7) sowie wenigstens eine der Oberfläche (24) des Pumpenkolbens (7) zugeordnete dynamische Stangen-Dichtanordnung (8, 10) vorgesehen sind, ist eine Detektionseinrichtung (D) für im Betrieb der Hochdruckpumpe (P) zwischen der Oberfläche (24) des Pumpenkolbens (7) und der jeweiligen Stangen-Dichtanordnung (8, 10) auftretende thermische Zustände vorgesehen. Diese umfasst beispielsweise im Inneren des Pumpenkolbens (7) benachbart zur Oberfläche (24) angeordnete, mit einer Auswerteeinrichtung (A) für Messwerte verbundene Temperatursensoren (T).

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1, einen Pumpenkolben gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 19, sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 20.
Hochdruckpumpen, insbesondere Kolbenpumpen, werden in vielen Bereichen der Lebensmittel-, Pharmazeutik-, Kosmetik- und Chemie-Industrie zur Herstellung von feinteiligen Dispersionen und anderen heterogenen Stoffgemischen eingesetzt. Die Pumpendrücke liegen zwischen 2 und etwa 200 MPa. Die Förderung des Produkts erfolgt über einen oszillierenden Antrieb des Pumpenkolbens im Block. Der Block kann mehrere Kolben enthalten. Das Produkt wird vom Einlauf über ein Saugventil in die Pumpenkammer gefördert, wenn der Pumpenkolben zurückgezogen wird, und beim darauffolgenden Druckhub über ein Druckventil beispielsweise in einen Druckraum gebracht. Um die Dichtheit der Hochdruckpumpe zu gewährleisten, ist zumindest eine dynamische Stangen-Dichtanordnung, meist im Block oder am Kolben, angeordnet, die einen axialen Austritt des Produkts zur Außenseite verhindert, aber auch einen unerwünschten axialen Eintritt eines äußeren Mediums wie etwa Umgebungsluft in die Pumpenkammer verhindern soll.
Die Stangen-Dichtanordnung ist im Gegensatz zu einer statischen Anordnung dauerhaft dynamisch beansprucht, da sie die Dichtwirkung gegenüber oder mit dem axial bewegten Koben gewährleisten muss.
Für einen sterilen Anwendungsfall kann mit einer weiteren dynamischen Stangen-Dichtanordnung eine geschlossene Steril-Barriere vorgesehen sein. Die Steril-Barriere wird beispielsweise mit einem Steril-Medium permanent beaufschlagt, etwa Dampf oder Dampfkondensat, und kann gegebenenfalls mit einem Spül-Medium gespült werden. Die Steril-Barriere gewährleistet Sterilität und verhindert sicher den Eintritt eines Mediums von außen.
Durch die lineare Bewegung des Pumpenkolbens entsteht in Folge der Reibung zwischen der axialen Oberfläche des Pumpenkolbens und der jeweiligen dynamischen Stangen-Dichtanordnung beträchtliche Reibungswärme, gegebenenfalls zusätzlich zu erhöhter Prozesstemperatur in der Pumpenkammer und mit erhöhter Temperatur des Steril-Mediums in der Steril-Barriere. Bei hoher Prozesstemperatur und hoher Temperatur des Steril-Mediums führt die Reibungswärme zu hoher thermischer Belastung der in den Stangen-Dichtanordnung eingesetzten Elastomere, die zu Verbrennungen und damit zum schnellen Ausfall führen kann. Dies resultiert in verminderten Standzeiten vor allem der dynamischen Stangen-Dichtanordnung und zu Beschädigungen der axialen Oberfläche des Pumpenkolbens aufgrund lokaler Überhitzung. Aufgrund eines lokal überhitzten Pumpenkolbens können sich ablösende Teile die Stangen-Dichtanordnung beschädigen und in die Pumpenkammer gelangen. Die daraus resultierende Verschmutzung des Produkts kann in einer Produktionslinie zu langen Totzeiten und aufwendiger Fehlersuche führen. Der Austausch eines als beschädigt identifizierten Pumpenkolbens erfordert die Demontage der Stangen-Dichtanordnungen und gegebenenfalls eine komplette Durchspülung einer Produktionslinie. Produktionsunterbrechungen und Stillstandszeiten einer Produktionsanlage sind teuer. Störungen sind nur zeitaufwendig zu beheben. Aufgrund der geschlossenen Bauweise, insbesondere bei Einsatz einer Steril-Barriere bei jedem Pumpenkolben ist ein Detektieren und eine zuverlässige Überwachung des thermischen Zustands vor allem der axialen Oberfläche des Pumpenkolbens von außen kaum möglich.
