DE19963549A1 - Elektronisch gesteuertes Nadeldosierventil - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektronisch gesteuertes Nadeldosierventil zur kontinuierlichen Dosierung eines Volumenstromes chemisch reaktiver Fluide, insbesondere Lacke, Farben und Verdünnungen zur Verwendung für die Fettigkeitseinstellung des Sprühstrahles in Spritzeinrichtungen, wobei die translatorische Bewegung der Dosiernadel zu der Austrittsöffnung mit definiertem Querschnitt über eine Hutmutter, die mit einer durch einen Elektromotor angetriebenen Spindelwelle verbunden ist, erfolgt, welche durch eine Führung an einer Rotation gehindert und zu einer linearen Bewegung gezwungen wird, wobei auf dem Absatz der Spindelwelle eine Inkremental- oder Encoderscheibe angebracht ist, um mittels einer optischen Lichtschranke die Hubbewegung über den Drehwinkel der Welle zu steuern und über die nachgeschaltete Prozessoreinheit ein Soll-Ist-Vergleich realisiert werden kann. Die hermetische Dichtung an der Dosiernadel gegenüber dem Antriebssystem erfolgt durch einen an der Nadel und an dem Gehäuse fixierten Schlauch aus einem eleastischen Material, wobei der Schlauch bei geschlossener Austrittsöffnung gedehnt ist und somit einen leichten Gegendruck auf die Antriebseinheit ausübt, so daß eventuelle Spiele aus dem System gedrückt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisch gesteuertes Nadeldosierventil zur kontinuierlichen Dosierung eines Volumenstromes chemisch reaktiver Fluide, insbesondere Lacke, Farben und Verdünnungen zur Verwendung für die Fettigkeitseinstellung des Sprühstrahles in Spritzeinrichtungen, wobei die translatorische Bewegung der Dosiernadel zu der Austrittsöffnung mit definiertem Querschnitt über eine Hutmutter, die mit einer durch einen Elektromotor angetriebenen Spindelwelle verbunden ist, erfolgt, welche durch eine Führung an einer Rotation gehindert und zu einer linearen Bewegung gezwungen wird, wobei auf dem Absatz der Spindelwelle eine Inkremental- oder Encoderscheibe angebracht ist, um mittels einer optischen Lichtschranke die Hubbewegung über den Drehwinkel der Welle zu steuern und über die nachgeschaltete Prozessoreinheit ein Soll-Ist Vergleich realisiert werden kann. Die hermetische Dichtung an der Dosiernadel gegenüber dem Antriebssystem erfolgt durch einen an der Nadel und an dem Gehäuse fixierten Schlauch aus einem elastischen Material, wobei der Schlauch bei geschlossener Austrittsöffnung gedehnt ist und somit einen leichten Gegendruck auf die Antriebseinheit ausübt, so daß eventuelle Spiele aus dem System gedrückt werden.

Die Realisierung einer stufenlosen Verstellung eines kontinuierlichen Volumenstromes eines Fluides mit Hilfe eines elektronisch gesteuerten Nadelventiles durch den gesteuerten elektromotorischen Antrieb eines Schraubengetriebes und der Abdichtung der Nadel vom Fluidsystem mit einer elastomeren Schlauchdichtung in Kombination für den Einsatz bei chemisch aggressiven Medien nicht bekannt.

Nadelventile werden in vielen Bereichen der Technik zum Verstellen von Durchflußmengen von Fluiden an Düsen oder anderen definierten kreisförmigen Öffnungen genutzt. Auch im Bereich der Spritzpistolen oder anderer Spritzeinrichtungen werden Nadelventile zur Verstellung der Fettigkeit eines Farb- oder Lackstrahles angewendet, wobei die Problematik der Abkapselung des Fluidsystemes vom Verstellmechanismus der Nadel nach dem bewährten Prinzip der nachstellbaren Stopfbuchse, welche gegen eine Dichtung oder einen Dichtring drückt, erfolgt. Da in vielen technischen Bereichen, unter anderem der Farbspritztechnik, mit Verdünnungen und Lösungsmitteln gearbeitet wird, werden viele Dichtungsmaterialien chemisch angegriffen, so daß diese Dichtungen ausgewechselt werden müssen. Da die Stopfbuchse einen starken Quetschdruck auf die Nadel realisiert, wurde, um eine Dichtheit zu gewährleisten, die Nadel aufgrund hoher zu überwindender Zugkräfte bisher durch mechanische Hebelmechanismen verstellt.

