DE202004002167U1

DE202004002167U1 - Dosierventil

Info

Publication number: DE202004002167U1
Application number: DE200420002167
Authority: DE
Original assignee: Pico Dosiertechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Pico Dosiertechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2004-02-12
Filing date: 2004-02-12
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2014-02-13

Abstract

Dosierventil zum Ausbringen kleinster Mediummengen auf ein Werkstück im Jetverfahren, mit einem Ventilkopf (5), der eine Austrittsöffnung (8, 26) sowie ein dieser zugeordnetes Ventilelement (9) zum Öffnen und Verschließen der Austrittsöffnung (8, 26) besitzt, sowie einer dem Ventilkopf (5) zugeordneten Jeteinrichtung, mit Hilfe derer das Medium in Form von Tröpfchen und/oder Strahlen aus dem Ventilkopf (5) herausschieß- bzw. spritzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Ventilkopf (5) eine Dosiernadel (15) sitzt, die nach Art einer Düse derart ausgebildet ist, dass das Medium in Form von Tröpfchen und/oder Strahlen aus der Dosiernadel (15) herausschießbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Dosierventil zum Ausbringen kleinster Mediummengen auf ein Werkstück im Jetverfahren, mit einem Ventilkopf, der eine Austrittsöffnung sowie ein dieser zugeordnetes Ventilelement zum Öffnen und Verschließen der Austrittsöffnung besitzt, sowie einer dem Ventilkopf zugeordneten Jeteinrichtung, mit Hilfe derer das Medium in Form von einem Tröpfchen oder Strahl aus dem Ventilkopf herausschieß- bzw. spritzbar ist.
In modernen Herstellungsprozessen müssen oftmals kleinste Mediummengen auf Werkstücke aufgebracht werden. Dies können Öle, Schmierstoffe oder Klebstoffe im Bereich des Maschinenbaus, Reiniger oder keimtötende Mittel im Bereich der medizinischen oder pharmazeutischen Industrie, Lacke, Flussmittel, Beschichtungsmittel und dergleichen in der elektronischen Industrie, aber auch Lebensmittelfarben oder -inhaltsstoffe in der Lebensmitteltechnologie sein. Ein besonderes Problem stellt sich dabei, wenn solche minimalen Mediummengen nicht auf ein ebenes Werkstück, sondern in eine schmale und tiefe Kavität, wie z. B. eine Bohrung, einzubringen sind.
In der Dosiertechnik gibt es zum Ausbringen kleinster Mediummengen grundsätzlich zwei unterschiedliche Techniken. Einerseits wird mit sogenannten Jetventilen das Medium tröpfchen- oder strahlweise auf das Werkstück aufgebracht. Hier wird mit hohen Drücken gearbeitet, so dass die gewünschte Mediummenge aus der Austrittsöffnung des Ventilkopfes herausgeschossen und auf das Werkstück auftrifft, nachdem es den Ventilkopf vollständig verlassen hat. Aufgrund der hohen Drücke sind die Ventilköpfe solcher Jetventile jedoch relativ massiv. Mehrere Millimeter im Durchmesser sind durchaus üblich und im Vergleich zu den miniaturisierten Bauteilen bzw. Bauteilpunkten, auf die die Mediummengen aufzubringen sind, sehr groß. Es ist daher kaum möglich, in schmale und tiefe Kavitäten, wie beispielsweise Bohrungen, zu jetten, da der Dosierabstand zu groß wird und die Positioniergenauigkeit des Mediums stark abnimmt.