Aus EP 1 639 258 A1 ist eine Hochdruckpumpe bekannt, die als Kolbenmembranpumpe ausgeführt ist und Druck- und Temperatursensoren am und im Block besitzt, um für einen Mikrokontroller den Pumpendruck und die Temperatur der Pumpe abzugreifen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochdruckpumpe, einen Pumpenkolben und ein zuverlässiges Verfahren zum Homogenisieren anzugeben, mit denen lange Standzeiten ermöglicht und Schäden an den dynamischen Stangen-Dichtanordnungen sowie der Oberfläche des Pumpenkolbens vermeidbar sind.
Die gestellte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, des Patentanspruchs 19 und des Patentanspruchs 20 gelöst.
Aufgrund der Detektionseinrichtung für im Betrieb der Hochdruckpumpe zwischen der Oberfläche des Pumpenkolbens und der jeweiligen Stangen-Dichtanordnung auftretende thermische Zustände lässt sich ein Trend zu einem Schaden vor allem an der jeweiligen Stangen-Dichtanordnung und an der axialen Oberfläche des Pumpenkolbens ermitteln, und können somit umgehend Korrekturmaßnahmen eingeleitet werden, um einen Ausfall der Hochdruckpumpe bzw. des Pumpenkolbens zu vermeiden. Dank solcher Korrekturmaßnahmen sind lange Standzeiten der Hochdruckpumpe möglich, und vereinfacht sich auch die Fehlersuche in Hochdruckpumpen mit mehreren Pumpenkolben. Produktionsunterbrechungen aufgrund eines kontaminierten Produkts sind weitestgehend ausgeschlossen. Der Betrieb einer Produktionsanlage lässt sich zuverlässiger überwachen.
In einer erfindungsgemäß wichtigen Ausführungsform ist im Pumpenkolben innen benachbart zu dessen axialer Oberfläche wenigstens ein mit einer, vorzugsweise außenliegenden, Auswerteeinrichtung verbundener Temperatursensor verbaut. Dieser Temperatursensor ermittelt die Temperatur optimal nahe an dem Bereich, in welchem in der Hochdruckpumpe der thermische Zustand einen Trend zu einer baldigen Störung repräsentieren kann, nämlich bei der axialen Oberfläche des Pumpenkolbens und der damit zusammenwirkenden inneren Oberfläche der jeweiligen Stangen-Dichtanordnung. Die abgegriffenen Temperaturmesssignale sind außerordentlich aussagefähig für den thermischen Zustand und können im Betrieb der Hochdruckpumpe praktisch in Echtzeit ausgewertet und dazu benutzt werden, um beispielsweise über eine überordnete Steuerung Korrekturmaßnahmen zu veranlassen. So könnte beispielsweise die Frequenz der Pumpenkolbenhübe reduziert und/oder der Durchsatz des Steril-Mediums erhöht und/oder das Steril-Medium gekühlt und/oder die Temperatur des Produkts verringert werden, sobald sich ein kritisches Auswerteergebnis zeigt. Auch eine Warnung oder das Abschalten der Hochdruckpumpe oder ihres Betriebs sind möglich.
In einer baulich einfachen Ausführungsform weist der Pumpenkolben einen Hohlraum auf, beispielsweise eine beidendig verschlossene Innenbohrung. In dem Hohlraum ist der wenigstens eine Temperatursensor in Kontakt mit der Hohlraumwand und somit nahe bei der außenliegenden axialen Oberfläche des Pumpenkolbens platziert. Das Metall des Pumpenkolbens überträgt den Temperaturzustand der axialen Oberfläche und/oder der Stangen-Dichtanordnung weitestgehend unverfälscht zum Temperatursensor.
Über die Länge des Hohlraums und/oder in Umfangsrichtung an der Hohlraumwand verteilt können mehrere Temperatursensoren angeordnet sein, um sogar über einen bestimmten axialen Längenbereich des Pumpenkolbens das entstehende Temperaturprofil exakt abgreifen zu können.
Dabei kann jeder Temperatursensor per Kabel oder drahtlos signalübertragend mit der Auswerteeinheit verbunden sein.
In einer Ausführungsform mit besonderer Bedeutung ist zusätzlich zu einer eine Pumpenkammer nach außen abdichtenden dynamischen Stangen-Dichtanordnung, beispielsweise im Block, axial beabstandet wenigstens eine zweite dynamische Stangen-Dichtanordnung vorgesehen, gegebenenfalls ebenfalls im Block oder in einem Anbauteil am Block. Die ersten und zweiten Stangen-Dichtanordnungen bilden eine z.B. mit einem Steril-Medium wie Dampf oder Dampfkondensat von außen beaufschlagbare Steril-Barriere. Da hierbei der Pumpenkolben an zwei axial beabstandeten Bereichen Reibungswärme in den Stangen-Dichtanordnungen erzeugt, ist der zuverlässige Abgriff des Temperaturprofils zumindest der axialen Oberfläche des Pumpenkolbens in diesen Bereichen besonders wichtig.
