DE102004020864A1 - Tropfenerzeuger mit elektromagnetischem Wirkprinzip - Google Patents

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Tropfenerzeuger, bei dem die zum Tropfenausstoß erforderliche Aktorbewegung von einem Kolben ausgeführt wird, der von einem oder mehreren Magneten bewegt wird. Der Kolben bewegt sich dabei längs über eine gewisse Wegstrecke frei in einem flüssigkeitsgefüllten Röhrchen, das an einem Ende durch eine oder mehrere Düsenbohrungen abgeschlossen ist. DOLLAR A Im Ausführungsbeispiel befindet sich der Kolben 1 in der Ruhelage im Inneren des Flüssigkeitsröhrchens 2 mittig zwischen zwei Magnetspulen 6, 7. Durch wechselweises Bestromen der Spulen wird der Kolben in axialer Richtung im Röhrchen 2 ausgelenkt und bewirkt dadurch eine Druckschwankung, durch die ein Tropfen aus der am Ende des Flüssigkeitsröhrchens angeordneten Düse 3 ausgestoßen wird. Nach erfolgtem Tropfenausstoß strömt entweder durch Kapillarkräfte oder auch durch Überdruck Flüssigkeit aus dem Zufluß 5 am Kolben vorbei und ersetzt die abgegebene Fluidmenge.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Tropfenerzeuger, bei dem der zum Ausstoß des Fluids erforderliche Druckimpuls durch einen von einem oder mehreren Elektromagneten bewegten Kolben bewirkt wird.
• Die nach dem Stand der Technik gebräuchlichen Verfahren zur Tropfenerzeugung sind zum einen die Bubble-Jet-Systeme und zum anderen piezomechanische Wirkprinzipien.
• Bei Bubble-Jet-Systemen befindet sich kurz hinter der Öffnung eines mit der Fluidzufuhr verbundenen Kapillarröhrchens ein Heizelement, das bei Beaufschlagung mit einem kurzen Stromimpuls eine gewisse Flüssigkeitsmenge in dem Röhrchen verdampft. Durch die Expansion der Gasblase wird die zwischen Heizelement und Röhrchenöffnung befindliche Fluidmenge ausgestoßen.
• Derartige Tropfenerzeuger eignen sich nur für die Verarbeitung rückstandsfrei verdampfender Fluide, da sich ansonsten Ablagerungen an den Heizelementen bilden, die längerfristig zur Verstopfung führen.
• Eine breitere Auswahl verarbeitbarer Fluide ist bei Anwendung piezoelektrisch arbeitender Tropfenerzeuger gegeben. Hier befindet sich im Inneren oder an der Wandung eines Fluidkanals ein Piezoelement, das durch seine Bewegung eine Druckschwankung in der Flüssigkeit bewirkt, was wiederum zum Tropfenausstoß führt.
• Nachteilig ist hier zum einen die Geometrie der Fluidkanäle, die meist so gewählt werden muß, dass sich im Inneren Gasblasen oder Ablagerungen festsetzen können, die die Funktion beeinträchtigen. Zum anderen ist aufgrund der Verwendung von Piezomaterial in der Nähe der Fluidführung die Arbeitstemperatur durch die Curietemperatur der Piezokeramik begrenzt, so dass man einen derartigen Tropfenerzeuger dauerhaft nur bis etwa 120°C betreiben kann.
• Im Bereich magnetischer Wirkprinzipien ist die Tropfenerzeugung mittels Mikro-Magnetventilen bekannt, wie sie beispielsweise von der Lee Company, Westbrook, Connecticut, hergestellt werden (US-Patent Nr. 5,085,402). Bei diesen Ventilen wird der Ventilstößel durch Bestromen einer Spule an deren Eisenkern herangezogen, wodurch der Ventilauslaß geöffnet wird. Die Schließbewegung erfolgt mittels einer Feder, die gegen die Spulenkraft arbeitet und nach Abschaltung des Spulenstromes den Ventilstößel wieder gegen die Dichtfläche drückt.
• Derartige Systeme weisen eine komplexe Fluidführung auf, da sich die Schließfeder innerhalb des vom Fluid durchströmten Bereiches befinden muß. Dadurch wird die Bildung von Ablagerungen begünstigt und eine eventuelle Demontage erschwert. Zusammen mit der großen Zahl der notwendigen Bauteile verhindert dies eine schnelle Reinigung. Weiterhin ist durch die gegen die Spulenkraft arbeitende Schließfeder die Dynamik beeinträchtigt. Darüber hinaus sind die bestehenden Bauformen meist nicht zur Verarbeitung höher temperierter Medien (im Bereich von etwa 100-300°C) geeignet, bzw. es ist ein hoher Aufwand zur Gewährleistung der nötigen Temperaturfestigkeit notwendig.
• Gegenstand der Erfindung ist ein Tropfenerzeuger mit elektromagnetischem Wirkprinzip, der bei einfachem und wartungsfreundlichem Aufbau eine hohe Dynamik gewährleistet und für den Einsatz bei hohen Arbeitstemperaturen, wie sie z. B. für die Verarbeitung niedrigschmelzender Metalle nötig sind, geeignet ist.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Tropfenerzeuger mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1 gelöst.
