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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Dosierventil und Dosierverfahren zum Dosieren von insbesondere gefüllten und/oder abrasiven Medien.
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Für zahlreiche Produktionsschritte in der Fertigung von elektronischen Komponenten und Bauteilen sind Lötprozesse notwendig. Hierbei werden häufig Lotpasten verwendet, die in einem nachfolgenden Temperprozess aufgeschmolzen werden. Das Aufbringen der Lotpasten erfolgt typischerweise mit Nadelkontaktdosierung, d.h. ein Roboter mit dem Dosiersystem fährt die Oberfläche eines Werkstücks an bis die Oberfläche fast berührt wird. Anschließend wird eine bestimmte Menge an Lotpaste auf das Werkstück aufgebracht und durch Anheben des Dosiersystems abgerissen. Diese Auf- und Abwärtsbewegung kostet aber relativ viel Zeit. Zudem besteht die Gefahr, dass das Werkstück beschädigt wird. Es wäre deshalb vorteilhaft, wenn die Aufbringung der Lotpasten - wie es bei vielen Klebstoffen bereits der Fall ist - durch sogenannte Jet-Ventile erfolgen würde.
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Beim Jetten von Medien wird das Medium in einem definierten Abstand (typischerweise wenige Millimeter) vom Werkstück abgefeuert und landet auf der vorgesehen Stelle auf dem Werkstück. Da hierbei der Roboter das Dosiersystem nur horizontal verfahren muss, können deutlich mehr Dosierungen in der gleichen Zeit durchgeführt werden. Zudem wird dadurch auch eine Beschädigung des Werkstücks oder auch von Bauelementen auf dem Werkstück verhindert.
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Herkömmliche Jet-Ventile, die z.B. für die Dosierung von Klebstoffen, Fetten und Ölen verwendet werden, sind Dichtsitzventile und deshalb für die Dosierung von Lotpasten nicht geeignet. Lotpasten sind hochgefüllte Medien mit einem Festkörperanteil von bis zu 80% - 90%. Ein Dichtsitzventil würde die Festkörperpartikel (Lotkugeln) im Dichtsitz verquetschen bzw. schroten. Versuche haben gezeigt, dass sich diese geschroteten Lotkugeln am Dichtsitz anlagern und das Ventil dadurch langsam verstopft. Eine Ausführungsform eines für gefüllte Medien geeigneten Jet-Ventils ist in der
deutschen Patentanmeldung 102017118241.1 der Anmelderin beschrieben, deren Inhalt durch Bezugnahme zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
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Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Dosierung von Lotpasten nur ein Beispiel für eine Anwendung mit hochgefüllten Medien ist. Die Problematik der Anlagerung der Partikel am Dichtsitz - zusätzlich bei abrasiven Partikeln auch die schnelle Abnutzung des Dichtsitzes - und auch der deutliche langsamere Prozess durch die zusätzliche vertikale Roboterbewegung treffen genauso auf viele andere gefüllte Medien zu, wie z.B. LED-Vergussmaterial. Derartige hochgefüllte Medien wie Lotpasten etc. haben typischerweise eine sehr hohe Viskosität, d.h. es ist eine hohe Energie notwendig, um Tropfen jetten zu können.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Dosierventil und Dosierverfahren zu schaffen, mit denen insbesondere gefüllte und/oder abrasive Medien durch Jetten verbessert dosiert werden können.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche und insbesondere durch ein Dosierventil, umfassend einen von einer Medienzuführung zu einer Düse führenden Medienkanal, sowie eine bewegliche Ventilnadel, mit der in dem Medienkanal befindliches Medium durch die Düse austreibbar ist, wobei das Volumen innerhalb des Medienkanals, das sich zwischen der Ventilnadel und einer Öffnung der Düse befindet, durch die Ventilnadel und durch ein weiteres bewegliches Element veränderbar ist.
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Durch das Vorsehen eines weiteren beweglichen Elementes, mit dem das Volumen innerhalb des Medienkanals zwischen Ventilnadel und Öffnung der Düse veränderbar ist, lässt sich die zu einem erfolgreichen Jetten erforderliche Energie erhöhen, indem das in dem Volumen befindliche Medium nicht nur von der Ventilnadel sondern auch von dem weiteren beweglichen Element mit Energie beaufschlagt wird. Das Medium wird also nicht nur durch das Einbringen der Ventilnadel in den Medienkanal ausgetrieben sondern zusätzlich durch die Volumenverringerung des Medienkanals, die durch das weitere bewegliche Element bewirkt wird.
