CN104676034A - 用于计量在微量范围内的介质的阀 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于计量在微量范围内的介质的阀。本发明涉及用于计量填充介质和/或浆状介质的阀。根据实施方式，该阀包括具有计量开口的阀元件和平移地可移动并具有流动开口的阀门。阀门配置成在阀门的流动开口与阀元件的计量开口暂时对准的过程中执行振荡双冲程运动。在阀门的双冲程运动的过程中第一次在前进冲程期间且第二次在返回冲程期间，阀门的流动开口与阀元件的计量开口对准。

Description

用于计量在微量范围内的介质的阀
本发明涉及用于计量在少量和微量范围内的介质的阀，且具体涉及根据例如从DE 10 2007 020 361 A1中得知的权利要求1的前序的用于计量填充介质和/或浆状介质的阀。
虽然可能使用在DE 10 2007 020 361 A1中描述的阀来计量少的介质的量，但由于工业产品的小型化不断进一步增加，有必要在产品的生产过程中对在微量范围内的浆状介质和/或填充介质进行非常精确的计量。
为了满足该需求，在DE 10 2007 020 361 A1中描述的阀的两个端部位置之间以振荡方式来回推两个穿孔阀板(perforated valve plate)，其中这两个穿孔阀板的穿孔只在这两个端部位置之一彼此对准，使得待计量的介质可通过它们。虽然可基于在DE 10 2007 020 361 A1中描述的阀设计来达到高达大约1kHz的振荡频率，然而，阀打开的持续时间比较长，这是由于下列事实：这两个穿孔阀板的穿孔在两个穿孔阀板的相对速度趋于零的时间点在来回振荡运动的两个端部位置之一的区域中彼此对准。这产生的结果是，阀在总周期长度的大约三分之一期间是打开的。
因为使用在DE 10 2007 020 361 A1中描述的阀设计也可能几乎没有进一步减小该打开时间，故用于进一步减小计量的量的可能方法包括减小对介质的压力且从而减小其流动速度，使得待计量的较少数量的介质可在阀的打开时间期间通过打开的阀。然而，供应压力也可能不以任何期望的量减小，因为否则能量不再足以突破待计量的介质的表面张力，使得细小的液滴可从待计量的介质释放，如被称为“喷射”的非接触式计量期望的。
因为阀的直径可能尤其没有按需要进行减小以当计量填充介质时由于容纳在其中的填充材料(例如具有大约50μm的直径的玻璃珠)而减小计量的量，故仍然需要一种阀，特别是使用该阀可非常精确地计量在微量范围内的填充介质和/或浆状介质。
因此本发明的根本目的是满足该需求。
根据第一方面，该目的由具有权利要求1所述的特征的阀来满足。
与在DE 10 2007 020 361 A1中描述的阀一样，根据本发明的阀也具有带有计量开口的阀元件和平移地可移动并具有流动开口(flow opening)的阀门，因此此时关于这两个元件的另外的细节和关于用于引起阀门的平移运动的装置明确参考在DE 10 2007 020 361 A1中的相应陈述，其因此通过引用DE 10 2007 020 361 A1一起被列入本文中。
与已经知道的阀一样，根据本发明的阀的阀门也配置成在阀门的流动开口与阀元件的计量开口暂时对准的过程中执行振荡双冲程运动。然而，现在根据本发明做出规定：在阀门的每个双冲程运动的过程中，阀门的流动开口与阀元件的计量开口两次对准，即，第一次在前进冲程期间且第二次在返回冲程期间。
与从DE 10 2007 020 361 A1得知的阀不同，穿孔阀板的穿孔因此在阀门的双冲程运动的过程中在阀门到达双冲程运动的死点(dead center)的时间点未对准；根据本发明更确切地做出规定：阀门在其双冲程运动的过程中移动越过阀元件，使得阀门的流动开口在两个死点之间与阀元件的计量开口对准。因为阀门在该两个死点之间的路径的中间处达到其最大速度，故阀门的流动开口因此只在一段非常小的持续时间与阀元件的计量开口对准，由此，以期望的方式进一步减小待计量的介质数量变得可能。
