DE102004020864B4 - Tropfenerzeuger mit elektromagnetischem Wirkprinzip - Google Patents
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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. 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 A ). 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.
- Ein Magnetventil, welches eine einfache Kanalgeometrie aufweist und ohne Schließfeder auskommt, ist in
EP 1 099483 A1 beschrieben. Bei dieser Konstruktion ist ein flüssigkeitsgefülltes Rohr an einem Ende mit einer Düsenplatte abgeschlossen. An der Innenseite der Düsenplatte befindet sich rings um den Düseneintritt eine als Dichtfläche ausgeführte Erhebung, an der die Stirnfläche eines frei im Rohr befindlichen Zylinders anliegt. Der Zylinder besteht aus magnetischem Material und kann durch Bestromung einer oder mehrerer um das Rohr angeordneten Magnetspulen von der Dichtfläche abgehoben bzw. an diese angedrückt werden. - Bedingt durch die Auslegung als Magnetventil muss bei diesem Konzept ein Vordruck an die Zufuhrseite des Rohres angelegt werden. Da die Flüssigkeitsförderung durch diesen Vordruck bewirkt und gesteuert wird, muss der Kolbenquerschnitt nennenswert kleiner ausgeführt werden als der Innenquerschnitt des Rohres. Dies kann zu Problemen bei der Zentrierung des Kolbens führen. Ferner ist dadurch die Verdrängungswirkung des Kolbens bei der Schließbewegung einer exakten Dosierung der ausgebrachten Flüssigkeitsmenge hinderlich.
- Ein Konzept zur Integration einer Heizung in ein Magnetventil ist in
DE 100 31 852 A1 beschrieben. Hierbei wird im Ruhezustand des Ventils der Strom durch die Magnetspule nicht komplett abgeschaltet, sondern auf niedrigem Niveau aufrecht erhalten. Durch den elektrischen Widerstand der an eine geeignete Temperaturregelung angeschlossenen Magnetspule ergibt sich eine Heizwirkung. - Da bei diesem Konzept ein herkömmliches Magnetventil verwendet wird, kann der Heizstrom nur bis auf ein ausreichend unter dem Ansprechstrom des Ventils liegendes Maß erhöht werden. Durch die somit geringe Leistungsdichte der Heizung ist das Erreichen hoher Temperaturen schwierig.
- 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 Flüssigkeitsröhrchen2 , das an einem Ende durch eine oder mehrere Düsenöffnungen3 abgeschlossen ist. Im Inneren des Röhrchens2 befindet sich ein Kolben1 , der mit dem Röhrchen2 einen Ringspalt4 bildet. Das Röhrchen2 ist bis zum Düsenaustritt mit dem auszubringenden Fluid gefüllt, wobei zweckmäßigerweise an der Fluidzufuhr5 ein leichter Unterdruck angelegt wird, damit nicht schon im Ruhezustand allmählich Flüssigkeit aus der Düse3 austreten kann. Um das Röhrchen2 sind zwei Spulen6 und7 angeordnet, die von einem Eisenmantel8 umgeben sind. Der Eisenmantel8 ist dabei so gestaltet, dass bei gleichmäßiger Bestromung beider Spulen6 und7 der Kolben1 in einem Gleichgewichtszustand gehalten wird. Zum Tropfenausstoß wird zunächst die düsenseitige Spule6 abgeschaltet und die zufuhrseitige Spule7 mit einem kurzen Stromimpuls beaufschlagt. Der Kolben bewegt sich dadurch von der Düse3 weg, so dass im Freiraum zwischen Kolben1 und Düse3 ein Unterdruck entsteht, durch den durch den Ringspalt4 Flüssigkeit aus der Zufuhr5 angesaugt wird. Anschließend wird die zufuhrseitige Spule7 abgeschaltet und die düsenseitige Spule6 mit einem Stromimpuls beaufschlagt, so dass der Kolben1 wieder zur Düse3 hin beschleunigt wird. Durch den dadurch in dem Freiraum zwischen Kolben1 und Düse3 entstehenden Druckimpuls wird Flüssigkeit aus der Düse3 ausgestoßen. In der Zeitperiode bis zum nächsten Tropfenausstoß werden die Spulen6 und7 wieder gleichmäßig bestromt, so dass sich der Kolben1 in der Ruhelage ausrichtet In der dargestellten Ausführung verfügt der Eisenmantel8 des Tropfenerzeugers über zwei von außen zugängliche axial verschiebliche Elemente8a , die die Justage des Magnetspalts zwischen Eisenmantel8 und Kolben1 zulassen. Dadurch kann die Mittellage des Kolbens1 eingestellt und die auf den Kolben1 wirkende Beschleunigungskraft optimiert werden. -
