DE202005005619U1

DE202005005619U1 - Mikrodosierventil

Info

Publication number: DE202005005619U1
Application number: DE202005005619U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-09-29
Filing date: 2005-04-08
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2015-04-09

Abstract

Dosierventil, enthaltend einen unter Federvorspannung in eine Schließstellung gedrückten stabförmigen Ventilstößel (3; 10) und einen Schlagkörper (5; 15), dadurch gekennzeichnet, dass der Schlagkörper (5; 15) gegenüber dem Ventilstößel (3; 10) verschiebbar geführt ist und dass Einrichtungen vorgesehen sind, mit denen der Schlagkörper (5; 15) aus einer Ruhelage unter elektromagnetischer oder pneumatischer Wirkung gegen einen an dem Ventilstößel (3; 10) ausgebildeten Bund (9; 18) entgegen der Schließrichtung der Federvorspannung beschleunigbar ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Dosierventil zum Dosieren sehr kleiner Flüssigkeitsmengen.
Problembeschreibung
Die fortschreitende Miniaturisierung in fast allen technischen Bereichen erfordert Dosierventile, die immer geringere und genauere Mengen einer Flüssigkeit bzw. einer Paste präzise, schnell und zuverlässig dosieren.
Nach derzeitigem Stand der Technik werden diese Ventile über Piezoaktoren angetrieben. Die Piezotechnologie weist jedoch folgende Nachteile auf. Neben den hohen Herstellungskosten und ihrer Empfindlichkeit gegen Feuchtigkeit und Stoß bereiten in vielen technischen Anwendungen die geringen Stallwege Schwierigkeiten. Dies führt dazu, dass größere Stellwege zum Betätigen eines Ventilstößels nach derzeitiger Praxis nur mit Hilfe von Hebelmechanismen erreicht werden können. Der Einsatz von Hebelmechanismen geht aber zu Lasten der Dynamik. Außerdem verlangt die Herstellung solcher Mechanismen ein hohes Maß an Genauigkeit und Spielfreiheit, damit Lebensdauer und eine Wiederholgenauigkeit der Mengendosierung gewährleistet sind.
Übersicht über die Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dosierventil für die Dosierung sehr kleiner Mengen anzugeben, das schnell anspricht, kurze Schaltzeiten realisiert einfach aufgebaut ist, einen großen Stellweg hat und sich technisch einfach herstellen lässt.
Diese Aufgabe wird von der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung ermöglicht es, einen Ventilstößel präzise und sehr schnell zu bewegen. Da der Stellantrieb für den Ventilstößel sowohl elektrisch als auch pneumatisch realisiert werden kann, wird in der Lösungsvariante 1 die elektrische Lösung erläutert und in der Lösungsvariante 2 die pneumatische Lösung beschrieben.
Lösungsvariante 1
Die Erfindung ermöglicht es, einen Ventilstößel präzise und sehr schnell zu bewegen. Dieses wird durch den Einsatz eines elektrodynamischen Aktors als Stellantrieb erreicht, der einen gegenüber dem Ventilstößel beweglichen Magnetanker enthält, der durch Erregung eines Elektromagnetfeldes in Bewegung versetzt wird und am Ende seines dadurch ausgeführten Bewegungsweges die ihm innewohnende kinetische Energie an den Ventilstößel abgibt und diesen dadurch gegen die Kraft einer Schließfeder vom Ventilsitz abhebt.
