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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Dosierkopf zum Dosieren von
flüssigem
bis pastösem Dosiergut.
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Dosierköpfe zum
Dosieren von flüssigem
bis pastösem
Dosiergut sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen
bekannt. Zum Dosieren von abrasiven Stoffen bzw. zum Dosieren von
Kleinstmengen werden üblicherweise
Kolbendosierer verwendet. Bei diesen Kolbendosierköpfen werden
als Ventilkomponenten Elastomer-Dichtungen
zum Abdichten der Ein- bzw. Auslassventile verwendet. Die Funktion
dieser Elastomer-Dichtungen entspricht dabei einer Membran. Es hat
sich hierbei als nachteilig herausgestellt, dass die Elastomer-Dichtungen
zu einer gewissen Dosierungsgenauigkeit führen, da abhängig von
den Umgebungseinflüssen
sich die elastischen Eigenschaften der Elastomer-Dichtungen verändern. Weiterhin
weisen derartige Elastomer-Dichtungen bei einem Dosiergut mit abrasiven
Bestandteilen einen sehr hohen Verschleiß und somit nur eine kurze
Lebensdauer auf. Von daher muss nach einer gewissen Betriebszeit
ein Austausch derartiger Elastomer-Dichtungen erfolgen, was zu unerwünschtem Stillstand
der Maschine und zu hohen Kosten für den Austausch und die Austauschdichtungen
führt.
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Vorteile der
Erfindung
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Ein
erfindungsgemäßer Dosierkopf
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass eine sehr hohe Dosiergenauigkeit auch bei zu dosierenden
Kleinstmengen erhalten wird. Die Dosiergenauigkeit kann dabei über eine
hohe Betriebsdauer mit einer großen Prozesssicherheit erreicht
werden. Weiterhin ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Dosierkopf
praktisch kein Verschleiß an
Dichtelementen des Dosierkopfs, auch bei einer Dosierung von Dosiergütern mit
abrasiven Stoffen. Somit ist der erfindungsgemäße Dosierkopf besonders geeignet,
Kleinstmengen von Dosiergütern
mit abrasiven Inhaltsstoffen zu dosieren. Erfindungsgemäß wird dies
dadurch erreicht, dass ein Ventilschließkörper eines Einlassventils und/oder
eines Auslassventils des Dosierkopfs als scheibenförmiger Körper eines
Schieberventils ausgebildet ist. Dabei weist der scheibenförmige Körper einen
keramischen Dichtbereich auf. Dieser keramische Dichtbereich ist
nicht elastisch, so dass die im Stand der Technik vorhandenen Probleme
auf der Dosierungsgenauigkeit infolge von Elastomerdichtungen nicht vorhanden
sind. Ferner ist der keramische Dichtbereich unempfindlich gegenüber abrasiven
Stoffen in den Dosiergütern,
so dass der Dosierkopf eine hohe Standzeit aufweist. Da die keramische
Dichtung eine besonders exakte Ebenheit aufweisen kann, kann weiterhin
eine hohe Dichtsicherheit erreicht werden.
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Die
Unteransprüche
zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise
weist der Ventilschließkörper wenigstens
einen keramischen Bereich auf, welcher einen an einem Gehäuse des
Dosierkopfs angeordneten keramischen Bereich kontaktiert, um die
Abdichtung bereitzustellen.
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Um
einen besonders kompakten Aufbau des Dosierkopfs zu ermöglichen,
weist der Ventilschließkörper vorzugsweise
eine Durchgangsöffnung
auf. Dadurch kann in einer Offenstellung des Ventils Dosiergut durch
die Durchgangsöffnung
im Ventilschließkörper gefördert werden.
Hierbei ist ein keramischer Dichtbereich am Einlass und am Auslass
der Durchgangsöffnung
gebildet, um eine sichere Abdichtung zu erreichen. Besonders bevorzugt
ist der Ventilschließkörper dabei
vollständig
aus einem keramischem Material hergestellt. Da das keramische Material
jedoch relativ teuer ist, umfasst gemäß einer anderen bevorzugten
Ausgestaltung der Erfindung der Ventilschließkörper ein nichtkeramisches Basiselement,
z.B. aus einem Stahl, einen ersten keramischen Bereich am Einlass
der Durchgangsöffnung und
einen zweiten keramischen Bereich am Auslass der Durchgangsöffnung.