• Bei dem Tropfenerzeuger befindet sich ein zumindest teilweise aus ferromagnetischem Material bestehender Kolben im Inneren eines Fluidröhrchens, das sich an einem Ende zu einer Düse verjüngt. Der Kolben weist zum Innendurchmesser des Röhrchens ein geringes Spiel auf, so dass sich um den Kolben ein Ringspalt ergibt. Das Fluidröhrchen befindet sich im Inneren von zwei axial zueinander versetzten Magneten bzw. Magnetspulen.
• Im Betrieb wird der Kolben durch gleichmäßige Bestromung beider Spulen zunächst in der Mitte zwischen den Spulen gehalten. Soll ein Tropfen aus der Düse ausgestoßen werden, so wird der Strom durch die Spulen abwechselnd für eine kurze Zeitperiode verändert, so dass der Kolben aus der Ruhelage bewegt wird. Dadurch wird in dem Bereich zwischen Kolben und Düse eine Druckschwankung bewirkt, die zum Tropfenausstoß führt. Der Ringspalt um den Kolben wirkt während der kurzen Ausstoßphase als Abdichtung, während gleichzeitig in der längeren Ruhephase zwischen zwei Tropfenausstößen wieder durch z. B. Kapillarkräfte Flüssigkeit am Kolben vorbei nachgesaugt werden kann.
• Bei geeigneter technischer Ausführung bietet das beschriebene Prinzip die Möglichkeit, das Flüssigkeitsröhrchen zusammen mit dem Kolben schnell auszuwechseln, so dass eine Reinigung oder auch eine Umrüstung auf andere zu verarbeitende Medien einfach vorgenommen werden kann. Soll der Tropfenerzeuger beheizt werden, um Flüssigkeiten bei höheren Arbeitstemperaturen auszubringen, so kann dies zweckmäßigerweise durch Regulierung des in der Ruhephase an beiden Spulen anliegenden Stromes erreicht werden. Erfahrungsgemäß ist der für das sichere Halten des Kolbens in der Mittellage notwendige Strom sehr gering und bewirkt keine allzu starke Erwärmung. Durch Erhöhen des Stromes über dieses notwendige Maß hinaus kann somit die Arbeitstemperatur in einem weiten Bereich reguliert werden. Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
• 1 einen Schnitt durch einen Tropfenerzeuger der erläuterten Bauart
• 2 eine weitere Bauform, bei der der Kolben gleichzeitig als Verschluß der Düsenöffnung wirkt, so dass ggf. auch mit Überdruck in der Fluidzufuhr gearbeitet werden kann.
• In 1 ist ein Schnitt durch einen elektromagnetischen Tropfenerzeuger dargestellt. Der Tropfenerzeuger besteht aus einem Flüssigkeitsröhrchen 2, das an einem Ende durch eine oder mehrere Düsenöffnungen 3 abgeschlossen ist. Im Inneren des Röhrchens 2 befindet sich ein Kolben 1, der mit dem Röhrchen 2 einen Ringspalt 4 bildet. Das Röhrchen 2 ist bis zum Düsenaustritt mit dem auszubringenden Fluid gefüllt, wobei zweckmäßigerweise an der Fluidzufuhr 5 ein leichter Unterdruck angelegt wird, damit nicht schon im Ruhezustand allmählich Flüssigkeit aus der Düse 3 austreten kann. Um das Röhrchen 2 sind zwei Spulen 6 und 7 angeordnet, die von einem Eisenmantel 8 umgeben sind. Der Eisenmantel 8 ist dabei so gestaltet, dass bei gleichmäßiger Bestromung beider Spulen 6 und 7 der Kolben 1 in einem Gleichgewichtszustand gehalten wird. Zum Tropfenausstoß wird zunächst die düsenseitige Spule 6 abgeschaltet und die zufuhrseitige Spule 7 mit einem kurzen Stromimpuls beaufschlagt. Der Kolben bewegt sich dadurch von der Düse 3 weg, so dass im Freiraum zwischen Kolben 1 und Düse 3 ein Unterdruck entsteht, durch den durch den Ringspalt 4 Flüssigkeit aus der Zufuhr 5 angesaugt wird. Anschließend wird die zufuhrseitige Spule 7 abgeschaltet und die düsenseitige Spule 6 mit einem Stromimpuls beaufschlagt, so dass der Kolben 1 wieder zur Düse 3 hin beschleunigt wird. Durch den dadurch in dem Freiraum zwischen Kolben 1 und Düse 3 entstehenden Druckimpuls wird Flüssigkeit aus der Düse 3 ausgestoßen. In der Zeitperiode bis zum nächsten Tropfenausstoß werden die Spulen 6 und 7 wieder gleichmäßig bestromt, so dass sich der Kolben 1 in der Ruhelage ausrichtet. In der dargestellten Ausführung verfügt der Eisenmantel 8 des Tropfenerzeugers über zwei von außen zugängliche axial verschiebliche Elemente 8a, die die Justage des Magnetspalts zwischen Eisenmantel 8 und Kolben 1 zulassen. Dadurch kann die Mittellage des Kolbens 1 eingestellt und die auf den Kolben 1 wirkende Beschleunigungskraft optimiert werden.
• 2 zeigt eine Abwandlung dieser Bauform, bei der die Düsenöffnung 3 in der Ruhelage des Kolbens 1 von diesem verschlossen wird, so dass die Fluidzufuhr 5 zur Dosierung dickflüssigerer Medien auch unter Überdruck betrieben werden kann. Weiterhin ist die Kolbenseite der Fluidzufuhr 5 in den Eisenmantel 8 integriert und bildet einen Anschlag für den Kolben 1, so dass sich dieser axial nur auf einer definierten Länge bewegt.