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Mit dem erfindungsgemäßen Dosierventil ergibt sich ein weiterer Vorteil beim Dosieren von thixotropen Medien, deren Viskosität durch mechanische Belastung abnimmt. Mit dem erfindungsgemäßen Dosierventil kann nämlich durch synchrones Bewegen der Ventilnadel und des weiteren beweglichen Elementes das zwischen Ventilnadel und Düse befindliche Medium mechanisch belastet werden, indem die Ventilnadel und das weitere bewegliche Element synchron, das heißt jeweils gleichzeitig und in die gleiche Richtung, hin und her bewegt werden. Hierdurch kann - beispielsweise in Dosierpausen - das im Medienkanal befindliche Medium mechanisch belastet bzw. „geschüttelt“ werden, so dass dessen Viskosität sinkt, was sich sehr vorteilhaft auf den nachfolgenden Dosierprozess auswirkt.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, der Zeichnung sowie den Unteransprüchen beschrieben.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann das weitere bewegliche Element ein mit der Düse versehenes Bauteil sein, das relativ und insbesondere koaxial zu der Ventilnadel bewegbar ist. Auf diese Weise lässt sich einerseits zusätzliche Energie in das auszutreibende Medium einbringen. Andererseits kann auch eine synchrone Bewegung von dem weiteren beweglichen Element und der Ventilnadel durchgeführt werden, um die gewünschte Viskositätsverringerung zu erzielen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann ein Teil des Medienkanals durch ein erstes Bauteil und ein anderer Teil des Medienkanals durch das weitere bewegliche Element gebildet sein, das relativ zu dem ersten Bauteil beweglich ist. Durch eine solche zweiteilige, insbesondere teleskopartige Ausbildung des Medienkanals lässt sich der gewünschte Energieeintrag in das zu dosierende Medien auf einfache Weise bewirken.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann ein Grundkörper vorgesehen sein, in dem der Medienkanal und zumindest eine Führungsbohrung für die Ventilnadel ausgebildet sind, wobei als weiteres bewegliches Element ein relativ zu dem Grundkörper bewegliches Bauteil vorgesehen ist, an dem die Düse angeordnet ist. Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn an dem Grundkörper eine Führung, insbesondere eine Linearführung für das bewegliche Bauteil vorgesehen ist, da durch eine solche Führung dafür gesorgt ist, dass das bewegliche Bauteil koaxial zu der im Grundkörper geführten Ventilnadel bewegt wird.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann eine Stelleinrichtung vorgesehen sein, die zumindest ein Piezoelement aufweist, das über zumindest ein Festkörpergelenk mit einem Bügel in Verbindung steht, an dem das weitere bewegliche Element angeordnet ist. Mit einer solchen Anordnung lässt sich mit Hilfe der Stelleinrichtung eine Bewegung des weiteren beweglichen Elements bewirken, indem der Bügel durch die Stelleinrichtung in Schwingungen versetzt wird.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können Medienzuführung, Düse, Medienkanal, Ventilnadel und das weitere bewegliche Element in einem Einsatz angeordnet sein, an dem auch eine Stelleinrichtung für das weitere bewegliche Element sowie ein elektrischer Schaltkreis für die Stelleinrichtung angeordnet sind. Hierdurch ist eine modulare Einheit geschaffen, die an ein bestehendes Dosierventil angebaut werden kann, wobei die für die Ansteuerung der Stelleinrichtung erforderlichen elektrischen Bauteile bereits in dem Modul vorhanden sind.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Übergang zwischen der Medienzuführung und dem Medienkanal eine scharfkantige Dichtkante bilden, wodurch einzelne Partikel, beispielsweise Lotkugeln verdrängt und äußerstenfalls direkt beim Eintauchen der Ventilnadel in den Bereich der Dichtkante abgeschert und in zwei Stücke zerteilt werden. Aus dem gleichen Grund kann es vorteilhaft sein, wenn der eintauchende Rand der Ventilnadel und/oder der Rand bzw. die Kante des Medienkanals keine Fase aufweisen. Ein besonders gutes Ergebnis kann dadurch erzielt werden, dass die Dichtkante in einer planaren Ebene liegt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann eine untere Stirnfläche der Ventilnadel planar sein und rechtwinklig zu einer Längsachse der Ventilnadel verlaufen. Auf diese Weise enthält die Ventilnadel an ihrem vorderen Ende die Form eines Stanzstempels ohne Schrägflächen, was das Dosieren von gefüllten und/oder abrasiven Medien weiter begünstigt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Medienkanal einen kreiszylindrischen Abschnitt aufweisen, an den sich ein kegelförmiger Abschnitt anschließt. Auf diese Weise kann der zum Dosieren und Jetten notwendige Druck beim Eintauchen der Ventilnadel und beim Bewegen des weiteren beweglichen Elementes aufgebaut werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann das Dosierventil so ausgebildet sein, dass die Ventilnadel in ihrer Schließstellung an keinem Anschlag anschlägt. Hierdurch wird erreicht, dass die kinetische Energie der Ventilnadel sehr schnell abgebaut und nur auf das Medium übertragen wird. Da bei dieser Ausführungsform nahezu die vollständige Bewegungsenergie der Ventilnadel (und eines mit dieser in Verbindung stehenden Stößels) auf das Medium innerhalb des Medienkanals übertragen wird, geht bei dieser Ausführungsform im Gegensatz zu herkömmlichen Dichtsitzventilen nicht ein Großteil der Energie in den Dichtsitz.