为了确保阀门的流动开口可在其双冲程运动的过程中越过阀元件在两侧处移动且具体为移动越过阀元件的计量开口，双冲程运动的冲程从大约700μm到大约1000μm的增加在某些情况下可能是必要的；然而，这只在可达到的振荡频率中是稍微明显的。然而相反，由于当阀门在两个死点之间达到其最大速度时两个开口彼此对准的事实，阀打开持续时间可从大约周期长度的三分之一减小到大约周期长度的十分之一，使得与可达到的振荡频率的任何减小比较，由此可关于计量的量的减小实现的益处是高度显著的。
现在将在下面考虑阀的有利实施方式，另外的实施方式也从附图的描述、附图和从属权利要求中得到。
因此根据实施方式做出规定：在位于两个打开位置之间的双冲程运动的该部分期间，阀元件的计量开口由阀门闭合，在该两个打开位置期间，阀门的流动开口在阀门的双冲程运动的过程中相应地与阀元件的计量开口对准。因此，阀门的流动开口移动远到越过阀元件的计量开口使得阀元件的计量开口完全闭合。在这方面，当阀门在其双冲程运动的过程中位于其两个死点之一处时，阀元件的计量开口具体由阀门来闭合，使得没有待计量的介质可在阀门在两个死点处的比较长的停顿时间期间通过阀。
根据优选实施方式做出规定：在阀门的速度在其双冲程运动的过程中在双冲程运动的两个死点之间达到最大值时的每种情况下，阀门的流动开口在阀门的每个双冲程运动期间至少与阀元件的计量开口对准。虽然可由此以前面已经解释的方式实现待计量的介质数量的实质减小，因为穿孔阀板的穿孔彼此对准的持续时间被最小化，然而同样可能的是，阀元件的计量开口被布置成或可布置成相对于阀门的双冲程运动的两个死点稍微偏离中心，因为据此，阀的打开时间可以用简单的方式改变且因此计量的数量可以用简单的方式改变。
如可从上面的陈述中看到的，使用根据本发明的阀减小计量的量而无需为了这个目的必须减小供应压力是可能的，因为阀门在其双冲程运动的过程中越过阀元件的计量开口在两侧移动。因此由供应压力提供足够的能量以克服待计量的介质的表面张力，使得单个液滴可从介质释放。
为了能够更进一步减小计量的量，通常也有以前面已经解释的方式减小供应压力并因此减小介质的流动速度的可能性。然而，如果供应压力变得太小，则在某些情况下可能不再提供足够的能量来克服待计量的介质的表面张力使得单个液滴可从介质释放。
因此，根据第二方面，本发明的根本目的进一步由具有权利要求5所述的特征并优选地与根据权利要求1的阀的阀元件下游处的阀元件的计量开口流体连通的阀来实现。公认优选地，根据权利要求1的阀与根据权利要求5的阀结合使用，以便因此能够借助于根据权利要求1的阀进一步减小可达到的计量的量。然而也可将常规的计量阀(例如在DE 10 2007 020361 A1中描述的阀)与根据权利要求5的阀连同组合，以便因此能够只通过减小供应压力来进一步减小计量的量，而这不以液滴释放为代价。
对根据权利要求5的阀做出规定：该阀具有弹性压缩或收缩体，该弹性压缩或收缩体具有在其中形成的压缩腔，压缩腔在所述阀元件(例如权利要求1所述的阀的阀元件)的下游与阀元件的计量开口流体连通。在这方面，由于压缩体的弹性，压缩腔的容积可减小，使得分配到压缩腔中的计量介质被挤压或者加速通过喷嘴，喷嘴与压缩腔在下游流体连通。计量介质由此具有足够的能量来克服表面张力以节流(meter out)液滴并将它应用到基质。
在下文中，将考虑根据本发明的第二方面(权利要求5)的阀的优选实施方式，另外的实施方式也能够从附图的描述、附图和从属于权利要求5的各项权利要求得到。