1

Kolben

2

Röhrchen

3

Düse

4

Ringspalt

5

Fluidzufuhr

6

Spule vorn

7

Spule hinten

8

Eisenmantel

8a

verschieblicher Mantelteil

Claims (15)

1. Tropfenerzeuger, bei dem die zum Tropfenausstoß erforderliche Aktorbewegung von einem Kolben ausgeführt wird, der von einem oder mehreren Magneten bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kolben längs über eine gewisse Wegstrecke frei in einem flüssigkeitsgefüllten Röhrchen bewegt, das an einem Ende durch eine oder mehrere Düsenbohrungen abgeschlossen ist.
2. Tropfenerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Magnete ein oder mehrere Elektromagnete verwendet werden
3. Tropfenerzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrere der Magnete als Permanentmagnete ausgeführt sind
4. Tropfenerzeuger nach Anspruch 1 oder einem der Folgeansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben permanentmagnetisch ist
5. Tropfenerzeuger nach Anspruch 1 oder einem der Folgeansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kolben und Röhrchen ein umlaufender Spalt besteht, der eine Drosselwirkung besitzt
6. Tropfenerzeuger nach Anspruch 1 oder einem der Folgeansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kolben und innerer Düsenfläche in der Ruhelage eine Fluidkammer frei bleibt
7. Tropfenerzeuger nach Anspruch 1 oder einem der Folgeansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben in der Ruhelage direkt an der inneren Düsenfläche anliegt
8. Tropfenerzeuger nach Anspruch 1 oder einem der Folgeansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Freiraum zwischen dem in der Ruhelage befindlichen Kolben und der inneren Düsenfläche variiert werden kann
9. Tropfenerzeuger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verstellung des Freiraums zwischen Kolben und innerer Düsenfläche die Düsen in der Ruhelage des Kolbens durch diesen verschlossen werden können
10. Tropfenerzeuger nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellung des Freiraums zwischen Kolben und innerer Düsenfläche im laufenden Betrieb erfolgen kann
11. Tropfenerzeuger nach Anspruch 1 oder einem der Folgeansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkeitsröhrchen mit dem Kolben leicht auswechselbar ist
12. Tropfenerzeuger nach Anspruch 1 oder einem der Folgeansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tropfenerzeuger durch Regulierung des durch die Elektromagnete fließenden Stroms beheizbar ist
13. Tropfenerzeuger nach Anspruch 1 oder einem der Folgeansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellung des Kolbens durch Fluiddruck erfolgt
14. Tropfenerzeuger nach Anspruch 1 oder einem der Folgeansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Kolbens durch Anschläge begrenzt ist
15. Tropfenerzeuger nach Anspruch 1 oder einem der Folgeansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben mehrteilig ausgeführt ist