DE10053351B4

DE10053351B4 - Mikro-Dosier-Ventil zum Zudosieren von kleinsten Gasmengen

Info

Publication number: DE10053351B4
Application number: DE10053351A
Authority: DE
Inventors: Heinz Walz; Steffen Dipl.-Ing Walz (FH); Harald Dipl.-Ing. Walz (Fh)
Original assignee: Heinz Walz GmbH
Current assignee: Heinz Walz GmbH
Priority date: 2000-10-27
Filing date: 2000-10-27
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2020-10-28
Also published as: DE10053351A1

Abstract

Mikro-Dosier-Ventil zum Zudosieren von kleinsten Gasmengen in eine Mischanlage für ein tragbares Gasstoffwechselsystem zur Messung des CO₂-Gasstoffwechsels von intakten Pflanzen, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil aus einem Unterteil (1) besteht, das eine axiale Bohrung (3) aufweist, die an der Gaseingangsseite mit einem Innengewindeteil versehen ist, in dem der Zylinderkopfbolzen (5) justiert und fixiert ist, wobei der Zylinderkopfbolzen (5) durchbohrt ist, dass auf das andere Ende des Verbindungsrohres (6) in einigem Abstand zum Zylinderkopfbolzen (5) ein in der axialen Bohrung (3) mit Spiel gehaltenes, zylindrisches und mit einer Bohrung versehenes Aufnahmestück (7) gesetzt ist, dessen Bohrung zur Bildung eines Ventilsitzes (10) auf der dem Verbindungsrohreingang abgekehrten Seite sich zunächst nach innen konisch verjüngt und dann bis zum hineinragenden Verbindungsrohrende zylindrisch ausläuft, dass sich die axiale Bohrung (3) des Unterteils (1) in einem mit dem Unterteil (1) verschraubten Oberteil (2) fortsetzt, dass am inneren Ende der Ventilstange (12) ein an die axiale...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Mikro-Dosier-Ventil zum Zudosieren von kleinsten CO₂-Gasmengen in eine mit CO₂-freier Luft gespeiste Mischanlage für ein tragbares Gasstoffwechselsystem zur Messung des CO₂-Gasstoffwechsels von intakten Pflanzen. Mit einem solchen System soll der Einfluss des CO₂-Anteils in der Luft auf die Pflanze am natürlichen Standort ermittelt werden.

Bisher hat man die erforderlichen CO₂-Konzentrationen in einer Mischanlage gemäß der DE 3530669 A1 durch Mischen von bestimmten CO₂-Volumina mit bestimmten Volumina CO₂-freier Luft hergestellt. Damit war ein bestimmtes Gasvolumen mit bestimmter CO₂-Konzentration verfügbar. War eine andere CO₂-Konzentration erforderlich, musste das Gasvolumen geteilt oder neu gemischt und der Rest des Gasvolumens abgeblasen werden. Derartige Messmethoden erfordern einen hohen Energiebedarf und großen apparativen Aufwand. Für tragbare Messsysteme sind solche Vorrichtungen zu aufwendig und deshalb weniger vorteilhaft.

Da sich der photosynthetische CO₂-Bedarf einer Pflanze durch verschiedene Einflüsse kontinuierlich ändert, ist es zur Ermittlung des CO2-Sättigungspunktes bzw. einer optimalen Wachstumsrate erforderlich, die CO₂-Konzentrationen im Messgas den jeweils anfallenden Bedingungen entsprechend kontinuierlich anzupassen. Um diese Bedingungen zu erfüllen, muss ein Messgasstrom von 1 bis 2 l/min mit einem CO₂-Gehalt im Bereich von 0 bis 2000 ppm CO₂ hestellbar sein, wobei mit dem Dosier-Ventil eine CO₂-Zuflussmenge von 0 bis 4 ml/min stufenlos einstellbar sein muss. Derartig kleine Gasmengen mit großer Genauigkeit zu dosieren und einen Ventilverschluss gegen Gase absolut dicht zu bekommen, war bisher problematisch. Zudem lassen sich augenblicklich anfallende Bedarfswerte nur durch rasche Änderung der CO₂-Konzentration in den Zuflussmengen erreichen.