因此根据实施方式做出规定：在阀元件的计量开口和与压缩腔在下游流体连通的喷嘴之间延伸的压缩腔的容积可在计量开口和喷嘴之间压缩，用于在流动方向上和/或垂直于流动方向的容积减小。例如，压缩腔可由弹性体(例如软管)形成，弹性体可在径向方向上进行压缩以便因此引起期望的容积减小。根据另一实施方式，压缩腔可例如由例如大体上球形的弹性囊(bubble)形成，该囊可在计量开口和喷嘴之间在流动方向的轴向方向上被压缩，以便因此能够引起期望的容积减小。
根据另一实施方式，阀具有至少一个致动器，具体为至少间接地作用于压缩腔上或压缩体上的压电致动器，且借助于该致动器，可引起压缩腔的期望的容积减小。为了这个目的，至少一个致动器可在计量开口和喷嘴之间在流动方向上和/或垂直于流动方向至少间接地作用于压缩腔上。
例如，如果压缩腔以已经提到的方式由弹性软管形成，则一个或多个致动器可因此径向地作用于软管上以用于容积减小，以便因此能够将压缩腔中的计量介质从压缩腔压出通过喷嘴。相反地，如果压缩腔由弹性囊形成，则一个或多个致动器可沿流动方向轴向地布置，以便因此能够作用于囊上，使得它在流动方向上或逆着流动方向进行压缩且因而在轴向方向上进行压缩。
所以，计量介质可由于压缩腔的容积减小而以期望方式被挤压通过喷嘴，且例如不被压回到位于上游的计量阀中，根据另外的实施方式做出规定：当阀元件的计量开口由阀门闭合时，只使至少一个致动器通过相应地配置的控制电子器件来减小压缩腔的容积。计量介质可因此不通过在压缩腔的上游的闭合的阀从压缩腔溢出，使得其由于压缩腔容积减小而以期望方式仅向外挤压并加速通过喷嘴。
虽然压缩体由于其弹性而具有一定的形状恢复能力，压缩腔借助于其形状恢复能力可在其容积减小之后移动回到其起始位置，但根据另一实施方式做出规定：提供抵消压缩腔的容积减小的附加恢复元件。可由此实现的是，压缩腔在容积减小发生之后再次非常快速地回到其起始形状。压缩腔的形状变化因此并没有将压电致动器的激发频率拉后，因此可实现非常高的时钟频率。
将参考两个示例性实施方式同时参考附图在下文中描述本发明，在附图中：
图1示出阀的实施方式的截面表示；
图2示出阀门的双冲程运动；以及
图3以水平截面表示和垂直截面表示示出根据本发明的阀的第二实施方式。
图1所示的阀在上面的并包括阀元件2的其基本设计方面对应于在DE10 2007 020 361 A1中描述的阀，因此关于这些部件的基本设计参考通过引用同此一起包括在本文中的DE 10 2007 020 361 A1。
如可从图1中看到的，未在这里示出且待计量的介质经由其被供应到阀的介质通道以供应管道20的形式延伸，供应管道20可以是管或软管。在供应管道20的下游端部的延伸部分中，阀门1耦合到供应管道20并用O形环34相对于其密封。为了不阻碍介质流动通过供应管道20，阀门1具有流动开口36，介质可通过该流动开口36分配到阀元件2的计量开口37，阀元件2安装到调节板38的接收器66中，调节板38在下侧处又紧固到外壳30，阀容纳在外壳30内。在这方面，阀元件2的计量开口37在压缩腔40的下游延伸，压缩腔40的横截面大体上为椭圆形并在弹性压缩体42的内部中形成，压缩体42布置在调节板38中形成的接收腔44内。
在压缩体42的下游，压缩腔40与喷嘴通道9流体连通，喷嘴通道9在部分地由接收腔44接收的环形活塞5中形成，并且在喷嘴针46(nozzlepin)中继续从其延伸。在环形活塞5的下部自由端处，环形活塞5由凸缘48围绕，且恢复弹簧6安装在调节板38的下侧和凸缘48之间的间隔内，通过该恢复弹簧容易使得环形活塞5释放压缩体42。此外，以压电叠层形式的致动器7布置在环形活塞5的自由端和附接到调节板38的下侧的外壳体8的底座50之间，且在压缩体42中形成的压缩腔40的容积可通过环形活塞5致动所述压电叠层而减小。