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Für eine besonders gute Funktionsweise und eine lange Lebensdauer kann es vorteilhaft sein, wenn die Ventilnadel einen kreiszylindrischen Endabschnitt aufweist, der in den Medienkanal mit einer sehr spielarmen Passung einführbar ist.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Grenzfläche zwischen der Medienzuführung und dem Medienkanal in einer planaren Ebene liegen. Hierzu kann der Medienkanal durch eine Bohrung gebildet sein und die Medienzuführung im Grenzbereich zu dem Medienkanal als planare Ebene ausgebildet sein, so dass sich - im Gegensatz zu zwei sich kreuzenden Bohrungen - keine in zwei Ebenen gekrümmt verlaufende Grenzfläche ergibt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann für den Antrieb der Ventilnadel, der üblicherweise über ein Piezoelement erfolgt, ein Stößel vorgesehen sein, an dem ein Zusatzgewicht befestigt ist. Durch ein solches Zusatzgewicht wird auf einfache Weise eine Anpassung an verschiedene Medien erreicht. Der bei Dosieren entstehende Druckpuls wird nämlich durch die kinetische Energie der Ventilnadel und der mit dieser bewegten Teile (z.B. Hebel, Stößel) definiert. Diese kinetische Energie hängt von der durch den Antrieb erreichbaren Geschwindigkeit und der Masse des Stößels ab. Um die Masse für das jeweilige Medium anpassen zu können und vor allem im Vergleich zur Standardausführung des Dosierventils erhöhen zu können, kann der Stößel mit einem zusätzlichen Gewicht versehen sein, das insbesondere gewechselt und damit an das jeweilige Medium, das zu dosieren ist, angepasst werden kann.
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Ein solches Zusatzgewicht eignet sich auch für beliebige Arten von Dosierventilen, die eine Ventilnadel aufweisen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine Feder für die Ventilnadel vorgesehen sein, wobei die Feder aus einem scheibenförmigen Körper gebildet ist, in den eine in der Mitte der Scheibe angeordnete Zentralöffnung sowie Schlitze in Form von Spiralarmen eingebracht sind, die sich von der Zentralöffnung nach außen und durch den Körper hindurch erstrecken. Die Feder wird somit durch eine Scheibe gebildet, in der zwischen zwei benachbarten Spiralarmen gekrümmte Federarme gebildet sind, welche einstückig mit der Scheibe verbunden sind. Wenn hierbei eine Kraft auf den scheibenförmigen Körper im Bereich des Umfangs der Zentralöffnung ausgeübt wird, federn sämtliche Federarme gleichmäßig aus, wodurch eine präzise einstellbare Rückstellkraft ausgeübt wird.
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Eine besonders einfache Herstellung ergibt sich für die Feder, wenn der Körper und/oder die Zentralöffnung in Draufsicht rund und insbesondere kreisförmig sind.
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Schließlich kann es vorteilhaft sein, wenn zumindest vier, insbesondere zumindest sechs und vorzugsweise zumindest acht und insbesondere genau acht Schlitze vorgesehen sind, da hierdurch eine besonders gute und gut einstellbare Federwirkung erzielt werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung betrifft diese ein Verfahren zum Dosieren von insbesondere gefüllten und/oder abrasiven Medien unter Verwendung eines Dosierventils, das einen von einer Medienzuführung zu einer Düse führenden Medienkanal aufweist, und das eine Ventilnadel umfasst, mit der in dem Medienkanal befindliches Medium durch die Düse ausgetrieben wird, wobei beim Dosieren das Volumen innerhalb des Medienkanals, das sich zwischen der Ventilnadel und einer Öffnung der Düse befindet, durch ein weiteres bewegliches Element verändert wird.