Elektromagnetische Aktoren zeichnen sich durch große Stellwege, Unempfindlichkeit und geringen Preis aus. Nachteilig bei herkömmlichen elektromagnetischen Systemen ist aber die geringere Kraft, die schwache Dynamik, die geringe Wiederholgenauigkeit und ihr schlechterer Wirkungsgrad. Die Erfindung überwindet diese Nachteile durch eine besondere mechanische Anordnung, die nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert erläutert werden soll.
Beschreibung mechanischer Aufbau
Das Dosierventil besteht aus folgenden Einzelteilen 1–8
Die Zeichnung zeigt im oberen 1 Teil eine Ansicht des Dosierventils von unten und im unteren Teil 2 einen Axialschnitt längs der Linie A-A.
Das Dosierventil umfasst ein Gehäuse 1, in dem der Aktor (Stellantrieb) untergebracht ist, mit einem Deckel 6. Der Deckel 6 ist mit dem Gehäuse 1 verschraubt oder verklebt. An das Gehäuse 1 ist ein auswechselbares Ventilgehäuse 8 angeflanscht, das eine Dosierkammer mit zentrischer Dosierbohrung mit Ventilsitz umschließt und einen Anschlussnippel hat.
Innerhalb des Gehäuses 1 befindet sich eine Spule 2 eines Elektromagneten. Im Zentrum des Gehäuses 1 ist ein einen Bund 9 aufweisender, stabförmiger Ventilstößel 3 gleitend gelagert, dessen Ende im dargestellten Beispiel halbkugelförmig ausgebildet ist. Das halbkugelförmige Ende des Ventilstößels 3 dichtet die zentrische Bohrung des Ventilgehäuses 8 passgenau ab, wenn er von der Kraft einer Spiraldruckfeder 4 in die Bohrung gedrückt ist. Eine Spiraldruckfeder 4 stützt sich am Deckel 6 und an dem Bund 9 des Ventilstößels 3 ab und drückt letzteren in den Ventilsitz an der Bohrung des Ventilgehäuses B. An dieser Stelle sei betont, dass das die Bohrung verschließende Ende des Ventilstößels 3 nicht unbedingt halbkugelförmig gestaltet zu sein braucht, sondern auch andere Gestalt haben kann, so lange es nur in der Lage ist, die Bohrung sicher zu verschließen.
Auf dem Ventilstößel 3 befindet sich ein im Gehäuse 1 und auf dem Ventilstößel 3 gleitend gelagerter Anker 5. Eine Dichtung 7 zwischen Ventilstößel 3 und Ventilgehäuse 8 verhindert das Eindringen des zu dosierenden Mediums in das Gehäuse 1 des Aktors, d.h. die Antriebseinrichtung für den Ventilstößel 3.
Die im Ventilgehäuse 8 des Dosierventils ausgebildete Dosierkammer ist über den Anschlussnippel mit dem zu dosierenden Medium versorgt. Dieses ist entweder künstlich unter Druck gesetzt oder einem Höhengefälle ausgesetzt, um eine kontinuierliche Ausfüllung der Dosierkammer zu gewährleisten.
Beschreibung Funktion
Nachfolgend soll die Funktion erläutert werden
Im Ruhezustand verschließt das halbkugelförmig ausgebildete Ende des Ventilstößels 3 die zentrische Dosierbohrung des Ventilgehäuses 8. Somit kann keine Flüssigkeit aus der Dosierkammer austreten. Um eine definierte Flüssigkeitsmenge zu dosieren, wird die Spule 2 für kurze Zeit mit Strom versorgt. Das dabei entstehende magnetische Feld beschleunigt den Anker 5 nach oben, bis er an den Bund 9 des bis dahin noch ruhenden Ventilstößels 3 anschlägt. Die Umwandlung der kinetischen Energie des Ankers 5 in potentielle Energie bewirkt eine kurze definierte Bewegung des Ventilstößels 3 entgegen der Rückstellkraft der Spiraldruckfeder 4, wodurch der Ventilstößel 3 von seinem Ventilsitz abgehoben und das Ventil geöffnet wird. Nach der Energieübertragung des Ankers 5 in den Ventilstößel 3 drückt die Spiraldruckfeder 4 den Ventilstößel 3 wieder in den Ventilsitz und schließt somit das Ventil.