Um die Temperatur an jedem Temperatursensor auf möglichst kurzem Weg und präzise zu übertragen, ist es zweckmäßig, wenn die Temperatursensoren innerhalb des Arbeitshubs des Pumpenkolbens im Wesentlichen in radialen Ausrichtungen auf die ersten und zweiten Stangen-Dichtanordnungen, und, vorzugsweise, auch auf die Steril-Barriere zwischen den ersten und zweiten Stangen-Dichtanordnungen platziert sind. Da der Arbeitshub des Pumpenkolbens im Regelfall, speziell für hohe Drücke, relativ kurz sein kann, könnte gegebenenfalls die in Axialrichtung des Pumpenkolbens gesehene Länge oder Dimension jedes Temperatursensors so gewählt sein, dass er zu jedem Zeitpunkt dort die Temperatur abgreift, wo Reibungswärme entsteht.
Zur Fixierung jedes Temperatursensors können unterschiedliche Klebetechniken oder Vergusstechniken oder Ähnliches eingesetzt werden. Denkbar wäre auch eine in Umfangsrichtung im Hohlraum in Umfangsrichtung begrenzte axiale Nut zur Platzierung der Temperatursensoren möglichst nahe an der axialen außenliegenden Oberfläche des Pumpenkolbens.
Zweckmäßig ist mittels der Auswerteeinrichtung eine Echtzeit- oder nahezu Echtzeit-Auswertung des thermischen Zustands durchführbar, um zeitgerecht reagieren bzw. korrigierend eingreifen zu können.
Die Detektionseinrichtung mit den Temperatursensoren im Pumpenkolben kann jedoch auch in einem Anwendungsfall benutzt werden, in welchem die Steril-Barriere in einem SIP-Zyklus beaufschlagbar ist, um die korrekte Durchführung des SIP-Zyklus zu überwachen, d.h., eine zu schwache oder zu starke Beaufschlagung zu vermeiden. Daraus resultieren Einsparpotenziale.
Mit einer Vielzahl von Temperaursensoren, beispielsweise über den Umfang des Pumpenkolbens verteilt, lassen sich auch lokale thermische Überbelastungen aufgrund Schmiermangels detektieren.
In einer zweckmäßigen Ausführungsform weisen die erste Stangen-Dicht-Anordnung mehrere axial hintereinander gesetzte elastomere Dichtringe, und gegebenenfalls wenigstens einen Stützring, und die zweite Stange-Dichtanordnung wenigstens einen von außen axial spannbaren elastomeren Dichtungsring auf. Die Steril-Barriere kann im Übrigen zwischen den ersten und zweiten Stangen-Dichtanordnungen einen mit dem Steril-Medium und/oder einem Spül-Medium beaufschlagbaren Ringraum umfassen, der die Oberfläche des Pumpenkolbens mit Spiel umgibt.
Anschlusskanäle zum und vom Ringraum können im Block und/oder im Anbauteil angeordnet sein.
In einer baulich einfachen Ausführungsform ist der Pumpenkolben ein am Pumpende einstückig verschlossener Hohlkolben mit einem am Antriebsende eingesetzten, z.B. eingeschraubten Verschlussstopfen.
In dieser Ausführungsform kann der Verschlussstopfen multifunktionell benutzt werden, in dem er den Hohlkolben verschließt, außerhalb des Hohlkolbens ein Gewinde, z. B. mit Schlüsselflächen, trägt. Mit dem Gewinde kann der Linear-Antrieb des Pumpenkolbens gekoppelt werden. Eine Hub-Einstellmutter ermöglicht es, den Hub und die bei jedem Pumpentakt verdrängte Dosis einzustellen.
Die erste Stangen-Dichtanordnung im Block kann in der Pumpenkammer von einer Vorspannfeder beaufschlagt sein, um optimal zu wirken.
Die Detektionseinrichtung bzw. die Auswerteeinrichtung kann in die Hochdruckpumpe aufweisenden Produktionsanlagen entweder zu Testzwecken oder auch im Dauereinsatz betrieben werden.
Zweckmäßig ist die Auswerteeinrichtung mit einer übergeordneten elektronischen Steuerung in kommunizierender Verbindung, von der entsprechende Korrekturmaßnahmen aufgrund eines kritisch detektierten thermischen Zustands veranlassbar sind.
Zweckmäßig sind im Block in separaten Zylinderbohrungen mehrere Pumpenkolben angeordnet, die zueinander parallel arbeiten, wobei gemeinsame Ein- und Auslassbereiche vorgesehen sein können. Dies schließe eine Hochdruckpumpe mit nur einem Pumpenkolben nicht aus.