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Bei diesem Verfahren ergeben sich die eingangs genannten Vorteile, nämlich dass das zu dosierende Medium nicht nur durch die Ventilnadel sondern auch durch eine Bewegung des weiteren beweglichen Elementes mit Energie beaufschlagt und somit besser ausgetrieben werden kann. Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn das Volumen des Medienkanals dadurch verändert wird, dass ein die Düse bildendes Bauteil relativ zur Ventilnadel bewegt wird.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung betrifft diese ein Verfahren zum Dosieren von insbesondere gefüllten oder abrasiven Medien unter Verwendung eines Dosierventils, das einen von einer Medienzuführung zu einer Düse führenden Medienkanal und eine Ventilnadel aufweist, mit der in dem Medienkanal befindliches Medium durch die Düse ausgetrieben wird, wobei innerhalb des Medienkanals befindliches Medium hin und her bewegt wird, ohne dabei das Volumen des Mediums zu verändern.
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Mit diesem Verfahren lässt sich die Viskosität des zu dosierenden Mediums verringern, wenn dieses thixotrope Eigenschaften aufweist.
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Schließlich ist es auch möglich, die beiden oben beschriebenen Verfahren miteinander zu kombinieren, das heißt zwischen einzelnen Dosiervorgängen das im Medienkanal befindliche Medium hin und her zu bewegen und bei einem Dosiervorgang das zusätzliche bewegliche Element als Booster einzusetzen, um nicht nur mit der Ventilnadel sondern auch mit dem weiteren beweglichen Element eine Energie auf das Medium aufzubringen.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine Querschnittsansicht durch eine Dosierventil;
- 2 eine perspektivische Darstellung eines Ventileinsatzes des Dosierventils von 1.
- 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht durch den Ventileinsatz der 1 und 2; und
- 4 ein Weg-Zeitdiagramm, das den Hub von Ventilnadel (gestrichelt) und weiterem beweglichen Element (durchgezogen) darstellt.
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Das in
1 dargestellte Dosierventil weist ein in einem Gehäuse
10 angeordnetes Piezoelement
12 auf, das in grundsätzlich bekannter Weise aus einer Vielzahl von gestapelt angeordneten und jeweils mit Elektroden versehenen Schichten aus piezoelektrischem Material zusammengesetzt ist. Das Piezoelement
12 ist ferner für eine kippende Antriebsbewegung ausgebildet, wie in
1 durch einen Doppelpfeil angedeutet ist. Genauer gesagt arbeitet das Piezoelement
12 nach dem sogenannten Doppelstapel-Prinzip und umfasst neben zwei piezoelektrisch aktiven Bereichen einen piezoelektrisch passiven Bereich, wie dies in der
EP 0 947 002 B1 offenbart ist.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel dient das Dosierventil dazu, ein durch einen Einlass 14 zugeführtes Medium dosiert abgeben zu können. Hierzu weist das Dosierventil eine Ventilnadel 16 auf, die das Medium durch Jetten durch eine Öffnung 18 einer Düse 19 austreibt.
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Zur Bewegung der Ventilnadel 16 gegen die Kraft einer Öffnungsfeder 20 (2 und 3) ist ein Stößel 22 vorgesehen, dessen unteres Ende an der Ventilnadel 16 anliegt und dessen oberes Ende mit dem freien vorderen Ende eines Hebels 24 verbunden ist, der durch das Piezoelement 12 in Kippschwingungen versetzt werden kann. Durch entsprechendes Ansteuern des Piezoelements 12 verkippt der Hebel 24 wie in 1 durch den Doppelpfeil angedeutet, wodurch der Stößel 22 und damit auch die Ventilnadel 16 eine lineare Hubbewegung durchführen. Die Ventilnadel 16 wird durch die Feder 20 in ihrer Offenstellung (3) gehalten und gegen den Druck der Feder 20 von dem Stößel 22 in die Schließstellung bewegt.
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Auf der zu der Ventilnadel 16 entgegengesetzten Seite des Hebels 24 ist ein Anschlag 26 für den Hebel vorgesehen, so dass das freie Ende des Hebels 24 bei dessen Schwenkbewegung auf diesen Anschlag aufschlägt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Anschlag 26 durch einen Stift gebildet, der in das Ventilgehäuse 10 eingeschraubt und mit Hilfe einer Feststelleinrichtung 28 gekontert werden kann. Auf diese Weise ist die Position des Anschlags 26 in dem Gehäuse 10 verstellbar und auch feststellbar, so dass durch Justieren der Auftreffpunkt auf den Anschlag 26 einstellbar ist.