Dabei bildet der erste keramische Bereich des Ventilschließkörpers mit
einem am Gehäuse
angeordneten dritten keramischen Bereich eine Abdichtung und der
zweite keramische Bereich des Ventilschließkörpers bildet mit einem am Gehäuse angeordneten
vierten keramischen Bereich die Abdichtung.
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Vorzugsweise
führt der
Ventilschließkörper des
Einlass- und/oder
das Auslassventils eine translatorische oder eine rotatorische Bewegung
aus. Besonders bevorzugt führt
der Ventilschließkörper eine rotatorische
Bewegung aus und ist als Zahnrad ausgebildet. Um besonders kostengünstig herstellbar
zu sein, kann das Zahnrad z.B. aus einem Stahl hergestellt sein
und die keramischen Bereiche zur Abdichtung sind an den flachen
Seiten des Zahnrades angeordnet. Das Zahnrad wird vorzugsweise mittels
einer Zahnstange, die mit einem Betätigungselement verbunden ist,
betätigt.
Das Betätigungselement
kann beispielsweise ein pneumatisch oder hydraulisch angetriebener
Zylinder sein.
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Um
eine besonders kompakte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dosierkopfs
zu ermöglichen,
umfasst das Einlassventil und das Auslassventil jeweils ein Zahnrad,
wobei die beiden Zahnräder auf
einer gemeinsamen Welle gelagert sind. Die beiden Zahnräder drehen
sich dabei um die Welle, wobei die Welle ortsfest ist. Somit weisen
die Zahnräder eine
gemeinsame Drehachse auf und können
parallel zueinander im Dosierkopf angeordnet werden.
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Weiter
bevorzugt ist der Dosierraum des Dosierkopfes im Wesentlichen als
Leitungsabschnitt zwischen dem Einlassventil und dem Auslassventil ausgebildet.
Ein Kolben des Dosierkopfes weist dabei einen Durchmesser auf, welcher
dem Leitungsabschnitt des Dosierraums entspricht. Somit wird ermöglicht,
dass auch der Kolben des Dosierkopfes sehr kleinbauend ausgebildet
sein kann.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist
zur Abdichtung des Kolbens des Dosierkopfes eine keramische Dichtung
vorgesehen. Die keramische Dichtung kann in Form eines Keramikeinsatzes
vorgesehen werden. Eine weiter verbesserte Abdichtung ergibt sich
dabei, wenn auch der Kolben aus einem keramischen Material hergestellt
ist. Dadurch ergibt sich eine weitere Steigerung der Prozesssicherheit
im Hinblick auf die zu dosierenden Volumina bzw. Gewichte.
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Als
keramisches Material für
die Dichtbereiche bzw. den Ventilschließkörper bzw. den Kolben wird besonders
bevorzugt Siliziumnitrid verwendet. Der Vorteil der keramischen
Bauteile liegt insbesondere darin, dass sie sich nicht verformen.
Dadurch können
höchste
Anforderungen an die Genauigkeit des Dosierkopfes realisiert werden.
Die jeweiligen keramischen Bereiche am Gehäuse bzw. am Zahnrad können dabei
z.B. mittels Sintern hergestellt werden.
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Zeichnung
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung
mit der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine
schematische Schnittansicht eines Dosierkopfs gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung,
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2 eine
vergrößerte Darstellung
des Auslassventils des in 1 gezeigten
Dosierkopfes, und
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3 eine
schematische, vergrößerte Darstellung
eines Auslassventils eines Dosierkopfes gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ein
Dosierkopf 1 gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Wie
in 1 gezeigt, umfasst ein Dosierkopf 1 eine
Zufuhrleitung 2, durch welche in ein mehrteiliges Gehäuse 7 des
Dosierkopfs ein Dosiergut zugeführt
wird. Der Dosierkopf 1 umfasst ferner ein Einlassventil 3,
ein Auslassventil 4 und einen Dosierraum 5, welcher
zwischen dem Einlassventil 3 und dem Auslassventil 4 angeordnet
ist. Wie in 1 gezeigt, ist der Dosierraum
leitungsartig ausgebildet und ein Kolben 6 ist in einem
Leitungsabschnitt des Dosierraums 5 hin- und herbewegbar
angeordnet. Der Kolben 6 ist als Plungerkolben ausgebildet
und wird mittels eines nicht dargestellten Antriebs betätigt.
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Das
Einlassventil 3 ist als eine Art Schieberventil ausgebildet
und umfasst ein Zahnrad 10 mit einer Durchgangsöffnung 10a.