Der erfindungsgemäße Pumpenkolben zeichnet sich dadurch aus, dass er aufgrund des Detektierens des Temperaturprofils an seiner axialen Oberfläche mittels wenigstens eines innenliegenden Temperatursensors lange Standzeiten ermöglicht und über diese langen Standzeiten schadenfrei einsetzbar ist, da der jederzeit abgreifbare thermische Zustand es ermöglicht, bei einer sich abzeichnenden Störung korrigierend und damit standzeitverlängernd einzugreifen, oder den Pumpenkolben und/oder seine Stangen-Dichtanordnungen zu tauschen, ehe es zu einem Schaden und/oder einer Kontamination des Produkts kommt, was eine lange Stillstandzeit für eine Produktionsanlage bedingen würde.
Weiterhin umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Homogenisieren feinteiliger Dispersionen und/oder heterogener Stoffgemische, insbesondere Milch oder Milchprodukte, bei dem durch eine einen Pumpenkolben aufweisende Hochdruckpumpe die feinteiligen Dispersionen und/oder heterogenen Stoffgemische durch einen Spalt gepumpt werden, wobei der Pumpenkolben durch eine Stangen-Dichtanordnung abgedichtet wird und bei dem durch eine Detektionseinrichtung ein thermischer Zustand der Dichtanordnung oder des Pumpenkolbens erfasst wird.
Das Erfassen des thermischen Zustandes mittels der Detektionseinrichtung kann dabei kontinuierlich oder in bestimmten Zeitabständen erfolgen. Weiterhin kann die Steuerung eine Warnung beim Überschreiten einer bestimmten Temperatur ausgeben. Weiterhin kann die Steuerung die Hochdruckpumpe bzw. deren Motor beim Überschreiten einer weiteren Temperatur stoppen.
Eine kontinuierliche Überwachung des thermischen Zustandes ermöglich es beispielsweise sicherzustellen, dass die Temperatur im Pumpenkolben und damit indirekt auch die Temperatur der Stangen-Dichtanordnung stets oberhalb eines bestimmten Wertes liegt, beispielsweise deutlich über 122°C. Somit kann gewährleistet werden, dass im Betrieb die Sterilbarriere stets aufrecht erhalten bleibt. Ein wesentlicher Faktor für die Temperatur des Kolbens und der Dichtanordnung ist die Reibungswärme. Bisher konnte dieser Einfluss auf die Sterilbarierre nicht berücksichtigt werden. Mittels der Erfindung ist es nun möglich, diesen genau zu bestimmen. So kann beispielsweise die Reinigungs- oder Reibungswärme ausreichend sein, um die Sterilbarierre aufrecht zu halten. Dies ermöglicht einen Verzicht oder zumindest eine Reduktion an Sterilmedium. Auch könnte der Pumpenkolben mit nicht-sterilem Medium gekühlt werden. Beispielsweise ist es auch möglich, mit der gemessenen Temperatur die Zufuhr des Sterilmediums genau zu regeln.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die kontinuierliche Temperaturüberwachung insbesondere zwischen 125°C und 150°C zur Einhaltung der Sterilität in dem Bereich zwischen der Kolbenoberfläche und der Stangen-Dichtanordnung, um die Art und Menge des Steilmediums anzupassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die ermittelten thermischen Zustände aufgezeichnet werden. In Verbindung mit der Betriebsstundenzahl kann so beispielsweise der tatsächliche Verschleißzustand ermittelt werden. Da der Verschleißzustand neben der Betriebszeit besonders vom thermischen Zustand der Dichtanordnung abhängt, kann so ein genauerer Wert für den Verschleißzustand ermittelt werden. Beispielsweise verkürzt eine höhere Temperatur der Dichtanordnung deren Lebensdauer. Darüber hinaus kann mit den ermittelten Daten für den tatsächlichen Verschleißzustand beispielsweise eine zu erwartende Lebensdauer der Dichtanordnung ermittelt werden, so dass ein rechtzeitiger Austausch der Dichtanordnung möglich ist.
Anhand der Zeichnung wird eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes erläutert. Es zeigen:

1 einen Axialschnitt einer Hochdruckpumpe, die vor oder hinter der Zeichenebene weitere Hochdruckpumpenstufen aufweisen kann, und
2 einen Teillängsschnitt eines Pumpenkolbens für die Hochdruckpumpe von 1.