Weiterhin werden für technische Anwendungen oft sehr komplizierte Dichtungs- und Passungssysteme geschaffen, um druckbeaufschlagte Fluide durch ein Nadelventil zu dosieren z. B. Offenlegungsschrift DE 37 20 738, so daß diese Ventile sehr kostenintensiv in der Fertigung und Wartung sind.

Für die Lösung der Abdichtung linear beweglicher Verstellmechanismen z. B. an Kolben oder Gewindespindeln existieren Dichtungsvarianten in Form von Membranen, Bälgen oder Schlauchmembranen aus elastomeren Werkstoffen, jedoch ist eine Anwendung dieser Möglichkeiten im Lackier- und Spritztechnikbereich nicht bekannt, da nicht jedes Elastomer chemisch resistent gegen Substanzen in bestimmten Verdünnungen und Lösungsmitteln ist.

Als bekannt ist die Existenz von Schraubengetrieben als eine Form von Differentialgetrieben zu sehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde eine einfache, kostengünstige und hermetisch dichte Dosiereinrichtung zum stufenlosen kontinuierlichen und elektronisch reproduzierbar gesteuerten Dosieren eines, durch einen definierten Querschnitt strömenden Fluides, mittels eines Nadelventiles zu realisieren, die dabei auftretende Dichtproblematik trotz linearer Verstellbewegung zu gewährleisten mit der zusätzlichen Maßgabe der Ermöglichung der Druckbeaufschlagung des Fluides, sowie die chemische Resistenz des Dichtungsmaterials gegenüber, insbesondere Lösungsmitteln und Verdünnungen, zu sichern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß wie folgt gelöst. Realisiert wird die translatorische Bewegung einer Dosiernadel, in einer hermetisch nach außen abgeschlossenen Ventilkammer, zu einer Austrittsöffnung mit definiertem Querschnitt, indem die Hutmutter, einer durch einen Elektromotor angetriebenen Spindelwelle, welche in geeigneter Weise, z. B. starr, mit der Nadel gekoppelt ist, durch eine Führung, z. B. Stiftführung in einer Nut, an einer Rotation gehindert und zu einer linearen Bewegung gezwungen wird. Durch einen Absatz auf der Spindelwelle wird eine translatorische Bewegung dieser durch ein Fixierungselement z. B. eine mit sehr geringem Spiel behaftete Paralellführung verhindert. Die Spindelwelle ist am Ende auch gleichzeitig Teil einer Kupplung welche Motor und Welle verbindet und über einen geeigneten bekannten Mechanismus den Motor vor Überlastung schützt. Um ein möglichst geringes Spiel in der Hubbewegung zu haben, wird ein Feingewinde auf Hutmutter und Welle verwendet. Auf dem Absatz der Spindelwelle ist eine Inkremental- oder Encoderscheibe angebracht, um mittels einer optischen Lichtschranke die Hubbewegung über den Drehwinkel, bei bekannter Gewindesteigung, zu steuern und über die nachgeschaltete Prozessoreinheit einen Soll-Ist Vergleich zu realisieren und gegebenenfalls bei Erreichen des Ist-Wertes den Motor abzuschalten. Durch das Absenken der Drehzahl vor Erreichen des Istwertes durch Realisierung in der Steuerung, wird ein Nachlaufen des Motors über den Istwert verhindert. Weiterhin wird durch Montage eines Untersetzungsgetriebes vor den Motor das Nachlaufen schon von vornherein verringert. Der Zustand "geschlossene Austrittsöffnung" wird mit einem Hilfsfluid geeicht und dient als Referenznullpunkt für die Steuerung, so daß ein Gegenstoßen und mögliches Verklemmen der Nadel verhindert wird. Bei Steuerungsausfall oder fester Nadel schützt eine geeignete Kupplung den Elektromotor vor einem Kurzschluß.

Die Realisierung einer hermetischen Dichtung nach außen an der Dosiernadel mit der Möglichkeit einer Gewährleistung der Linearbewegung wird durch spezielle Befestigung eines elastische Schlauches an der Nadel und auf einem kegelförmigen Aufnahmenippel mit einer Bohrung zur Durchführung der Nadel, realisiert und durch die Wahl eines speziellen Silikons bzw. ähnlichen elastischen Materiales die chemische Resistenz gewährleistet.