Weiterhin sind Dosierventile mit Dosiernadel bekannt, bei denen mit relativ geringen Drücken gearbeitet wird, da das Medium nicht im Jetverfahren herausgeschossen, sondern nur aus der Nadelspitze herausgedrückt wird. Die Nadelspitze wird dabei so nah auf das Werkstück gefahren, dass die herauslaufende Mediummenge sofort auf das Werkstück trifft. Mit solchen Dosiernadeln ist es zwar möglich, in tiefe, schmale Spalte oder Bohrungen zu dosieren, da die Dosiernadel bis zum Grund der Kavität eingeführt werden kann. Solche herkömmlichen Dosiernadeln erzeugen jedoch einen hohen Staudruck, der insbesondere bei niedrigviskosen Medien nachteilig ist. Wird hier mit höheren Drücken gearbeitet, treten Undichtigkeiten am Nadelkonus auf, so dass auch solche herkömmlichen Dosiernadeln es nicht ermöglichen, kleinste Mediummengen in der gewünschten Weise in tiefe, schmale Kavitäten zu dosieren.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Dosierventil der eingangs genannten Art zu schaffen, das Nachteile des Standes der Technik vermeidet und letzteren in vorteilhafter Weise weiterbildet. Insbesondere soll es in effizienter Weise möglich sein, kleinste Mediummengen präzise auch in tiefe, schmale Kavitäten einzubringen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Dosierventil gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß sitzt also auf dem Ventilkopf des Jetventils eine Dosiernadel, die nach Art einer Düse derart ausgebildet ist, dass das Medium in Form von Tröpfchen und/oder Strahlen aus der Dosiernadel herausschießbar ist. Die Fachwelt ist bislang in dem Vorurteil verharrt, dass bei Jetventilen, die mit sehr hohen Drücken auf das zu dosierende Medium arbeiten, eine Dosiernadel nicht erfolgreich verwendbar ist. Überraschenderweise kann jedoch sehr wohl im Jetverfahren mit einer Dosiernadel gearbeitet werden, so dass das auszubringende Medium durch die Dosiernadel hindurch, die nach Art einer Düse ausgebildet ist, in Form von Tröpfchen oder Strahlen aus der Dosiernadel herausgeschossen wird. Dies erlaubt eine besonders effiziente und präzise Dosierung des Mediums in tiefe Kavitäten hinein. Insbesondere tiefe Sacklockbohrungen können am Boden mit dem Medium versehen werden.
In Weiterbildung der Erfindung kann der Mediumkanal im Inneren der Dosiernadel derart ausgebildet sein, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums in dem Strömungskanal der Dosiernadel zur Nadelspitze hin stetig zunimmt.
Vorteilhafterweise nimmt der Durchmesser des Strömungskanals der Dosiernadel zu deren Spitze hin, die die Austrittsöffnung bildet, ab. Insbesondere kann die Dosiernadel derart ausgebildet sein, dass der Querschnitt des Strömungskanals zur Nadelspitze hin gesehen keine erweiternden Abschnitte besitzt und der Strömungsquerschnitt in einem stromab liegenden Kanalabschnitt stets kleiner ist als in einem dazu relativ weiter stromauf liegenden Kanalabschnitt.
Eine besonders ausgeprägte Eignung der Dosiernadel für das Jetverfahren wird überraschenderweise dann erreicht, wenn der Mediumkanal mehrere aneinander anschließende Kanalabschnitte mit unterschiedlicher Konizität aufweist. Grundsätzlich wäre es möglich, den Strömungskanal im Inneren der Dosiernadel kontinuierlich leicht konisch auszubilden, so dass der Austrittsquerschnitt kleiner ist als der Eintrittsquerschnitt. Man könnte meinen, dass mit einem solchen harmonischen Querschnittsverlauf günstige Strömungsverhältnisse und damit eine präzise Dosierbarkeit erreicht wird. Überraschenderweise hat es sich jedoch als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn dem nicht so ist und der Mediumkanal Abschnitte mit unterschiedlicher Stärke der Konizität besitzt.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung besitzt der Mediumkanal einen ersten Kanalabschnitt mit geringerer Konizität, einen daran stromab anschließenden zweiten Kanalabschnitt mit im Vergleich zum ersten Kanalabschnitt stärkerer Konizität, ferner einen an den zweiten Kanalabschnitt stromab anschließenden dritten Kanalabschnitt mit im Vergleich zum zweiten Kanalabschnitt geringerer Konizität sowie schließlich einen vierten, an den dritten Kanalabschnitt stromab anschließenden Kanalabschnitt mit im Vergleich zum dritten Kanalabschnitt wiederum stärkerer Konizität.
Vorteilhafterweise ist die Dosiernadel derart ausgebildet, dass ein Geschwindigkeitsmaximum unmittelbar am Nadelaustritt erreicht wird. In Weiterbildung der Erfindung kann am Nadelauslass ein blendenartiger Vorsprung vorgesehen sein, der den Strömungsquerschnitt in der Dosiernadel an deren Austrittsöffnung verjüngt.
Der Durchmesser des Strömungskanals der Dosiernadel kann grundsätzlich variieren und an die auszubringenden Medien angepasst werden. Typischerweise besitzt die Dosiernadel in Weiterbildung der Erfindung einen Nadelauslassdurchmesser im Bereich von 150 μm bis 450 μm, vorzugsweise etwa 250 bis 350 μm. Die stromauf des Nadelauslasses liegenden Kanalabschnitte besitzen je nach Konizität einen etwas größeren Durchmesser.