Eine Hochdruckpumpe P, insbesondere eine Kolbenpumpe, wie in 1 gezeigt, wird beispielsweise in vielen Bereichen der Lebensmittel-, Pharmazeutik-, Kosmetik- und Chemie-Industrie beispielsweise zur Herstellung von feinteiligen Dispersionen und anderen heterogenen Stoffgemischen in einer Produktionsanlage M eingesetzt. Die gezeigte Hochdruckpumpe P kann in einem Block 1 in einer Zylinderbohrung 11 einen einzigen Pumpenkolben 7 aufweisen, oder z. B. vor und/oder hinter der Zeichenebene weitere gleichartige Pumpenkolben 7. Da speziell in den erwähnten Anwendungsbereichen solcher Hochdruckpumpen P Sterilität benötigt wird, weist die gezeigte Hochdruckpumpe P als nicht beschränkendes Beispiel eine Steril-Barriere B auf. Wird hingegen keine Sterilität benötigt, kann die Steril-Barriere B entfallen.
Der Block 1 weist einen Einlaufbereich 2 mit einem Saugventil 3 zu einer Pumpenkammer 5 (Produktraum) sowie ein Druckventil 4 zu einem in der gezeigten Ausführungsform vorgesehenen Druckraum 6 auf. Der Einlaufbereich 2 und der Druckraum 6 können allen vorgesehenen Pumpenkolben 7 zugeordnet sein.
Der langgestreckte zylindrische Pumpenkolben 7, der zumindest bereichsweise aus gut wärmeleitendem Metall besteht, ist in der gezeigten Ausführungsform in einer ersten dynamischen Stangen-Dichtanordnung 8 abgedichtet, die aus mehreren elastomeren Dichtungsringen und gegebenenfalls wenigstens einem Stützring zusammengesetzt sein kann und sich in der gezeigten Ausführungsform im Block 1 in der Zylinderbohrung 11 befindet. Die Stangen-Dichtanordnung 8 ist z. B. durch eine in der Pumpenkammer 5 angeordnete Vorspannfeder 13 gegen eine Schulter in einer Bohrungserweiterung 12 in der Zylinderbohrung 11 vorgespannt. Der Pumpenkolben 7 erstreckt sich aus dem Block 1 nach außen und weist beispielsweise am Antriebsende ein Gewinde 17 mit Schlüsselflächen 18 zur Montage auf. Am Gewinde 17 greift ein Antriebselement 19 an, das den Pumpenkolben 7 linear hin- und her bewegt (Doppelpfeil 20).
In der Produktionsanlage M kann die Hochdruckpumpe P mit wenigstens einem druckseitig dem Druckraum 6 nachgeschaltetem Entspannungsventil 32 (enthält z. B. einen engen Spalt oder einen Düsenstock 31) einen Homogenisator H, z. B. zum Homogenisieren von Milch oder Milchprodukten Dicht
Falls, wie nicht beschränkend gezeigt, die Hochdruckpumpe P eine Steril-Barriere B aufweist, kann diese aus einem hülsenförmigen Anbauteil 9 bestehen, der mit Schrauben 15 am Block 1 befestigt ist und sich in Verlängerung der Zylinderbohrung 11 erstreckt. Alternativ könnte die Steril-Barriere B direkt im Block 1 vorgesehen sein.
In der gezeigten Ausführungsform ist in dem Anbauteil 9 eine zweite Stangen-Dichtanordnung 10 mit beispielsweise wenigstens einem elastomeren Dichtungsring in axialem Abstand von der ersten Stangen-Dichtanordnung 8 vorgesehen. Zwischen den ersten und zweiten Stangen-Dichtanordnungen 8, 10 erstreckt sich z. B. eine Ringkammer 16, die die außenliegende axiale Oberfläche 24 des Pumpenkolbens 7 mit Spiel umfasst und über Kanäle 21, 22, hier beispielsweise im Block 1, mit einem Steril-Medium wie Dampf oder einem Dampfkondensat beaufschlagbar ist. Gegebenenfalls kann die Steril-Barriere B auch mit einem Spül-Medium gespült bzw. sterilisiert oder gereinigt werden.
Erfindungsgemäß weist die Hochdruckpumpe P in 1 eine Detektionseinrichtung D zum Feststellen von im Betrieb der Hochdruckpumpe P zwischen der Oberfläche des Pumpenkolbens 7 und zumindest einer Stangen-Dichtanordnung 8, und/oder 10 auftretende thermische Zustände auf. Die Detektionseinrichtung D wird näher anhand 2 erläutert.
In 2 ist eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten Pumpenkolbens 7 gezeigt. Dieser enthält im Inneren einen Hohlraum 26, in welchem zumindest ein Temperatursensor T an einer Hohlraumwand 25 benachbart zur äußeren axialen Oberfläche 24 des Pumpenkolbens 7 verbaut ist. In der gezeigten Ausführungsform in 2 sind mehrere Temperatur-Sensoren T über die Länge des Hohlraums verteilt. Alternativ könnten mehrere Temperatur-Sensoren T auch in Umfangsrichtung im Hohlraum 26 verteilt sein, beispielsweise fixiert durch Verkleben oder Vergießen und/oder Einpressen in eine axiale Nut (nicht gezeigt) des Hohlraums 26, und zwar benachbart zur axialen Oberfläche 24.