Silikone neigen in Verbindung mit Isomerengemischen Verdünnungen, Lösungsmitteln zu einem Quellen durch Eindiffundieren von Verdünnungsmolekülen in den Schlauch, wobei sich schnell ein Diffusionsgleichgewicht im Schlauch einstellt, jedoch eine Zersetzung des Materials bei Berührung mit gängigen Verdünnungsmitteln, wie Terpentin, Nitroverdünnung oder Xylol-Isomerengemischen nicht erfolgt, so daß dieses Material zur Realisierung der Dichtung und der linearen Verstellbewegung, bei Bewegung im elastischen Bereiches des Schlauches, geeignet ist. Der Transport des Fluides erfolgt durch Unterdruck oder Überdruckbeaufschlagung des Fluides. Voraussetzung für ein einwandfreies Arbeiten des Ventiles ist die sofortige Reinigung des Ventils nach der Nutzung oder die Realisierung eines geschlossenen luftlosen Systems und eine Filterung der Fluide auf Grobpartikel.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles mit den zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine beispielhaftes Nadelventil,

Fig. 2 eine Vergrößerung des Längsschnittes zur Darstellung des Dichtungsbefestigungsprinzips.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein beispielhaftes Nadelventil mit den lösbar miteinander verbundenen Bauteilen Ventilgrundkörper 1, Aufnahme- bzw. Fixierungselement 2 und Motorbefestigungssegment 3. In den Ventilgrundkörper 1 sind die Austrittsöffnung 6, der Einlaufkanal mit Gewinde 9, die in Verbindung mit der Fluidkammer 20 stehen, und ein Gewinde mit anschließender Führung für den Aufnahmenippel 10 integriert. Des weiteren dient ein Absatz und eine anschließende Längsnut 22 im Ventilgrundkörper 1 als Freiraum für die Linearbewegung der Hutmutter 13 und als Linearführung eines in die Hutmutter 13 befestigten Führungsstiftes 12. Das Fixierungselement 2 dient der Lagerung und linearen Fixierung des Absatzes auf der Spindelwelle 15 mit dem Platz für die Inkremental- oder Encoderscheibe 16. Das Motorbe­ festigungssegment 3 nimmt den Elektromotor 19, welcher mit einem Untersetzungsgetriebe gekoppelt ist, auf.

Der Aufnahmenippel 10 trägt einen in Richtung Austrittsöffnung 6 verlaufenden leicht konischen Absatz 10A, welcher das eine Ende des Schlauches 8 mit Befestigungselementen 5 aufnimmt. Das andere Ende des Schlauches 8 wird auf der Nadel 4, welche auch eine kleine Nut besitzt, über Befestigungselemente 7 aufgebracht, wie das noch näher in Fig. 2 beschrieben wird.

Die Bohrung der Nadeldurchführung für die Nadel 4 im Aufnahmenippel 10 verläuft axial zur Austrittsöffnung 6, wobei die Bohrung eine Beweglichkeit der Nadel in y-Richtung zuläßt. Die axiale Ausrichtung wird durch eine Führung vor dem Einschraubgewinde des Nippels 10 realisiert. Das Außengewinde 21 preßt weiterhin einen Dichtring 17 gegen den Ventilgrundkörper 1 und dichtet die Fluidkammer 20 nach außen ab. Die Nadel selbst wird im Nippel 10 nicht geführt und hat ein Spiel, so daß die Nadel niemals an dieser Stelle verklemmen kann. Die Nadel 4 hat an ihrer Spitze einen definierten Konus, der je nach linearem Hub der Nadel den gewünschten Querschnitt für einen gewünschten Volumenstrom frei gibt. Der Konus der Nadel 4 wird nur so weit zurückgezogen, wie eine Führung der Nadel in der Austrittsöffnung 6 erhalten bleibt. Die Austrittsöffnung 6 hat denselben Winkel wie der Konus der Nadel 4 und dient gleichzeitig als ein Lagerpunkt der Nadel 4. Am Ende der Nadel 4 ist diese im Beispiel durch eine Passung 11 starr mit der Hutmutter 13 verbunden, welche durch ein Innengewinde ebenfalls starr mit der Hutmutter 13 verbunden ist. Die Hutmutter 13 besitzt ein Feininnengewinde und nimmt die Spindelwelle 15 ebenfalls mit einem Feingewinde auf. Die Spindelwelle 15 ist am Ende gleichzeitig ein Teil der Kupplung 18.