Am Zahnrad 10 ist ferner ein erstes Keramikelement 8 und
ein zweites Keramikelement 9 angeordnet. Die beiden Keramikelemente 8 und 9 haben
jeweils ebenfalls eine Durchgangsöffnung 8a bzw. 9a.
Die Durchgangsöffnungen 8a und 9a der
beiden Keramikelemente 8 und 9 sind dabei derart
angeordnet, dass sie gemeinsam mit der Durchgangsöffnung 10a am
Zahnrad 10 einen Durchlass bilden, durch welchen ein Dosiergut
aus der Zufuhrleitung 2 in den Dosierraum 5 zugeführt werden
kann. Das Zahnrad 10 mit den daran befestigten ersten und
zweiten Keramikelementen 8 und 9 ist somit ein
Ventilschließkörper des
Einlassventils 3. Das Zahnrad 10 wird über eine
Zahnstange 18 mittels eines pneumatischen Zylinders 20 bewegt,
wobei das Zahnrad eine Drehung um eine Achse 22 ausführen kann.
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Zur
Abdichtung am Einlassventil 3 sind im Gehäuse 7 bzw.
einem Gehäusebauteil 7a ein
erstes feststehendes Keramikelement 11 und ein zweites feststehendes
Keramikelement 12 angeordnet. Wie aus 1 ersichtlich
ist, befinden sich die beiden Keramikelemente 8 und 9 des
Ventilschließkörpers mit den
feststehenden Keramikelementen 11 und 12 am Gehäuse in Kontakt.
Dadurch wird eine Abdichtung der Zufuhrleitung 2 bzw. des
Dosierraums 5 gegen die Umgebung mittels der Keramikelemente 8, 9, 11 und 12 erreicht.
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Das
Auslassventil 4 ist in gleicher Weise wie das Einlassventil 3 aufgebaut
und ebenfalls als Schieberventil ausgebildet. Das Auslassventil 4 umfasst
ein Zahnrad 15 mit einer Durchgangsöffnung 15a sowie am
Zahnrad angeordnete erste und zweite Keramikelemente 13 und 14.
In den Keramikelementen 13 und 14 ist jeweils
wieder eine Durchgangsöffnung 13a bzw. 14a gebildet,
wobei diese Durchgangsöffnungen
mit der Durchgangsöffnung 15a ausgerichtet
sind. Wie beim Einlassventil 3 sind beim Auslassventil
ebenfalls erste und zweite feststehende Keramikelemente 16 und 17 mit
Durchgangsöffnungen 16a und 17a vorgesehen.
Das Keramikelement 16 ist dabei in einem Gehäusebauteil 7b angeordnet.
Das Auslassventil ist in vergrößerter Darstellung
nochmals in 2 gezeigt.
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Das
Zahnrad 15 des Auslassventils 4 ist an der gleichen
Achse 22 wie das Einlassventil 3 gelagert und
wird mittels einer Zahnstange 19 und einem pneumatischen
Zylinder 21 betätigt
und um die ortsfeste Achse 22 gedreht. Die Achse 22 kann
einfach als Welle ausgebildet sein.
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Dem
Auslassventil nachgeordnet ist eine Dosiernadel 23, durch
welche das Dosiergut, wie durch den Pfeil B in 1 angedeutet,
abgegeben wird.
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In
der in 1 gezeigten Stellung ist das Einlassventil 3 geschlossen
und das Auslassventil 4 geöffnet. Der Kolben 6 wird
nun für
einen Dosiervorgang in Richtung des Pfeils A in den leitungsartigen Dosierraum 5 hineinbewegt,
so dass das Dosiergut über
die Dosiernadel 23 abgegeben werden kann. Wie aus 1 ersichtlich
ist, ist der Dosierraum 5 aus einem im Wesentlichen U-förmigen Leitungsabschnitt
gebildet, wobei der Kolben 6 in einen Schenkel 5a' des U-förmigen Leitungsabschnitts
hineinbewegt wird.
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Die
zu dosierende Menge wird somit durch die Länge der Bewegung des Kolbens 6 in
Richtung des Pfeils A bestimmt. Da der Dosierraum im Wesentlichen
die Form einer Leitung aufweist, d.h. einen relativ kleinen Durchmesser
aufweist, kann eine sehr kleine Dosiermenge realisiert werden.
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Wenn
der Dosiervorgang abgeschlossen ist, wird die Bewegungsrichtung
des Kolbens 6 umgekehrt und das Auslassventil wird geschlossen.