Der Pumpenkolben 7 weist in der in 2 gezeigten Ausführungsform (Hohlkolben) als Hohlraum 26 eine Innenbohrung auf, die am Pumpende bei 27 einstückig verschlossen ist, und am Antriebsende einen eingeschraubten oder auf andere Weise abgedichtet festgelegten Verschlussstopfen 29 aufweist, beispielsweise in einem Falz 30 des Pumpenkolbens 7. Der Verschlussstopfen 29 weist, wie erwähnt, das Gewinde 17 und die Schlüsselflächen 18 auf, die z. B. als Anschlag für das Antriebselement 19 (1) dienen können.
Der jeweilige Temperatursensor T ist beispielsweise über Kabel 28 mit einer Auswerteinrichtung A verbunden, die mit einer übergeordneten, beispielsweise elektronischen Steuerung CU kommunizieren kann und die Messsignale der Temperatursensoren auswertet, um beispielsweise das Temperaturprofil der Oberfläche 24 zu ermitteln, und auch die thermischen Zustände im Bereich der Stangen-Dichtanordnungen 8, 10. Alternativ können die Temperatursensorgen T drahtlos mit der Auswerteeinrichtung A kommunizieren.
Zweckmäßig sind die verbauten Temperatursensoren T im Wesentlichen radial auf die Bereiche ausgerichtet, in denen die Oberfläche 24 beim Arbeitshub des Pumpenkolbens 7 die Stangen-Dichtanordnung 8 und/oder 10 kontaktiert. Wenigstens ein Temperatursensor T kann auch auf den Ringraum 16 ausgerichtet sein, um die dortige Temperatur zu detektieren. Im Betrieb entsteht durch die Linearbewegung des Pumpenkolbens 7 in Folge der Reibung zwischen der Oberfläche 24 des Pumpenkolbens 7 und den dynamischen Stangen-Dichtanordnungen 8, 10 Reibungswärme, gegebenenfalls zusätzlich zu erhöhter Prozesstemperatur in der Pumpenkammer 5 und erhöhter Temperatur des Steril-Mediums in der Steril-Barriere 9. In der Summe kann sich eine hohe thermische Belastung für in den Stangen-Dichtanordnungen 8 und/oder 10 eingesetzte Elastomere ergeben, die zu Verbrennungen und damit zu schnellem Ausfall führen kann. Die Folge wären verminderte Standzeiten der dynamischen Stangen-Dichtanordnungen 8 und/oder 10, sowie eine ebenfalls kritische Beschädigung der axialen Oberfläche 24 des Pumpenkolbens bei lokaler Überhitzung. Infolge der erfindungsgemäß vorgesehenen Detektionseinrichtung D ist es möglich, die thermischen Zustände entlang der axialen Oberfläche 24 des Pumpenkolbens 7 zuverlässig zu detektieren. Die Erfassung der Messsignale zur Auswertung des thermischen Profils kann praktisch in Echtzeit erfolgen, sodass entweder Korrekturmaßnahmen, z.B. Änderung der Temperatur des Produkts und des Steril-Mediums und/oder der Durchsatz des Steril-Mediums, oder das Stoppen der Hochdruckpumpe P, oder eine Warnung möglich sind. Kritische Prozesszustände, die z. B. einen Trend zu einem Schaden abbilden, werden erkannt und lassen sich gegebenenfalls beheben. Zusätzlich ermöglichen es die ermittelten Temperaturmesswerte der Temperatur-Sensoren T, die Durchführung eines SIP-Zyklusses zu bewerten und gegebenenfalls zu optimieren, was Einsparpotenziale ergibt. Das heißt, es wird gerade eine für die erforderliche Sterilität ausreichende SIP ausgeführt, ohne unnötig überhöhte Temperaturen oder Durchsätze zu vergeuden. Bei einer Verteilung der Temperatur-Sensoren 12 in Umfangsrichtung des Pumpenkolbens 7 ist zusätzlich über die Auswerteeinrichtung A eine lokale thermische Über-Belastung aufgrund eines Schmiermangels detektierbar. Die Detektionseinrichtung D kann in Produktionsanlagen M sowohl nur zu zeitweisen Tests als auch dauerhaft zum Einsatz gebracht werden.