经由未在这里示出的介质通道供应到阀的介质因此流过供应管道20到达阀门1或流过其流动开口36，以便通过阀元件2的计量开口37经由压缩腔40被供应到喷嘴针46，使得介质可以以计量方式由所述喷嘴针分配。
为了防止在待计量的介质的刚刚描述的流动路径上继续流动以用于计量的目的，阀门1与阀元件2处于摩擦锁定接触中，且特别地，横向于计量开口37平移地可移动。只有当流动开口36与阀元件2的计量开口对准，即，阀打开时，介质才能流动且因而待计量的介质由喷嘴针46进行分配因此才是可能的。然而，如果阀门1移动到侧面且如果流动开口36未与阀元件2的计量开口37对准，即阀闭合，则待计量的介质的流动被抑制。
为了能够经由喷嘴针46分配在少量和微量范围内的待计量的介质，因此必须使阀门1横向于计量开口37进行高频平移冲程运动，使得当阀门1的流动开口36与计量开口37对准时，计量开口37总是只短暂打开。
为了使阀门1产生该高频平移冲程运动，阀包括激励致动器，其没有在这里示出且在同此一起被明确引用的DE 10 2007 020 361 A1中由附图标记16表示。如在DE 10 2007 020 361 A1中详细描述的，所谓的激励致动器的振荡倾斜运动经由这里在图1中大致示出的杠杆臂18转换成阀门1的平移冲程运动，以能够以期望方式交替地打开和闭合计量开口37。
现在根据本发明做出规定：阀门1的流动开口36在阀门1的每个双冲程运动的过程中第一次在前进冲程61期间且第二次在返回冲程62期间与阀元件2的计量开口37对准，如在图2中清楚表示的，由此可看到，流动开口36在双冲程运动61、62的过程中在两个方向上完全移动越过计量开口37，使得在置于阀的两个打开位置之间的双冲程运动61、62的那部分期间，阀元件2的计量开口37由阀门1闭合，在阀的两个打开位置期间，阀门1的流动开口37在阀门1的双冲程运动61、62的过程中相应地与阀元件2的计量开口36对准。当阀门1在其双冲程运动61、62的过程中位于其两个死点之一处时，阀元件2的计量开口37因此由阀门1闭合。
在阀门1的速度在其双冲程运动61、62的过程中在双冲程运动61、62的两个死点之间达到最大值时的每种情况下，阀门1的流动开口36因此在阀门1的双冲程运动61、62期间与阀元件2的计量开口37对准，使得只有非常少的计量的量可在该阀的减少的打开周期期间以期望方式从阀分配。在这方面，如果存在于待计量的介质中的供应压力足够高，则通常可能用提供的布置在阀元件2的下游的另外的阀进行分配，因为它基本上只在供应压力没有高到足以能够克服介质的表面张力以便释放单个液滴时是需要的。
然而如果在待计量的介质中的供应压力很小，使得待计量的介质的表面张力不能被克服以用于单个液滴的释放，则借助于压缩体42的压缩腔40的容积减小，有可能使从上述阀分配到压缩腔40中的介质以脉冲的方式加速通过喷嘴针46，这合意地具有待分配的介质的单个液滴可非常精确地被计量的结果。在这方面，在压缩体42中形成的压缩腔40的容积减小经由压电致动器7的致动而发生以产生高频振荡，其中压电致动器7的振荡频率优选地与阀门1的振荡频率协调。在这方面，压电致动器7的振荡运动经由环形活塞5传递到压缩体42，由此，后者在纵向方向上或在轴向方向上被压缩。这产生的结果是，分配到压缩腔40中的计量介质被加压并因此以期望的方式加速通过喷嘴针46。使得在通过压电致动器7进行压缩之后，压缩体42可再次返回到其起始位置，安装在调节板38和环形活塞5的凸缘48之间的间隔内的恢复弹簧6抵消压缩腔40的容积减小。