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An dem Stößel 22 kann ferner ein Zusatzgewicht 33 angeordnet sein, beispielsweise durch Kleben, Schrauben, Pressen oder dergleichen, wobei das Zusatzgewicht 33 insbesondere im Bereich des vorderen Endes des Stößels angeordnet ist, das auf die Ventilnadel 16 drückt. Dieses Zusatzgewicht kann insbesondere austauschbar sein, um die Masse an das jeweilige Medium anpassen zu können und vor allem im Vergleich zu einer Standardausführung des Dosierventils erhöhen zu können.
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Für eine verbesserte Ansteuerung des Piezoelements 12 weist das Dosierventil eine Steuerung 30 auf, die mit einem Wegsensor 32 in Verbindung steht, der den Weg des freien Endes des Hebels 24 und damit den Hub des Antriebs detektiert. Weiterhin misst die Steuerung 30 die Ansteuerspannung und den zugeführten Strom des Piezoelements, wodurch eine Kraftmessung möglich ist. Schließlich umfasst die Steuerung 30 auch einen Temperatursensor 34, um eine Temperaturabhängigkeit der Wegmessung zu kompensieren bzw. durch die Steuerung zu korrigieren.
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1 zeigt, dass in das Dosierventil ein Ventileinsatz 60 eingesetzt ist, wobei durch den Einlass 14 zugeführtes Medium über eine Bohrung 63 zu einer Nadelbaugruppe 64 geführt wird, die in 3 vergrößert dargestellt ist. Die Nadelbaugruppe 64 ist in dem Ventileinsatz 60 über O-Ringe abgedichtet gelagert und kann auf einfache Weise ausgetauscht werden.
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Die in 3 vergrößert dargestellte Nadelbaugruppe 64 weist einen Medienkanal 65 auf, der von einer Medienzuführung 66 zu der Öffnung 18 der Düse 19 führt. Bei Betätigung des Piezoelements 12 wird die Ventilnadel 16 nach unten gedrückt, dringt mit ihrem vorderen Ende in den Medienkanal 65 ein und treibt in dem Medienkanal befindliches Medium durch die Öffnung 18 der Düse 19 aus.
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Um einen Ventilsitz zu vermeiden und das Medium nicht zu quetschen bzw. zu pressen, ist das vordere Ende der Ventilnadel 16 kreiszylindrisch und nach Art eines Stanzstempels ausgebildet. Weiterhin bildet der Übergang zwischen der Medienzuführung 66 und dem Medienkanal 65 eine scharfkantige Dichtkante 70, die keine Fase aufweist und in einer planaren Ebene liegt. Auch ist die untere Stirnfläche der Ventilnadel 16 planar und rechtwinklig zur Längsachse der Ventilnadel 16 ausgebildet.
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Wie 3 weiter verdeutlicht, ist die Medienzuführung 66, d.h. der an den zylindrischen Medienkanal 65 anschließende Abschnitt, als rechteckige Aussparung ausgebildet, die sich durch die gesamte Nadelbaugruppe 64 hindurch erstreckt. Die Ventilnadel 16 durchdringt mit ihrem vorderen Ende die Medienzuführung 66 und ist somit in ihrer Schließstellung (die in 3 nicht dargestellt ist) vollständig von Medium umgeben. Es ist jedoch aus 3 gut erkennbar, dass die Ventilnadel 16 in ihrer Offenstellung die Verbindung zwischen der Medienzuführung 66 und dem Medienkanal 65 vollständig freigibt, jedoch in ihrer Schließstellung die Verbindung zwischen der Medienzuführung 66 und dem Medienkanal 65 vollständig verschließt.
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Wie 3 ferner verdeutlicht, weist die Nadelbaugruppe 64 eine Nadelhülse 76 auf, die über zwei Dichtringe 78 und 80 in den Ventileinsatz 60 abgedichtet eingesteckt ist. Die Ventilnadel 16 ist dabei in der Nadelhülse 76 an zwei Abschnitten geführt, wobei die Ventilnadel 16 an einem oberen Abschnitt 82 einen größeren Durchmesser und an einem darunterliegenden Abschnitt 84 einen geringeren Durchmesser aufweist, der auch dem Durchmesser des vorderen Endes der Ventilnadel 16 entspricht. Entsprechend ist die Ventilnadel 16 in ihrem oberen Abschnitt von einer größeren Führungsbohrung 86 und an ihrem unteren Abschnitt 84 von einer kleineren Führungsbohrung 88 geführt.