2 zeigt eine Abwandlung dieser Bauform, bei der die Düsenöffnung3 in der Ruhelage des Kolbens1 von diesem verschlossen wird, so dass die Fluidzufuhr5 zur Dosierung dickflüssigerer Medien auch unter Überdruck betrieben werden kann. Weiterhin ist die Kolbenseite der Fluidzufuhr5 in den Eisenmantel8 integriert und bildet einen Anschlag für den Kolben1 , so dass sich dieser axial nur auf einer definierten Länge bewegt. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kolben
- 2
- Röhrchen
- 3
- Düse
- 4
- Ringspalt
- 5
- Fluidzufuhr
- 6
- Spule vorn
- 7
- Spule hinten
- 8
- Eisenmantel
- 8a
- verschieblicher Mantelteil
Claims (13)
- Tropfenerzeuger, bei dem die zum Tropfenausstoß erforderliche Aktorbewegung von einem Kolben ausgeführt wird, der von einem Magnet oder mehreren Magneten hin- und herbewegt wird, wobei sich der Kolben axial über eine bestimmte Wegstrecke frei in einem flüssigkeitsgefüllten Röhrchen bewegt, das an einem Ende eine oder mehrere Düsenbohrungen aufweist, wobei durch die Kolbenbewegung im Volumen zwischen Kolben und Düse oder Düsen Über- und Unterdruck erzeugbar ist, wobei bei Bewegung zur Düse oder zu den Düsen hin Überdruck entsteht, in dessen Folge es zum Tropfenausstoß kommt und zwischen Kolben und Röhrchen ein umlaufender Ringspalt besteht, der eine Drosselwirkung besitzt, derart, dass er während des Ausstoßes als Dichtung wirkt und während der Ruhephase die Ansaugung von Fluid ermöglicht.
- Tropfenerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Magnete ein oder mehrere Elektromagnete vorgesehen sind.
- Tropfenerzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrere der Magnete als Permanentmagnete ausgeführt sind.
- Tropfenerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben permanentmagnetisch ist.
- Tropfenerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kolben und innerer Düsenfläche in der Ruhelage eine Fluidkammer frei bleibt.
- Tropfenerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Freiraum zwischen dem in der Ruhelage befindlichen Kolben und der inneren Düsenfläche variierbar ist.
- Tropfenerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben in der Ruhelage direkt an der inneren Düsenfläche anliegt.
- Tropfenerzeuger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verstellung des Freiraums zwischen Kolben und innerer Düsenfläche die Düsen in der Ruhelage des Kolbens durch diesen verschließbar sind.
- Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellung des Freiraums zwischen Kolben und innerer Düsenfläche im laufenden Betrieb erfolgt.
- Tropfenerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellung des Kolbens durch den Fluiddruck erfolgt.
- Tropfenerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tropfenerzeuger durch Regulierung des durch die Elektromagnete fließenden Stroms beheizbar ist.
- Tropfenerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Kolbens durch Anschläge begrenzt ist.
- Tropfenerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben mehrteilig ausgeführt ist.
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