Der andere Teil der Kupplung ist Teil der Welle, welche vom Untersetzungs­ getriebe des Elektromotors 19 kommt. Der Kupplungsmechanismus der Kupplung 18 ist variabel und wurde durch einen bekannten Mechanismus realisiert. Er dient dem Schutz des Motors 19 bei eventuellen Festfahrsituationen. Auf dem Absatz der Spindelwelle 15 ist eine Inkremental- oder Encoderscheibe 16 axial angebracht, über die Impulse und damit der Drehwinkel des Spindelkopfes, durch eine befestigte optische Lichtschranke 14 erfaßt werden können und der defmierte Nadelhub realisiert wird. Diese Impulse werden durch eine beliebige Prozessoreinheit erfaßt und mit Ihrer Hilfe wird der Elektromotor 19 gesteuert. Dieser Absatz der Spindelwelle lagert rotativ beweglich und linear fast starr, auf der Fixierung 2. Der Schlauch 8 ist bei geschlossener Austrittsöffnung 6 und ebenfalls bei maximalem linearen Hub noch gedehnt, und erzeugt einen leichten Gegendruck, so daß eventuelle axiale Spiele z. B. an der Fixierung 2 aus dem System gedrückt werden, wobei das Quellverhalten des Schlauches 8 durch Lösungsmittel und Verdünnungen berücksichtigt wird.

Fig. 2 zeigt eine Vergrößerung des Längsschnittes zur Darstellung des Dichtungsbefestigungsprinzipes auf der Nadel 4 der Schlauchdichtung 8. Die unter Spannung stehende elastische Schlauchverbindungen 8, wie z. B. ein dünnwandiger Silkonschlauch, neigen bei direkter Befestigung mit einem punktförmig wirkenden Befestigungselement, z. B. einem Spannring zum Abscheren und Reißen an dieser Stelle. Durch das Quellen des Schlauches wird dieses abscheren noch begünstigt. Dieses Problem wurde durch überziehen eines Stückes chemisch resistenten Schrumpfschlauches 23, 26 als Zwischenschicht zwischen Spannring 24, 27 und Silkonschlauch 8 gelöst. Diese Zwischenschichten 23, 26 verteilen die Druckkraft der Spannringe 24, 27 auf eine größere Fläche und drückt dabei aber noch den Schlauch 8 in die Rundnuten auf Nadel 4 und Nippel 10 für eine bessere Fixierung des Schlauches an beiden Enden, welche unbeweglich sind. Weiterhin verhindert die Zwischenschicht das Quellen des Schlauches an den befestigten Enden. Zwischen beiden Einspannungen liegt der dehnbare Bereich des Schlauches, welcher die Linearbewegung sichert. Die Anordnung des Schlauches 8 nach vorn begünstigt eine Druckbeaufschlagung des Fluides, da der Schlauch 8 gegen die Nadel gedrückt wird. Der Dichtring 17 auch aus einem chemisch resistenten Material, wird durch das Gewinde 21 des Nippels 10 an eine Dichtfläche am Teil 1, zum Abdichten des Fluidsystemes am Außendurchmesser, gepreßt.

In Funktion einer erfindungsgemäßen Spritzeinrichtung wird die genaue Positionierung der Nadel 4 durch eine auf dem Kopf der Spindel 15 aufgesetzte Inkremental- oder Encoderscheibe 16 realisiert, die durch eine befestigte optische Lichtschranke 14 Impulse und damit den Drehwinkel des Spindelkopfes erfaßt. Diese Impulse werden durch eine beliebige und nicht näher dargestellte Prozessoreinheit vorwärts und rückwärts gezählt und mit Ihrer Hilfe wird der Elektromotor 19 durch Ist-Sollwert-Vergleich gesteuert.