Für eine Dosierung von Flüssigkeiten ist durch die DE 3205654 A1 ein aus Ober- und Unterteil bestehendes Dosierventil bekannt geworden. In seinem Oberteil ist ein justierbares piezoelektrisches Antriebselement angeordnet, das über eine Ventilstange einen kegeligen Ventilkörper in eine axiale Bohrung des Unterteils bewegt. Maßnahmen, mit denen sich der Ventilkörper auf das Bohrungsende und genau in Achsenrichtung der Bohrung zentrieren ließe, sind nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Gasventil zur Lösung dieser Probleme zu schaffen, mit dem sich kleine Verstellzeiten, eine zuverlässige Dichtigkeit erreichen und kleine Gasmengen mit großer Genauigkeit stufenlos und kontinuierlich dosieren lassen.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale ge rung des Aufnahmestückes in der axialen Bohrung mit Spiel eine Selbstzentrierung des Aufnahmestückes möglich. Die Spitze des Ventilkörpers kann sich dadurch den Ventilsitz bzw. das Aufnahmestück selbst positionieren und sich zentrisch in den Ventilsitz hineinbewegen. Dadurch gelangt der kegelige Ventilkörper zu einer satten Anlage in der konischen Bohrung des Aufnahmestückes und schafft insbesondere an der Übergangsstelle vom konischen zum zylindrischen Teil einen Dichtring mit kleinstmöglichem Durchmesser. Durch diese Ausgestaltung der Verschlussteile bildet sich beim Öffnen des Ventils an dieser Übergangsstelle ein ringförmiger Durchlassspalt mit ebenfalls kleinstmöglichem Durchmesser und erlaubt entsprechend kleinste Durchflussmengen zu dosieren.

Durch den Einsatz eines piezoelektrischen Antriebselementes lassen sich in Verbindung mit einer nachgeführten Ansteuerung – die den sich ständig ändernden Istwert von einem CO₂-Gasanalysator erhält – ultragenaue Positionierungen der Ventilstange zum Öffnen des Ventils gegen die Federkraft der Tellerfedern erreichen und stufenlose Stellbewegungen von 0 bis zu einem max. Hub von 25 μm extrem beschleunigen. Dadurch ist mit einem solchen Messsystem eine genaue, an den optimalen Bedarf einer Pflanze angepasste Messgaszuführung mit stetig rasch veränderbarem CO₂-Gehalt erzielbar.

Um ein exaktes Zusammenspiel der Ventilelemente bei Schaltvorgängen sicherzustellen, ist gemäß Anspruch 2 für eine Grob- bzw. Erstjustierung ein in einem Innengewinde des Ventilgehäuses geführter Zylinderkopfbolzen mit am Bolzenschaftende angeordnetem Schraubklingenschlitz und gemäß Anspruch 3 für die Endjustierung eine am freien Ende der Ventilstange in einem Gewinde geführte Justiermutter vorgesehen. Mit diesen beidseitigen Einjustiermöglichkeiten der Ventilelemente lässt sich bequem erreichen, dass im Schließzustand die Ventilkörperspitze gegen den Gasdruck von bis zu 60 bar noch satt im Konus liegt.

Die Verlötung der Verbindungsrohrenden im Aufnahmestück und Zylinderkopfbolzen gemäß Anspruch 4 dient zunächst vereinfachten Montagezwecken. Darüber hinaus wird die Dichtigkeit des Gaszuflusses garantiert. Dieses Erfordernis wird außerdem durch die im Gehäuseinneren angebrachten Dichtungsringe zur Abdichtung der Ventilkammer gemäß Anspruch 7 erfüllt.