所以，位于压缩腔40中的介质由于压缩腔40的容积减小而不被压回到阀元件2的计量开口37中，此外提供控制电子器件(未示出)，其配置成当阀元件2的计量开口37由阀门1闭合时使压电致动器7减小压缩腔40的容积。经由杠杆臂18作用于阀门1上的激励致动器可独立于压电致动器7由控制电子器件控制，使得两个致动器都可直接使用在不同的时间点的不同的电压形成进行致动。在这方面，阀元件2的计量开口37优选地被首先打开，以便能够通过它将少量的待分配的介质分配到压缩腔40中，使得一旦计量开口37被再次闭合，分配到压缩腔40中的介质就可以通过致动压电致动器7以脉动方式向外挤压通过喷嘴针46，并可因此进行液滴式地分配。
在前面参考图1描述的实施方式中，压缩腔40由囊状弹性压缩体42形成，囊状弹性压缩体42在轴向方向上被压缩，用于引起压缩腔40的容积减小。相反，在图3的图示中，示出阀的实施方式，其中压缩腔40由弹性软管52形成，弹性软管52将阀元件2的计量开口37流体地连接到计量喷嘴15。在这方面，软管延伸到调节板38中的接收腔44中，并由三个径向延伸的压电致动器12围绕，每个压电致动器12在径向方向上经由活塞部分11作用于软管52。在这方面，压电致动器12布置在附接到调节板38的杯状外壳体8中并借助于楔形件13朝着容器壁16被拉紧。
如果待计量的一定数量的介质已经借助于任何期望的计量阀(例如在DE 10 2007 020 361 A1中描述的阀)被分配到软管52的压缩腔40中，则该计量的数量可以借助于图3所示的阀布置以计量方式液滴式地被分配，因为在使用前面提到的控制电子器件时引起压电致动器12产生同步地振荡运动。软管52的压缩腔40因此在径向方向上进行压缩，使得位于压缩腔40中的计量介质可以以单个液滴的形式进行分配，以计量方式通过喷嘴15。然而，这要求计量介质不能被挤压回到阀元件2的计量开口37中，这可在使用根据上面的陈述的控制电子器件时被防止，因为只使压电致动器12确切地在阀元件2的计量开口37由阀门1闭合时减小压缩腔40的容积。
所以，在通过压电元件进行压缩发生之后，软管52可再次快速采用其起始形状，在图3所示的实施方式中还提供了以弹簧臂6的形式的恢复元件，其抵消压缩腔40的容积减小。在这方面，两个相应的弹簧臂6从每个活塞部分11突出，并与相应的活塞部分11形成为一个零件，其中弹簧臂6只在最外端处接触相邻的活塞部分11。相反，相邻的活塞部分11的弹簧臂6从在由间隙分隔开的弹簧臂6的最外端处的该接触点径向向内放置，这给予活塞部分11在径向方向上的一定运动自由度。
附图标记列表
1         阀门
2         阀元件
5         环形活塞
6         恢复弹簧或弹簧臂
7、12     压电致动器
8         外壳体
9         喷嘴通道
11        活塞部分
13        楔形件
15        喷嘴
16        容器壁
18        杠杆臂
20        供应管道
34        O形环密封件
36        1中的流动开口
37        喷嘴开口
38        调节板
40        压缩腔
42        压缩体
44        38中的接收腔
46        喷嘴针
48        在5处的凸缘
50        8的底座
52        软管
61        前进冲程
62        返回冲程
64        在11处的端面
66        38中的接收器

Claims (11)

1.一种阀，其具体用于计量填充介质和/或浆状介质，包括：
-阀元件(2)，其具有计量开口(37)；以及
-阀门(1)，其平移地可移动并具有流动开口(36)，其中所述阀门(1)配置成在所述阀门(1)的所述流动开口(36)与所述阀元件的所述计量开口(37)暂时对准的过程中执行振荡双冲程运动(61、62)，其特征在于，