Zur Grundjustierung einer mit dem elektronisch gesteuerten Dosiernadelventil ausgestatteten Spritzeinrichtung kann der Zustand "geschlossene Austritts­ öffnung 6" mit einem Hilfsfluid geeicht wird und als Referenzpunkt für die Steuerung dienen, so daß ein Gegenstoßen und mögliches Verklemmen des Nadelkonus der Nadel 4 verhindert wird. Der Schlauch 8 ist bei geschlossener Austrittsöffnung 6 und auch bei maximalem linearen Hub noch gedehnt und erzeugt einen leichten Gegendruck, so daß eventuelle axiale Spiele aus dem System gedrückt werden, wobei das Quellverhalten des Schlauches 8 durch Lösungsmittel- und Verdünnungen berücksichtigt wird. Außerdem drückt der Fluiddruck bei Druckbeaufschlagung des Ventiles die Nadel 4 ebenfalls so, daß axiale Spiele weggedrückt werden und eine genaue Wiederholbarkeit möglich ist. Das vorgeschlagene elektronisch gesteuerte Dosierventil eignet sich durch die sehr kompakte und einfache, sowie kostengünstigen Bauweise zur Verwendung insbesondere in beweglichen und/oder stationären Spritzeinrichtungen, z. B. Spritzpistolen oder Spritzkammern, auch dazu, in jeglicher Art von Dosiereinrichtung für Fluide oder Gase genutzt zu werden.

Liste der Bezugszeichen

1

Ventilgrundkörper

2

Aufnahme- bzw. Fixierungselement

3

Motorbefestigungssegment

4

Nadel

5

Befestigungselemente

6

Austrittsöffnung

7

Befestigungselemente

8

Schlauch

9

Einlaufkanal mit Gewinde

10

Aufnahmenippel

10

A Absatz

11

Passung

12

Führungsstift

13

Hutmutter

14

Lichtschranke

15

Spindelwelle

16

Encoderscheibe

17

Dichtring

18

Kupplung

19

Elektromotor

20

Fluidkammer

21

Aussengewinde

22

23

Schrumpfschlauch

24

Spannring

25

26

Schrumpfschlauch

27

Spannring

Claims (8)

1. Elektronisch gesteuertes Nadeldosierventil zur kontinuierlichen Dosierung eines Volumenstromes und für die Fettigkeitseinstellung des Sprühstrahles einer Spritzeinrichtung für flüssige und gasförmige Medien, dadurch gekennzeichnet, daß die definierte Verstellung des Durchflußquerschnittes an der Austrittsöffnung (6) der zur Antriebsseite hermetisch abgedichteten Fluidkammer (20) mittels einer Dosiernadel (4) erfolgt, die linear bewegbar ist durch einen Motor (19) mit einer reproduzierbaren Drehwinkelsteuerung (14, 16), wobei die Umsetzung der Rotationsbewegung des Antriebsmotors (19) zur Linearbewegung der Nadel (4) mittels einer Schraubverbindung (13, 15) erfolgt.

2. Elektronisch gesteuertes Nadeldosierventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung der Fluidkammer (20) an der Dosiernadel (4) zur Antriebsseite durch ein elastisches Schlauchsystem (5, 7, 8,) erfolgt.

3. Elektronisch gesteuertes Nadeldosierventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch (8) zwischen Nadel (4) und den von der Nadel (4) zentrisch durchdrungenen Aufnahmenippel (10) mittels Spannringen (24, 27) gehalten ist, wobei adequate ringförmige Vertiefungen in der Nadel (4) und dem Absatz (10A) des Aufnahmenippels (10) vorhanden sind.

4. Elektronisch gesteuertes Nadeldosierventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Spannringen (24, 27) und Schlauch (8) Zwischenschichten (23, 26) als Schrumpfschläuche vorhanden sind.

5. Elektronisch gesteuertes Nadeldosierventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Geschlossenstellung der Fluidkammer (20), bei Dichtheit der Nadel (4) an der Austrittsöffnung (6), der Schlauch (8) eine in Richtung Antriebseinrichtung (19) wirkende Vorspannung aufweist.

6. Elektronisch gesteuertes Nadeldosierventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Elektromotor (19) über die Kupplung (18) an die mit der Encoderscheibe (16) verbundene Spindelwelle (15) gelangte Rotationsbewegung, durch die mit der Spindelwelle (15) formschlüssig verbundene Hutmutter (13) in eine Linearbewegung versetzt wird, wobei die Hutmutter (13) durch einen, in einer Nut (22) geführten Führungsstift (12), in Achsrichtung linear bewegbar ist.

7. Elektronisch gesteuertes Nadeldosierventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nadel (4) an der Passung (11) mit der Hutmutter (13) fest verbunden ist.

8. Elektronisch gesteuertes Nadeldosierventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Fluidkammer (20) und Aufnahmenippel (10) ein Dichtring (17) vorhanden ist.