Die Längenverhältnisse der verschiedenen Kanalabschnitte der Dosiernadel können ebenfalls variieren. Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn der oben genannte erste Kanalabschnitt eine größere Länge besitzt als die zweiten, dritten und vierten Kanalabschnitte zusammen. Das Verhältnis von Nadellänge zum Nadelaus lassdurchmesser beträgt, insofern es sich um eine Nadel handelt, naturgemäß mindestens 10, ist vorteilhafterweise jedoch größer als 15 und beträgt vorzugsweise zwischen 20 und 40. Gemäß einer Ausführung der Erfindung kann das Verhältnis von Nadellänge zu Nadelauslassdurchmesser etwa 30 betragen.
Um eine einfache Handhabung des Dosierventils zu ermöglichen, ist die Dosiernadel nach einer Weiterbildung der Erfindung lösbar an dem Ventilkopf befestigt. Es versteht sich, dass die Dosiernadel auch integraler Bestandteil des Ventilkopfes sein könnte. Die lösbare Befestigung der Dosiernadel besitzt jedoch den Vorteil, dass einerseits die Dosiernadel wechselbar ist. Andererseits kann das Dosierventil auch ohne Dosiernadel wie ein herkömmliches Jetventil verwendet werden. Wenn nicht in tiefe, schmale Kavitäten dosiert werden soll, ist es vorteilhaft, ohne Dosiernadel zu arbeiten. Die lösbare Befestigung der Dosiernadel am Ventilkopf verbreitert den Bereich der optimalen Anwendbarkeit des Dosierventils.
In Weiterbildung der Erfindung kann an der Dosiernadel ein konischer Befestigungsabschnitt vorgesehen sein, mit dem die Dosiernadel auf einen komplementär konisch geformten Aufsteckabschnitt am Ventilkopf aufschiebbar, insbesondere spannbar, ist.
Die Dosiernadel kann unmittelbar an dem Ventilkopf montiert werden. In Weiterbildung der Erfindung ist jedoch an dem Ventilkopf ein Adapterkopf vorgesehen, der dort vorzugsweise lösbar befestigt ist. Die Dosiernadel ist mit dem Adapterkopf verbindbar.
Die eingangs erwähnte Jeteinrichtung des Dosierventils erlaubt es, das zu dosierende Medium in Form von Tröpfchen oder Strahlen aus dem Ventilkopf bzw. der Dosiernadel herauszuschießen. Sie besitzt hierzu eine Druckimpuls-Einrichtung, mittels derer im Ventilkopf anstehendes Medium mit einem Druckstoß beaufschlagbar ist, so dass das Medium durch die Austrittsöffnung am Ventilkopf bzw. an der Dosiernadel herausgedrückt wird. Die Jeteinrichtung kann einen Druckarbeitsbereich von 10 bis 50 bar besitzen. Das zu dosierende und durch den Ventilkopf aus zubringende Medium wird im Ventilkopf mit einem Druck von den genannten 10 bis 50 bar beaufschlagt. Mit solch hohen Drücken kann im Jetverfahren das zu dosierende Medium aus der Austrittsöffnung herausgespritzt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1: eine schematische Teilschnittansicht eines als Jetventil ausgebildeten Dosierventils mit Dosiernadel nach einer bevorzugten Ausführung der Erfindung, bei der eine speziell ausgebildete Dosiernadel mittels eines Adapters auf den Ventilkopf des Jetventils gesetzt ist, und
2: eine vergrößerte Längsschnittansicht der auf dem Adapter sitzenden Dosiernadel aus 1.
Das in 1 gezeigte Jetventil 1 ist vorzugsweise piezoelektrisch angetrieben und besitzt eine ausreichende Druckfestigkeit, um mit Dosierdrücken im Bereich von 30 bis 50 bar zu arbeiten. Wie 1 zeigt, ist in dem Ventilkorpus 2 ein Zufuhrkanal 3 ausgebildet, der mit einem Medienanschluss 4 in Verbindung steht, über den das zu dosierende Medium in das Jetventil 1 zugeführt werden kann. Der Zufuhrkanal 3 führt im Inneren des Ventilkorpus 2 zu einem Ventilkopf 5, mittels dessen das zu dosierende Medium tröpfchen- oder strahlenweise ausgebracht wird.