Die kleinere Ausbildung des Winkels der Kegelspitze um 2° gegenüber dem Konuswinkel im Aufnahmestück gemäß Anspruch 6 vergrößert die Sicherheit den kleinstmöglichen Durchmesser des Dichtringes und des Durchlassspaltes zu erreichen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
1 einen Querschnitt des Ventils im Maßstab 2:1
2 den Ventilsitz aus 1, jedoch im Maßstab 5:1 Das Ventilgehäuse besteht zunächst aus einem Unterteil 1 und einem Oberteil 2. Beide Teile enthalten eine durchgehende Bohrung 3. Für den Gaseingang 18 im Unterteil 1 ist das Unterteil 1 mit einem Schraubanschluss 4 ausgestattet, der für die Aufnahme eines Zylinderkopfbolzens 5 mit einem Innengewinde versehen ist.
Mit dem Zylinderkopfbolzen 5 ist ein Verbindungsrohr 6 fest verbunden, das außerdem in einigem Abstand zum Zylinderkopfbolzen 5 mit einem zylindrischen Aufnahmestück 7 verbunden ist. Zu diesem Zweck erhalten Zylinderkopfbolzen 5 und Aufnahmestück 7 jeweils eine Bohrung, in die die Enden des Verbindungsrohres 6 teilweise eingeführt und verlötet sind. Zum Zweck der Einjustierung des Aufnahmestückes 7 in der axialen Bohrung 3 erhält die Stirnseite des Schraubenschaftes vom Zylinderkopfbolzen 5 einen Schraubklingenschlitz 8. Für eine Selbstzentrierung des Aufnahmestückes 7 in der axialen Bohrung 3 ist der Durchmesser des Aufnahmestückes 7 kleiner als der der axialen Bohrung 3 gehalten und für eine axiale Verschwenkbarkeit des Aufnahmestückes 7 in der axialen Bohrung 3 wird die Federungseigenschaft der Verbindungsrohrlänge zwischen Zylinderkopfbolzen 5 und Aufnahmestück 7 genutzt.
Für die Aufnahme eines Ventilkörpers 9 sowie zur Bildung eines Ventilsitzes 10 ist die Bohrung im Aufnahmestück 7 auf der dem Verbindungsrohreingang abgekehrten Seite trichterförmig ausgebildet, in dem sie sich zunächst nach innen konisch verjüngt, um dann bis zum hineinragenden Verbindungsrohr 6 zylindrisch weiterzulaufen.
Die beiden Gehäuseteile 1 und 2 werden durch Schraubenbolzen 11 zusammengefügt und erhalten zur Erleichterung des Zusammenbaus und für eine gegenseitige axiale Ausrichtung horizontal und vertikal verlaufende Anlageflächen.
In der axialen Bohrung 3 des Oberteils 2 wird eine Ventilstange 12 längsverschieblich geführt, an deren innerem Ende ein scheibenförmiges, der axialen Bohrung 3 angepasstes Auflager 13 befestigt ist, auf dem ein um die Ventilstange 12 gestapeltes Tellerfedernpaket 14 aufliegt, das zwischen dem Auflager 13 und einer durch Durchmesserverkleinerung der axialen Bohrung 3 gebildeten Schulter 15 eingespannt ist. Ferner ist in das Ende der Ventilstange 12 mit dem Auflager 13 der bleistiftförmige Ventilkörper 9 eingesetzt, der das Auflager 13 durchdringt und mit seiner Spitze aus dem Körper des Auflagers 13 hinausragt. Zwischen dem Aufnahmestück 7 und dem Auflager 13 wird in der axialen Bohrung 3 des Gehäuses der Ventilraum 16 gebildet, der einen direkten Gasausgang 17 besitzt und über die oben beschriebenen, der Gaszuleitung dienenden Einzelteile 5, 6 und 10 mit dem Gaseingang 18 verbunden ist.
Zur Abdichtung des Ventilraumes 16 ist in der Mantelfläche des Zylinderkopfes vom Zylinderkopfbolzen 5 eine Nut 26 mit eingelegtem Dichtungsring, außer dem in der Anlagefläche des Oberteils 2 sowie in der Wandung der axialen Bohrung 3 des Oberteils 2 vorgesehen.
Zur Betätigung bzw. Längsverschiebung der Ventilstange 12 ist auf dem Oberteil 2 ein piezoelektrisches Antriebselement 19 mit einem fixen Bodenstück 20 befestigt, auf dem um die Ventilstange 12 herum Ringaktoren gestapelt sind. Die Ventilstange 12 ist so weit verlängert, dass sie mit ihrem freien Ende über das Antriebselement 19 hinausragt, wo das bewegliche Endstück 21 des Antriebselementes 19 gegen ein am Ende der Ventilstange 12 befestigtes Widerlager 22 anliegt. Das Widerlager 22 ist eine auf das Ende der Ventilstange 12 aufgeschraubte Justiermutter, die durch eine Kontermutter 29 fixiert ist. Ebenso wird der Zylinderkopfbolzen 5 nach seiner Positionierung durch eine Kontermutter 25 in der axialen Bohrung 3 fixiert. Das Antriebselement 19 ist mit seinen Einzelteilen durch eine mit dem Oberteil 2 verschraubte Abdeckhaube 28 abgedeckt. Zur Halterung des Ventilkörpers wird sein Schraubanschluss 4 in ein entsprechendes Gewinde geschraubt. Als Einschraubhilfe verwendet man einen Metallstab, der in die dafür vorgesehene Aufnahmebohrung 27 im Unterteil 1 eingeführt wird. Alle Einzelteile des Ventils sind aus Edelstahl gefertigt.