Durch entsprechend hohe Vorspannung der Spiraldruckfeder 4 können extrem kurze Schaltzeiten unter einer Millisekunde erreicht werden. Durch Veränderung der Vorspannung der Spiraldruckfeder 4 und der Größe der zugeführten elektrischen Energie können die Schaltzeit und der Hub des Ventilstößels 3 variiert werden.
Die Rückstellung des Ankers 5 kann durch die Kraft einer Feder oder eines Elektromagneten (nicht dargestellt) oder einfach unter Schwerkraftwirkung erfolgen, wie bei dem in der Zeichnung dargestellten Beispiel.
Lösungsvariante 2
Pneumatische Aktoren zeichnen sich durch große Stellwege, Unempfindlichkeit und geringen Preis aus. Nachteilig bei herkömmlichen pneumatischen Systemen ist aber die geringere Energiedichte, die schwache Dynamik, die geringe Wiederholgenauigkeit und ihr schlechterer Wirkungsgrad.
Die Erfindung ermöglicht es, einen Ventilstößel präzise und sehr schnell zu bewegen. Dieses wird durch den Einsatz eines pneumatisch betriebenen Aktors erreicht. Der Aktor besteht aus einem pneumatisch angetrieben Kolben der über ein Stellventil gesteuert ist. Der Kolben ist gegenüber dem Ventilstößel beweglich gelagert. Durch die Betätigung eines Stallventils wird der Kolben mit Pressluft in Bewegung versetzt. Dieser beschleunigt danach so lange bis er einen Bund am Ventilstößel erreicht hat und gibt die ihm innewohnende kinetische Energie an den Ventilstößel ab. Der Ventilstößel hebt dadurch gegen die Kraft einer Schließfeder vom Ventilsitz ab.
Die Erfindung überwindet diese Nachteile durch eine besondere mechanische Anordnung, die nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert erläutert werden soll.
Beschreibung mechanischer Aufbau
Das Dosierventil besteht aus folgenden Einzelteilen 10 – 17
Die Zeichnung zeigt im oberen Teil als 3 eine Ansicht des Dosierventils von unten und im unteren Teil als 4. einen Axialschnitt längs der Linie A-A.
Das Dosierventil umfasst ein Gehäuse 14 den, an den ein pneumatisches Stellventil 17 angeflanscht ist. Ein Deckel 16 ist mit dem Gehäuse verschraubt oder verklebt. An das Gehäuse 14 ist ein auswechselbares Ventilgehäuse 13 angeflanscht, das eine Dosierkammer mit zentrischer Dosierbohrung mit Ventilsitz umschließt und einen Anschlussnippel hat.
Das Gehäuses 14 ist mit dem pneumatischen Stellventil 17 verschraubt oder verklebt. Innerhalb des Gehäuses 14 befindet sich ein Kolben 15. Im Zentrum des Gehäuses 14 ist ein einen Bund 18 aufweisender, stabförmiger Ventilstößel 10 gleitend gelagert, dessen Ende im dargestellten Beispiel halbkugelförmig ausgebildet ist. Wie bei der Lösungsvariante 1 erläutert, kommen diesbezüglich auch andere Gestaltungen in Frage. Das halbkugelförmige Ende des Ventilstößels 10 dichtet die zentrische Dosierbohrung des Ventilgehäuses 13 passgenau ab, wenn er von der Kraft einer Spiraldruckfeder 12 in die Bohrung gedrückt ist. Die Spiraldruckfeder 12 stützt sich am Deckel 16 und an dem Bund 18 des Ventilstößels 10 ab und drückt letzteren in den Ventilsitz an der Bohrung des Ventilgehäuses 13.
Auf dem Ventilstößel 10 befindet sich ein im Gehäuse 14 und auf dem Ventilstößel 10 gleitend gelagerter Kolben 15. Eine Dichtung 12 zwischen Ventilstößel 10 und Ventilgehäuse 13 verhindert das Eindringen des zu dosierenden Mediums in das Gehäuse 14 des Aktors, d.h. die Antriebseinrichtung für den Ventilstößel 10.