Wie 1 zeigt, ist in dem Ventilkopf 5 eine Zufuhrkammer 6 ausgebildet, die in Strömungsverbindung mit dem Zufuhrkanal 3 steht und an einer Ventilplatte 7 mündet, in der eine Austrittsöffnung 8 ausgebildet ist, durch die das Medium austreten kann. Der Ventilplatte 7 ist ein bewegliches Ventilelement 9 zugeordnet, mit Hilfe dessen die Austrittsöffnung 8 verschlossen werden kann. An der Ventilplatte 7 ist hierzu ein Dichtsitz ausgebildet, der mit dem Ventilelement 9 zusammenarbeitet. In der gezeichneten Ausführungsform ist der Dichtsitz 10 eine konische Ausnehmung, in der eine Ventilkugel sitzt, die das bewegliche Ventilelement bzw. einen Teil dessen bildet. Über einen längsverschieblich geführten Ventilstößel 11, der piezoelekt risch antreibbar ist, kann die Austrittsöffnung 8 geöffnet und geschlossen werden, so dass das Medium durch die Austrittsöffnung 8 dosiert werden kann.
An der Ventilplatte 7 ist ein Nadeladapter 12 angeschlossen, der nach Art eines Nippels über den Ventilkorpus 2 vorsteht. In der gezeichneten Ausführungsform ist der Nadeladapter 12 lösbar an dem Ventilkopf 5 befestigt. Das Auswechseln kann durch Abschrauben der Halteplatte 13 erfolgen.
Der Nadeladapter 12 besitzt einen leicht konischen Aufsteckabschnitt 14, auf den die Dosiernadel 15 mit einem komplementär leicht konisch geformten Aufsteckabschnitt 16 passgenau aufsteckbar ist. Mittels einer Überwurfmutter 17 kann die Dosiernadel 15 mit ihrem Aufsteckabschnitt 16 dicht auch gegenüber hohen Drücken auf den konischen Aufsteckabschnitt 14 des Nadeladapters 12 aufgespannt werden.
In dem Nadeladapter 12 ist ein Strömungskanal 18 ausgebildet, mit dem die Austrittsöffnung 8 in der Ventilplatte 7 kommuniziert. Der Strömungskanal 18 erstreckt sich dabei koaxial zu der genannten Austrittsöffnung 8 in der Ventilplatte 7.
Der Strömungskanal 18 in dem Nadeladapter 12 kommuniziert andernends wiederum mit dem Strömungskanal 19 in der Dosiernadel 15, der koaxial an den Strömungskanal 18 im Nadeladapter 12 anschließt.
Wie 2 zeigt, kommuniziert der Strömungskanal 19 der Dosiernadel 15 über einen Übergangsabschnitt 20 mit dem Strömungskanal 18 im Nadeladapter 12. Der Übergangsabschnitt 20 ist fertigungstechnisch notwendig, um die Verbindung des Nadeladapters 12 mit der Dosiernadel 15 zu ermöglichen. Er ist jedoch möglichst totraumfrei ausgebildet, so dass insgesamt ein möglichst kleiner Totraum in dem Strömungsweg zwischen Ventilplatte 7 und Austrittsöffnung der Dosiernadel 15 erreicht wird.
Der Strömungskanal 19 der Dosiernadel 15 selbst ist in mehrere jeweils konische Kanalabschnitte 21, 22, 23 und 24 unterteilt. Ein erster, unmittelbar an den Übergangsabschnitt 20 anschließender erster Kanalabschnitt 21 erstreckt sich über mehr als die Hälfte der gesamten Länge 25 der Dosiernadel 15. Er ist leicht konisch ausgebildet, so dass sich der Strömungsquerschnitt zur Austrittsöffnung 26 hin verjüngt. An den ersten Kanalabschnitt 21 schließt ein zweiter Kanalabschnitt 22 an, der sich ebenfalls zur Nadelaustrittsöffnung 26 hin verjüngt, jedoch – im Vergleich zum ersten Kanalabschnitt 21 – stärker konisch ausgebildet ist. An diesen stärker konischen Kanalabschnitt 22 schließt ein dritter Kanalabschnitt 23 an, der beträchtlich weniger Konizität besitzt, jedoch immer noch leicht konisch ausgebildet ist. Schließlich schließt an den genannten dritten Kanalabschnitt 23 der vierte Kanalabschnitt 24 an, der wiederum stärker konisch und insgesamt nach Art eines blendenartigen Vorsprungs ausgebildet ist. Wie 2 zeigt, ist die Länge des zweiten Kanalabschnitts 22 und des dritten Kanalabschnitts 23 in etwa gleich. Die Länge des blendenartigen vierten Kanalabschnitts 24 ist demgegenüber beträchtlich kleiner. Sie beträgt in etwa nur noch das Maß des Durchmessers der Nadelaustrittsöffnung 26. Der Nadelauslassdurchmesser kann, wie bereits erwähnt, variieren. In der gezeichneten Ausführungsform beträgt er 0,2 μm. Die Länge 27 des vierten Kanalabschnitts 24 beträgt ebenso etwa 0,2 μm. Es versteht sich jedoch, dass diese Größen an das jeweils auszubringende Medium angepasst werden können.