Hierzu dreht sich das Zahnrad 15 des Auslassventils um
die Achse 22 und verschließt die Verbindung zwischen dem
Dosierraum 5 und der Dosiernadel 23. Anschließend wird
das Einlassventil 3 geöffnet,
wobei das Zahnrad 10 des Einlassventils ebenfalls um die
Achse 22 gedreht wird. Das Einlassventil 3 und
das Auslassventil 4 werden somit durch eine rotatorische
Bewegung geöffnet
bzw. geschlossen.
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Da
beim Öffnungs-
bzw. Schließvorgang
der Ventile 3, 4 keine Elastomerdichtungen bzw.
Membrane verdrängt
werden müssen,
sondern die Öffnungs-
und Schließbetätigung einen
Schervorgang im Dosiergut ausführt,
erfolgt beim Öffnen
bzw. Schließen
der Ventile keine Volumenänderung
im Dosierraum 5. Somit ist das Volumen im Dosierraum 5 immer
konstant, da die durch die Keramikelemente gebildeten Dichtungen
keine elastischen Volumenänderungen
zulassen. Somit können
erfindungsgemäß Kleinstmengen
sehr prozesssicher dosiert werden und es tritt kein unkontrolliertes
Dosieren oder eine Tropfenbildung an der Dosiernadel auf.
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Ferner
kann eine besonders gute Abdichtung des Einlass- bzw. Auslassventils 3, 4 erreicht werden,
da die scheibenförmigen
Keramikelemente eine sehr hohe Ebenheitsqualität bereitstellen können. Ferner
weisen die Keramikelemente eine große Härte auf, so dass praktisch
kein Verschleiß im
Betrieb an den Dichtelementen auftritt, selbst wenn abrasive Stoffe
durch den Dosierkopf 1 dosiert werden müssen. Somit ist der erfindungsgemäße Dosierkopf besonders
zur Dosierung von Kleinstmengen abrasivem Dosiergutes geeignet.
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Die
in 1 gezeigten Keramikelemente 8, 9, 11, 12 am
Einlassventil und die Keramikelemente 13, 14, 16 und 17 am
Auslassventil sind als Kreisscheiben ausgebildet und vorzugsweise
aus Siliziumnitrid hergestellt. Wie aus den Figuren ersichtlich ist,
sind die Keramikelemente an den Zahnrädern in Ausnehmungen in den
Seitenflächen
der Zahnräder angeordnet
und können
beispielsweise mittels Kleben o.Ä.
an dem Zahnrad befestigt werden. Dadurch kann das Zahnrad aus einem
nichtkeramischen Material, insbesondere Stahl, hergestellt werden
und somit eine signifikante Kostenreduzierung erreicht werden, da
nur die Dichtbereiche aus Keramik hergestellt werden müssen. Grundsätzlich sei
jedoch angemerkt, dass es selbstverständlich auch möglich wäre, die
Zahnräder
vollständig
aus keramischem Material herzustellen und die Seitenflächen der Zahnräder als
Dichtbereiche für
die Ventile zu verwenden, welche mit den feststehenden Keramikelementen
im Gehäuse
abdichten. Selbstverständlich wäre es auch
denkbar, das Gehäuse
bzw. weitere Gehäusebauteile
vollständig
aus Keramik herzustellen.
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3 zeigt
eine schematische Ansicht eines Dosierkopfes gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile
sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel
bezeichnet.
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Wie
aus 3 ersichtlich ist, ist beim zweiten Ausführungsbeispiel
am Kolben 6 eine zusätzliche
keramische Dichtung 24 vorgesehen. Der Kolben 6 ist
ebenfalls aus einem keramischen Material, insbesondere Siliziumnitrid,
hergestellt. Die keramische Dichtung 24 ist ebenfalls vorzugsweise
aus Siliziumnitrid hergestellt. Hierdurch lässt sich eine verbesserte Abdichtung
am Dosierkolben ermöglichen, was
eine noch genauere Dosierung des zu dosierenden Gutes ermöglicht.
Die keramische Dichtung 24 ist als Keramikeinsatz ausgebildet
und kann einfach in eine entsprechend ausgebildete Ausnehmung im Gehäuse des
Dosierkopfes eingelegt werden. Vorzugsweise wird die Keramikdichtung 24 mittels
einer Presspassung oder mittels Kleben im Gehäuse befestigt. Ansonsten entspricht
das zweite Ausführungsbeispiel
dem ersten Ausführungsbeispiel,
sodass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.