在所述阀门(1)的每个双冲程运动(61、62)的过程中第一次在前进冲程(61)期间且第二次在返回冲程(62)期间，所述阀门(1)的所述流动开口(36)与所述阀元件的所述计量开口(36)对准。
2.根据权利要求1所述的阀，其特征在于，在位于所述阀的两个打开位置之间的所述双冲程运动(61、62)的该部分期间，所述阀元件(2)的所述计量开口(37)由所述阀门(1)闭合，在所述阀的两个打开位置期间，所述阀门(1)的所述流动开口(36)在所述阀门(1)的所述双冲程运动(61、62)的过程中相应地与所述阀元件(2)的所述计量开口(37)对准。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的阀，其特征在于，当所述阀门(1)在其双冲程运动(61、62)的过程中位于其两个死点之一处时，所述阀元件(2)的所述计量开口(37)由所述阀门(1)闭合。
4.根据前述权利要求中的至少一项所述的阀，其特征在于，在所述阀门(1)的每个双冲程运动(61、62)期间当所述阀门(1)的速度在其双冲程运动(61、62)的过程中在所述双冲程运动(61、62)的两个死点之间达到最大值时，所述阀门(1)的所述流动开口(36)至少相应地与所述阀元件(2)的所述计量开口(37)对准。
5.根据前述权利要求中的至少一项所述的阀，其特征在于，所述阀具有弹性压缩体(42)，所述压缩体(42)具有在其中形成的压缩腔(40)，所述压缩腔(40)在所述阀元件的下游与所述阀元件的计量开口流体连通，其中由于所述压缩体(42)的弹性，所述压缩腔(40)的容积能够减小，使得分配到所述压缩腔(40)中的计量介质被挤压通过喷嘴(15、46)，所述喷嘴与所述压缩腔在下游流体连通。
6.根据权利要求5所述的阀，其特征在于，在所述阀元件的所述计量开口与所述喷嘴(15、46)之间延伸的所述压缩腔(40)的容积能够被压缩，以便减小其在所述计量开口和所述喷嘴(15、46)之间的在流动方向上或逆着所述流动方向和/或垂直于所述流动方向的容积，所述喷嘴与所述压缩腔(40)在下游流体连通。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的阀，其特征在于，所述阀具有至少一个致动器(7、12)，所述至少一个致动器(7、12)至少间接地作用于所述压缩腔上以减小所述压缩腔(40)的容积。
8.根据权利要求6和权利要求7所述的阀，其特征在于，所述至少一个致动器(7、12)至少间接地作用于所述压缩体(42)上，以减小在所述计量开口和所述喷嘴(15、46)之间的在所述流动方向上或逆着所述流动方向和/或垂直于所述流动方向的所述压缩腔(40)的容积。
9.根据权利要求5到8中的至少一项所述的阀，其特征在于，所述压缩腔(40)由弹性软管(52)形成，一个或多个致动器(12)作用于所述弹性软管(52)上以减小其在径向方向上的容积；或所述压缩腔(40)由弹性囊形成，一个或多个致动器(7)作用于所述弹性囊上以减小其在所述计量开口和所述喷嘴(46)之间的在所述流动方向上或逆着所述流动方向的容积。
10.根据权利要求7到9中的至少一项所述的阀，其特征在于，提供控制电子器件，所述控制电子器件配置成使得在所述阀元件(2)的所述计量开口(37)由所述阀门(1)闭合时引起所述至少一个致动器(7、12)减小所述压缩腔(40)的容积。
11.根据权利要求5到10中的至少一项所述的阀，其特征在于，提供抵消所述压缩腔(40)的容积减小的至少一个恢复元件(6)。
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