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Um die Ventilnadel 16 in ihrer in 3 dargestellten Offenstellung zu halten bzw. in diese zurückzuführen, ist die Ventilnadel 16 an einer Feder 20 gelagert, die von einem Sprengring 21 in dem Ventileinsatz 60 gehalten ist. Wie 3 verdeutlicht, weist die Ventilnadel 16 hierzu in ihrem oberen Endbereich einen Abschnitt 24a mit verringertem Durchmesser auf und dieser Abschnitt 24a ist durch die Feder 20 gesteckt.
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Die Feder 20 ist aus einem scheibenförmigen Körper gebildet, in dem eine durch den Mittelpunkt der Scheibe verlaufende Zentralöffnung ausgebildet ist, die sich durch den Körper hindurch erstreckt. Die Zentralöffnung ist in Draufsicht rund und insbesondere kreisförmig ausgebildet, d.h. in der Mitte des Körpers befindet sich ein rundes Loch.
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Weiterhin ist in dem Körper bzw. in die Scheibe eine Vielzahl von Schlitzen 46 (2) eingebracht, welche die Form von Spiralarmen aufweisen, die sich von der Zentralöffnung in Richtung des Außenumfangs des Körpers und durch den Körper hindurch erstrecken.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind insgesamt acht Schlitze vorgesehen, die über die Scheibe gleich verteilt und beabstandet sind und deren radial äußere Enden jeweils in einem kreisförmig erweiterten Endbereich enden. Hierdurch ist zwischen jeweils zwei Schlitzen 46 ein einstückig mit dem Körper verbundener Federarm gebildet.
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Durch 3 wird deutlich, dass die Ventilnadel 16 mit ihrem oberen Ende durch die Zentralöffnung der Feder 20 gesteckt ist, was möglich ist, da die einzelnen Federarme elastisch ausfedern. Hierdurch ist die Ventilnadel 16 mit ihrem verjüngten Abschnitt 24a in der Zentralöffnung der Feder 20 gehalten. Um die Ventilnadel 16, die Feder 20 und die Nadelhülse 76 in dem Ventileinsatz 60 zu halten, ist der Sprengring 21 vorgesehen.
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Der vorstehend beschriebene Ventileinsatz kann als Wechselmodul für ein Dosierventil verwendet werden, das mit einem Dosierantrieb versehen ist, der auf das obere Ende der Ventilnadel 16 wirkt. Wenn der Dosierantrieb die Ventilnadel 16 nach unten drückt, ist der Medienkanal 65 verschlossen und das im Medienkanal 65 befindliche Medium wird durch die Öffnung 18 der Düse 19 ausgetrieben (gejettet). Wenn das Dosierventil öffnet, bewegt die Feder 20 die Ventilnadel 16 in die in 3 dargestellte Position zurück, so dass das unter einem leichten Druck von beispielsweise etwa 0,5 bar stehende Medium in den Medienkanal 65 nachströmen kann ohne jedoch aus der Düsenöffnung 18 auszutreten.
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Es sei darauf hingewiesen, dass der obere Abschnitt 82 der Ventilnadel 16 einen Durchmesser von etwa 1 mm, der untere Abschnitt 84 der Ventilnadel einen Durchmesser von etwa 0,5 mm und die Düsenöffnung 18 einen Durchmesser von etwa 100 µm aufweisen kann.
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Der zum Dosieren und Jetten erforderliche Druck wird beim Eintauchen des vorderen Endes der Ventilnadel 16 in den Medienkanal 65 aufgebaut. Die hierzu erforderliche sehr schnelle Bewegung der Nadel wird durch den piezoelektrischen Antrieb 12 ermöglicht. Da das erfindungsgemäße Ventil dichtsitzfrei ist, wird die kinetische Energie der Ventilnadel und des diese antreibenden Stößels 22 nicht in einen Ventilsitz sondern auf das Medium übertragen, wodurch sich eine gute Tropfenbildung erzielen lässt. Da das Medium nicht zwischen zwei Flächen gepresst oder gequetscht wird sondern allenfalls entlang einer scharfkantigen Dichtkante abgeschert wird, lässt sich das Ventil mit verbesserter Standzeit betreiben
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Um die zum Jetten benötigte Energie zu erhöhen und/oder das im Medienkanal 65 befindliche Medium mechanisch zu belasten (zu schütteln) weist das erfindungsgemäße Ventil in dem Ventileinsatz neben der Ventilnadel 16 ein weiteres bewegliches Element in Form eines Einsatzes 100 auf, der das Ventil 19, die Ventilöffnung 18 und den (unteren) Teil des Medienkanals 65 bildet. Wie 3 verdeutlicht, umfasst der den unteren Teil des Medienkanals 65 bildende Bereich des Einsatzes 100 einen zylindrischen Abschnitt 102, an den sich ein sich kegelförmig verjüngender Abschnitt 104 anschließt, der Bestandteil der Düse 19 ist.