Weiterhin umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Homogenisieren feinteiliger Dispersionen und/oder heterogener Stoffgemische, insbesondere Milch oder Milchprodukte, bei dem durch eine einen Pumpenkolben aufweisende Hochdruckpumpe die feinteiligen Dispersionen und/oder heterogenen Stoffgemische durch einen Spalt gepumpt werden, wobei der Pumpenkolben durch eine Stangen-Dichtanordnung abgedichtet wird und bei dem durch eine Detektionseinrichtung ein thermischer Zustand der Dichtanordnung oder des Pumpenkolbens erfasst wird.
Das Erfassen des thermischen Zustandes mittels der Detektionseinrichtung kann dabei kontinuierlich oder in bestimmten Zeitabständen erfolgen. Weiterhin kann die Steuerung eine Warnung beim Überschreiten einer bestimmten Temperatur ausgeben. Weiterhin kann die Steuerung die Hochdruckpumpe bzw. deren Motor beim Überschreiten einer weiteren Temperatur stoppen.
Eine kontinuierliche Überwachung des thermischen Zustandes ermöglich es beispielsweise sicherzustellen, dass die Temperatur im Pumpenkolben und damit indirekt auch die Temperatur der Stangen-Dichtanordnung stets oberhalb eines bestimmten Wertes liegt, beispielsweise deutlich über 122°C. Somit kann gewährleistet werden, dass im Betrieb die Sterilbarriere stets aufrecht erhalten bleibt. Ein wesentlicher Faktor für die Temperatur des Kolbens und der Dichtanordnung ist die Reibungswärme. Bisher konnte dieser Einfluss auf die Sterilbarierre nicht berücksichtigt werden. Mittels der Erfindung ist es nun möglich, diesen genau zu bestimmen. So kann beispielsweise die Reinigungs- oder Reibungswärme ausreichend sein, um die Sterilbarierre aufrecht zu halten. Dies ermöglicht einen Verzicht oder zumindest eine Reduktion an Sterilmedium. Auch könnte der Pumpenkolben mit nicht-sterilem Medium gekühlt werden. Beispielsweise ist es auch möglich, mit der gemessenen Temperatur die Zufuhr des Sterilmediums genau zu regeln.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die kontinuierliche Temperaturüberwachung insbesondere zwischen 125°C und 150°C zur Einhaltung der Sterilität in dem Bereich zwischen der Kolbenoberfläche und der Stangen-Dichtanordnung, um die Art und Menge des Steilmediums anzupassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die ermittelten thermischen Zustände aufgezeichnet werden. In Verbindung mit der Betriebsstundenzahl kann so beispielsweise der tatsächliche Verschleißzustand ermittelt werden. Da der Verschleißzustand neben der Betriebszeit besonders vom thermischen Zustand der Dichtanordnung abhängt, kann so ein genauerer Wert für den Verschleißzustand ermittelt werden. Beispielsweise verkürzt eine höhere Temperatur der Dichtanordnung deren Lebensdauer. Darüber hinaus kann mit den ermittelten Daten für den tatsächlichen Verschleißzustand beispielsweise eine zu erwartende Lebensdauer der Dichtanordnung ermittelt werden, so dass ein rechtzeitiger Austausch der Dichtanordnung möglich ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1639258 A1 [0006]

Claims

Hochdruckpumpe (P), zur Herstellung feinteiliger Dispersionen und/oder heterogener Stoffgemische, insbesondere beim Homogenisieren von Milch oder Milchprodukten, mit einem wenigstens einen linear über einen Arbeitshub in einer Zylinderbohrung (11) hin- und hergehend antreibbaren Pumpenkolben (7) enthaltenden Block (1), und wenigstens einer der axialen Oberfläche (24) des Pumpenkolbens (7) zugeordneten, dynamischen Stangen-Dichtanordnung (8, 10), dadurch gekennzeichnet, dass eine Detektionseinrichtung (D) für im Betrieb der Hochdruckpumpe (P) zumindest zwischen der Oberfläche (24) des Pumpenkolbens (7) und der jeweiligen Stangen-Dichtanordnung (8, 10) auftretende thermische Zustände vorgesehen ist.
Hochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Pumpenkolben (7) benachbart zur Oberfläche (24) wenigstens ein mit einer, vorzugsweise außenliegenden, Auswerteeinrichtung (A) verbundener Temperatursensor (T) verbaut ist.
Hochdruckpumpe nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der, vorzugsweise zumindest bereichsweise metallische, Pumpenkolben (7) einen Hohlraum (26), vorzugsweise eine beidendig verschlossene Innenbohrung, aufweist, in welchem der wenigstens eine Temperatursensor (T) in Kontakt mit der Hohlraumwand (25) platziert ist.
Hochdruckpumpe nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die Länge des Hohlraums (26) und/oder in Umfangsrichtung an der Hohlraumwand (25) verteilt mehrere Temperatursensoren (T) angeordnet sind.
Hochdruckpumpe nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Temperatursensor (T) signalübertragend mit der Auswerteeinrichtung (A) per Kabel (28) oder drahtlos verbunden ist.