1: Unterteil
2: Oberteil
3: Bohrung
4: Schraubenanschluß
5: Zylinderkopfbolzen
6: Verbindungsrohr
7: Aufnahmestück
8: Schraubklingenschlitz
9: Ventilkörper
10: Ventilsitz
11: Schraubenbolzen
12: Ventilstange
13: Auflager
14: Tellerfedernpaket
15: Schulter
16: Ventilraum
17: Gasausgang
18: Gaseingang
19: Antriebselement
20: Bodenstück
21: Endstück
22: Widerlager
25: Kontermutter
26: Nut
27: Aufnahmebohrung
28: Abdeckhaube
29: Kontermutter

Claims

Mikro-Dosier-Ventil zum Zudosieren von kleinsten Gasmengen in eine Mischanlage für ein tragbares Gasstoffwechselsystem zur Messung des CO₂-Gasstoffwechsels von intakten Pflanzen, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil aus einem Unterteil (1) besteht, das eine axiale Bohrung (3) aufweist, die an der Gaseingangsseite mit einem Innengewindeteil versehen ist, in dem der Zylinderkopfbolzen (5) justiert und fixiert ist, wobei der Zylinderkopfbolzen (5) durchbohrt ist, dass auf das andere Ende des Verbindungsrohres (6) in einigem Abstand zum Zylinderkopfbolzen (5) ein in der axialen Bohrung (3) mit Spiel gehaltenes, zylindrisches und mit einer Bohrung versehenes Aufnahmestück (7) gesetzt ist, dessen Bohrung zur Bildung eines Ventilsitzes (10) auf der dem Verbindungsrohreingang abgekehrten Seite sich zunächst nach innen konisch verjüngt und dann bis zum hineinragenden Verbindungsrohrende zylindrisch ausläuft, dass sich die axiale Bohrung (3) des Unterteils (1) in einem mit dem Unterteil (1) verschraubten Oberteil (2) fortsetzt, dass am inneren Ende der Ventilstange (12) ein an die axiale Bohrung (3) angepasstes, scheibenförmiges Auflager (13) befestigt ist, zwischen dem und einer durch Durchmesserverkleinerung gebildeten Schulter (15) in der axialen Bohrung (3) ein Tellerfedernpaket (14) eingespannt ist, dass durch eine mittig angebrachte Öffnung im Auflager (13) der kegelige, bleistiftförmige Ventilkörper (9) herausragt, der mit seiner Spitze in den Ventilsitz (10) des Aufnahmestückes (7) einschiebbar ist, dass zur stufenlosen Längsverschiebbarkeit der Ventilstange (12) ein piezoelektrisches Antriebselement (19) in Form von aufeinander gestapelten Ringaktoren eingesetzt ist, das mit einem fixen Bodenstück (20) mit dem Oberteil (2) verschraubt ist und mit seinem beweglichen Endstück (21) an einem am Ende der durch das Oberteil (2) und Antriebselement (19) hindurchgeführten Ventilstange (12) befestigten Widerlager (22) anliegt.
Mikro-Dosier-Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopfbolzen (5) an seiner Stirnseite mit einem Schraubklingenschlitz (8) versehen ist und am Schaftende mit einer Schraubenmutter (25) gekontert ist.
Mikro-Dosier-Ventil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das am Ventilstangenende befestigte Widerlager (22) als Justiermutter ausgebildet und durch eine Kontermutter (29) fixiert ist.
Mikro-Dosier-Ventil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Enden des Verbindungsrohres (6) in den Durchgangsbohrungen von Zylinderkopfbolzen (5) und Aufnahmestück (7) verlötet sind.
Mikro-Dosier-Ventil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass Oberteil (2) und Unterteil (1) mit horizontalen und vertikalen Anlageflächen ausgebildet sind.
Mikro-Dosier-Ventil nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel der Kegelspitze des Ventilkörpers (9) mindestens 2° kleiner ist als der Winkel der konischen Bohrung im Aufnahmestück (7).
Mikro-Dosier-Ventil nach den Ansprüchen 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass in der Mantelfläche des Zylinderkopfes vom Zylinderkopfbolzen (5), in einer Anlagefläche des Oberteiles (2) sowie in der Wandung der axialen Bohrung (3) des Oberteils (2) jeweils eine Nut (26) für die Aufnahme eines Dichtungsringes vorgesehen ist.