Claims

Dosierventil zum Ausbringen kleinster Mediummengen auf ein Werkstück im Jetverfahren, mit einem Ventilkopf (5), der eine Austrittsöffnung (8, 26) sowie ein dieser zugeordnetes Ventilelement (9) zum Öffnen und Verschließen der Austrittsöffnung (8, 26) besitzt, sowie einer dem Ventilkopf (5) zugeordneten Jeteinrichtung, mit Hilfe derer das Medium in Form von Tröpfchen und/oder Strahlen aus dem Ventilkopf (5) herausschieß- bzw. spritzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Ventilkopf (5) eine Dosiernadel (15) sitzt, die nach Art einer Düse derart ausgebildet ist, dass das Medium in Form von Tröpfchen und/oder Strahlen aus der Dosiernadel (15) herausschießbar ist.
Dosierventil nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Strömungskanal im Inneren der Dosiernadel (15) derart ausgebildet ist, dass die Strömungsgeschwindigkeit zur Nadelspitze hin zunimmt, insbesondere stetig zunimmt.
Dosierventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dosiernadel (15) einen Austrittsquerschnitt besitzt, der kleiner als der Eintrittsquerschnitt der Dosiernadel ist.
Dosierventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strömungskanal in der Dosiernadel (15) derart ausgebildet ist, dass der Strömungsquerschnitt stromabwärts stets kleiner oder gleich dem Strömungsquerschnitt an einem hierzu stromauf liegenden Abschnitt ist.
Dosierventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strömungskanal im Inneren der Dosiernadel (15) mehrere aneinander anschließende Abschnitte mit unterschiedlicher Konizität aufweist.
Dosierventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dosiernadel (15) einen ersten Kanalabschnitt (21) mit geringerer Konizität, einen zweiten Kanalabschnitt (22) mit stärkerer Konizität, einen dritten Kanalabschnitt (23) mit geringerer Konizität sowie einen vierten Kanalabschnitt (24) mit stärkerer Konizität aufweist, wobei die genannten Kanalabschnitte in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind.
Dosierventil nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der erste Kanalabschnitt (21) eine größere Länge als die zweiten, dritten und vierten Kanalabschnitte (22, 23, 24) zusammen besitzt.
Dosierventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei unmittelbar am Nadelauslass der Dosiernadel (15) ein blendenartiger Vorsprung (24) vorgesehen ist.
Dosierventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dosiernadel (15) einen Nadelauslassdurchmesser im Bereich zwischen 150 bis 450 μm, vorzugsweise 250 bis 350 μm, besitzt.
Dosierventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im letzten Kanalabschnitt der Dosiernadel das Verhältnis von Fließstrecke zu mittlerem Strömungsdurchmesser etwa 0,5 bis 2, vorzugsweise etwa 1, beträgt.
Dosierventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Nadellänge (25) der Dosiernadel (15) mindestens zehnmal größer, vorzugsweise etwa zwanzig- bis vierzigmal größer als der Nadelauslassdurchmesser ist.
Dosierventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dosiernadel (15) für Arbeitsdrücke im Bereich von 10 bar bis 50 bar ausgebildet ist.
Dosierventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dosiernadel (15) lösbar an dem Ventilkopf (5) befestigt ist, vorzugsweise einen konischen Befestigungsabschnitt (16) aufweist, mit dem sie auf einen konischen Befestigungsabschnitt (14) am Ventilkopf (5) schiebbar, insbesondere spannbar, ist.
Dosierventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dosiernadel (15) an einem Adapterkopf eines Nadeladapters (12) montierbar ist, der mit dem Ventilkopf (5) verbindbar ist.
Dosierventil nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Adapterkopf lösbar mit dem Ventilkopf (5) verbindbar ist.
Dosierventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Jeteinrichtung eine Druckimpuls-Einrichtung besitzt, mittels derer im Ventilkopf (5) anstehendes Medium mit einem Druckstoß beaufschlagbar ist.
Dosierventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Jeteinrichtung einen Druckarbeitsbereich von 10 bis 50 bar besitzt.