Hochdruckpumpe nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich und axial beabstandet zu einer eine Pumpenkammer (5) nach außen abdichtenden ersten dynamischen Stangen-Dichtanordnung (8) im Block (1) wenigstens eine zweite dynamische Stangen-Dichtanordnung (10) vorgesehen ist, vorzugsweise im Block (1) oder in einem Anbauteil (9) am Block (1), und dass die ersten und zweiten Stangen-Dichtanordnungen (8, 10) eine z.B. mit einem Steril-Medium von außen beaufschlagbare Steril-Barriere (B) begrenzen.
Hochdruckpumpe nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursensoren (T) innerhalb des Arbeitshubs des Pumpenkolbens (7) im Wesentlichen in radialen Ausrichtungen auf die ersten und zweiten Stangen-Dichtanordnungen (8, 10) und, vorzugsweise, auf die Steril-Barriere (B) zwischen den ersten und zweiten Stangen-Dichtanordnungen (8, 10), platziert sind.
Hochdruckpumpe nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Temperatursensor (T) an der Hohlraumwand (25) fixiert ist, vorzugsweise durch Kleben oder Vergießen.
Hochdruckpumpe nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Auswerteeinrichtung (A) eine Echtzeit-Auswertung des thermischen Zustands durchführbar ist.
Hochdruckpumpe nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steril-Barriere (B) in einem SIP-Zyklus beaufschlagbar ist, und dass mittels der Auswerteeinrichtung (A) und den Temperatursensoren (T) eine Bewertung der Durchführung des SIP-Zyklus durchführbar ist.
Hochdruckpumpe nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stangen-Dichtanordnung (8) mehrere axial hintereinander gesetzte elastomere Dichtringe und gegebenenfalls Stützringe und die zweite Stangen-Dichtanordnung (10) wenigstens einen von außen axial spannbaren elastomeren Dichtungsring aufweisen, und dass als Steril-Barriere (B) zwischen den ersten und zweiten Stangen-Dichtanordnungen (8, 10) ein mit dem Steril-Medium und/oder einem Spül-Medium beaufschlagbarer Ringraum (16) die Oberfläche (24) des Pumpenkolbens (7) mit Spiel umgibt.
Hochdruckpumpe nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Anschlusskanäle (21, 22) zum und vom Ringraum (16) in Block 1 und/oder im Anbauteil (9) angeordnet sind.
Hochdruckpumpe nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpenkolben (7) ein am Pumpende einstückig verschlossener Hohlkolben mit einem am Antriebsende eingesetzten Verschlussstopfen (29) ist.
Hochdruckpumpe nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlussstopfen (29) außerhalb des Hohlkolbens ein Gewinde (17) und wenigstens eine Schlüsselfläche (18) trägt, und dass, vorzugsweise, die erste Stangen-Dichtanordnung (8) in der Pumpenkammer (5) von einer Vorspannfeder (13), axial beaufschlagt ist.
Hochdruckpumpe nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (A) in einer die Hochdruckpumpe (P) enthaltende Produktionsanlage (B) entweder zu Testzwecken oder im Dauereinsatz betreibbar ist.
Hochdruckpumpe nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (A) mit einer übergeordneten elektrischen Steuerung (CU) kommuniziert.
Hochdruckpumpe nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Block (1) in separaten Zylinderbohrungen (10) mehrere, im Wesentlichen parallele Pumpenkolben (7) enthält.
Hochdruckpumpe nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckpumpe (P) mit einem druckseitigen Entspannungsventil (32) in einem Homogenisator (H) für Lebensmittel, insbesondere für Milch und Milchprodukte, eingegliedert ist.
Pumpenkolben (7) einer Hochdruckpumpe (P), zur Herstellung feinteiliger Dispersionen und/oder heterogener Stoffgemische, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des metallischen Pumpenkolbens (7) benachbart zu dessen axialer Oberfläche (24) wenigstens ein mit einer Temperatur-Auswerteeinrichtung (A) verbundener Temperatursensor (T) verbaut ist.
Verfahren zum Homogenisieren feinteiliger Dispersionen und/oder heterogener Stoffgemische, insbesondere Milch und Milchprodukte, bei dem durch eine einen Pumpenkolben (7) aufweisende Hochdruckpumpe (P) die feinteiligen Dispersionen und/oder heterogenen Stoffgemische durch einen Spalt (31) gepumpt werden, und der Pumpenkolben (7) durch wenigstens eine Stangen-Dichtanordnung (8, 10) abgedichtet und durch eine Detektionseinrichtung (D) ein thermischer Zustand der Dichtanordnung (8, 10) und/oder des Pumpenkolbens (7) erfasst werden.