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3 zeigt ferner, dass der Einsatz 100 über eine Kontermutter 106 mit einem Zwischenstück 108 verschraubt ist, das wiederum in einen Bügel 110 eingeschraubt ist, der in einer Aussparung 112 des Einsatzes 60 koaxial zur Bewegungsrichtung der Ventilnadel 16 verschiebbar ist. Um dabei eine koaxiale Ausrichtung zu gewährleisten, ist in der Aussparung 112 eine Linearführung 114 für den Bügel 110 vorgesehen.
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Durch eine Bewegung des Einsatzes 100 koaxial zur Längsachse des Medienkanals 65 und koaxial zur Bewegungsrichtung und zur Längsachse der Ventilnadel 16 lässt sich das Volumen innerhalb des Medienkanals 65 verändern, das sich zwischen der Ventilnadel 16 und der Öffnung 18 der Düse 19 befindet. Wie 3 nämlich gezeigt, ist das untere Ende der Nadelhülse 76 durch einen hülsenförmigen Abschnitt 77 gebildet, der passgenau in den zylindrischen Abschnitt 102 des Einsatzes 100 eingesetzt ist. Wird somit der Einsatz 100 in 3 nach oben verschoben, so verringert sich das Volumen des Medienkanals. Wenn dabei die Ventilnadel 16 den Medienkanal 65 verschließt, wird das im Medienkanal 65 befindliche Medium komprimiert. Hierdurch kann durch eine Abwärtsbewegung der Ventilnadel 16 und durch eine gleichzeitige Aufwärtsbewegung des Einsatzes 100 die in das in dem Medienkanal 65 befindliche Medium eingebrachte Energie erhöht werden. Auch ist es möglich, durch eine synchrone Bewegung von Ventilnadel 16 und Einsatz 100, bei der kein Medium aus der Düsenöffnung 18 austritt, das im Medienkanal 65 befindliche Medium „zu schütteln“, um dessen Viskosität zu verringern.
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2 zeigt in perspektivischer Ansicht den Ventileinsatz 60 von 1, wobei gut erkennbar ist, dass sich der Bügel 110 quer durch die Aussparung 112 erstreckt. Um eine Auf- und Abwärtsbewegung des Bügels 110 in der Aussparung 112 zu erreichen, ist eine Stelleinrichtung in Form zweier Piezostapel 120 und 122 vorgesehen, die unter dem Namen TorqueBlock im Markt bekannt sind, und mit denen die in 2 äußeren linken Enden der Piezostapel in eine Kippbewegung versetzt werden können. Über eine Halterung 130 wird die Kippbewegung auf den Bügel 110 übertragen, der aufgrund seiner Führung in der Aussparung 112 in der Aussparung eine Linearbewegung durchführt. Hierzu weist die Halterung 130 zwei mit dem Bügel 110 verbundene Festkörpergelenke 132 und 134 auf sowie zwei Festkörpergelenke 136, welche die Halterung 130 mit einer Basis 140 des Ventileinsatzes 60 verbinden. In der Basis befindet sich auch eine Platine 142 mit elektrischen Schaltkreisen zum Ansteuern der Piezoelemente 120 und 122.
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Mit dem vorstehend beschriebenen Dosierventil lässt sich zu dosierendes Medium, das über den Einlass 14 unter einem geringen Druck von etwa 0,5 bar zugeführt werden kann, mit Hilfe der Ventilnadel 16 in den später zu komprimierenden Medienkanal 65 laden. Das Ladevolumen wird dabei durch den Öffnungshub der Ventilnadel, das heißt den Hub der Unterkante der Ventilnadel oberhalb der Kante 70, die Öffnungsdauer sowie den Schließhub der Ventilnadel (Hub unter der Kante 70) bestimmt. Die Ansteuerung des Ventilantriebs über die Steuerung 30 erlaubt eine sehr genaue Steuerung dieser Parameter und durch die integrierte Wegmessung 32 des Ventilantriebs können diese Parameter überwacht und bei Drift korrigiert werden.
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Das Austragen des Mediums, das heißt das Jetten in Tropfenform, erfolgt sobald der Medienkanal 65 von der Ventilnadel 16 (abgesehen von der Düsenöffnung 18) verschlossen ist, das heißt wenn sich die Unterkante der Ventilnadel 16 unterhalb der Kante 70 befindet und das Laden beendet ist. Zum Jetten wird der Einsatz 100 durch die Piezoantriebe 120 und 122 nach oben bewegt, indem der Bügel 110 in der Aussparung 112 nach oben bewegt wird. Hierdurch wird das Volumen im Medienkanal abrupt verringert, es entsteht ein Überdruck im Medienkanal und ein Tropfen des Mediums wird durch die Düse 19 gejettet. Um die Energie beim Komprimieren des Medienkanals weiter zu erhöhen, kann parallel zur Aufwärtsbewegung des Einsatzes 100 (Boosterbewegung) die Ventilnadel 16 weiter nach unten bewegt werden. Hierdurch das Volumen des Medienkanals 65 gleichzeitig von beiden Seiten verringert. Die Volumenänderung ist hierdurch schneller und der dadurch erzeugte Druck ist höher.
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Beim Laden des Medienkanals 65 kann durch eine schnelle Aufwärtsbewegung der Ventilnadel 16 - vor allem solange sich diese noch unterhalb der Schließkante 70 befindet und damit das Volumen des Medienkanals 65 noch abgeschlossen ist, ein Unterdruck entstehen. Dieser Unterdruck kann jedoch zu Blasenbildung im Medium führen und sollte deshalb vermieden werden. Hierzu kann der Einsatz 100 während des Anhebens der Ventilnadel, das heißt während des Öffnens des Medienraums nach oben, auch mit angehoben werden und beim Schließen wiederum etwas abgesenkt werden.
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4 zeigt den typischen Verlauf der Ansteuerspannung des Ventilantriebs (Piezoelement 12, in 4 gestrichelt dargestellt) sowie des Boosterantriebs (in 4 durchgezogen dargestellt), das heißt des Antriebs durch die beiden Piezoelemente 120 und 122. Der Ventilantrieb 12 sowie die Stelleinrichtung für die Bewegung des Einsatzes 100 in Form der beiden Piezoelemente 120 und 122 können durch die Ansteuerelektronik 30 und 142 und durch die Zentralsteuerung unabhängig voneinander verändert und geregelt werden, das heißt auch zeitlich gegeneinander verschoben werden. Hierdurch kann der gesamte Jetzyklus, bestehend aus Lade- und Boost-Prozess sehr gut angepasst und optimiert werden.
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Weiterhin lässt sich bei thixotropen Medien mit dem vorstehend beschriebenen Ventil die Viskosität durch gezielte mechanische Belastung des Mediums verringern. Eine reduzierte Viskosität wirkt sich vorteilhaft auf das Jetten aus, da weniger Energie zum Jetten des Tropfens notwendig ist und sich der Tropfen leichter von der Düse löst. Hierzu werden sowohl Boosterantrieb wie auch Ventilantrieb mehrfach gleichzeitig parallel nach oben und unten bewegt, das heißt synchron bewegt. Hierdurch wird das Medium im Medienkanal mechanisch belastet (geschüttelt), jedoch bleibt das Volumen des Medienkanals hierbei unverändert und somit entsteht auch kein Druckimpuls, der zum Ablösen eines Tropfens führen könnte.
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Bei der vorstehend genannten Bewegung ist das Verhältnis zwischen der wirksamen Fläche der Ventilnadel 16 und der wirksamen Fläche des Einsatzes 100 zu berücksichtigen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser der durch den Einsatz 100 bewegten Kreisfläche doppelt so groß wie die Kreisfläche der in den Medienraum 65 eintauchenden Ventilnadel 16. Dementsprechend muss der Hub des Einsatzes 100 nur ein Viertel des Hubs der Ventilnadel betragen, da durch beide Bewegungen das gleiche Volumen verdrängt werden soll.
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Die mechanische Belastung des Mediums zur Reduzierung der Viskosität kann in Abhängigkeit von den Medieneigenschaften n-mal vor jedem Jetten durchgeführt werden. Vor allem auch bei Pausen zwischen einzelnen Dosierungen kann damit die Viskosität des Mediums niedrig gehalten werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017118241 [0004]
- EP 0947002 B1 [0033]