Die im Ventilgehäuse 13 des Dosierventils ausgebildete Dosierkammer ist über den Anschlussnippel mit dem zu dosierenden Medium versorgt. Dieses ist entweder künstlich unter Druck gesetzt oder einem Höhengefälle ausgesetzt, um eine kontinuierliche Ausfüllung der Dosierkammer zu gewährleisten.
Beschreibung Funktion
Nachfolgend soll die Funktion erläutert werden
Im Ruhezustand verschließt das halbrund ausgebildete Ende des Ventilstößels 10 die zentrische Dosierbohrung des Ventilgehäuses 13. Somit kann keine Flüssigkeit aus der Dosierkammer austreten. Um eine definierte Flüssigkeitsmenge zu dosieren, wird das Stellventil 17 für kurze Zeit eingeschaltet. Der Kolben 15 wird durch die einströmende Druckluft beschleunigt. Er beschleunigt so lange nach oben, bis er an den Bund 18 des bis dahin noch ruhenden Ventilstößels 10 anschlägt. Die Umwandlung der kinetischen Energie des Kolbens 15 in potentielle Energie bewirkt eine kurze definierte Bewegung des Ventilstößels 10 entgegen der Rückstellkraft der Spiraldruckfeder 11, wodurch der Ventilstößel 10 von seinem Ventilsitz abgehoben und das Ventil geöffnet wird. Nach der Energieübertragung des Kolbens 15 in den Ventilstößel 10 drückt die Spiraldruckfeder 11 den Ventilstößel 10 wieder in den Ventilsitz und schließt somit das Ventil.
Durch entsprechend hohe Vorspannung der Spiraldruckfeder 11 können extrem kurze Schaltzeiten unter einer Millisekunde erreicht werden. Durch Veränderung der Vorspannung der Spiraldruckfeder 11 und des zugeführten Luftdrucks können die Schaltzeit und der Hub der Schubstange variiert werden.
Die Rückstellung des Kolbens 15 wird durch Entlüften der Kolbenkammer eingeleitet. Diese Entlüftung kann durch Umschalten des Stellventils als auch durch Entlüftungsschlitze (nicht dargestellt) in der oberen Position des Kolbens 15 realisiert werden. Die Rückstellkraft kann durch die Kraft einer Feder oder eines Elektromagneten (nicht dargestellt) oder einfach unter Schwerkraftwirkung erfolgen, wie bei dem in der Zeichnung dargestellten Beispiel.
In beiden dargestellten Ausführungsformen der Erfindung ist der Schlagkörper, der gegenüber dem Ventilstößel zu beschleunigen ist, als ein auf dem Ventilstößel verschiebbar geführter Zylinderkörper ausgebildet. Dieses ergibt eine sehr platzsparende Konstruktion. Grundsätzlich ist aber anzumerken, dass der Schlagkörper auch einen andersartigen Aufbau haben und gegenüber dem Ventilstößel axial versetzt sein kann, solange er nur in der Lage ist, bei seiner Bewegung auf den Ventilstößel aufzutreffen, um seine kinetische Energie an ihn abzugeben
Anwendungsgebiete
Das erfindungsgemäße Dosierventil ist in Stanzvorrichtungen, Gravierköpfen, Nadeldruckern, Kraftstoffeinspritzventilen, Mikrodosierventilen usw. einsetzbar, nur um einige Beispiele anzugeben. Vor allem Kraftstoffeinspritzventile als auch Mikrodosierventile lassen sich mit dem magnetischen Aktorsystem kostengünstig und sehr robust herstellen.

Claims

Dosierventil, enthaltend einen unter Federvorspannung in eine Schließstellung gedrückten stabförmigen Ventilstößel (3; 10) und einen Schlagkörper (5; 15), dadurch gekennzeichnet, dass der Schlagkörper (5; 15) gegenüber dem Ventilstößel (3; 10) verschiebbar geführt ist und dass Einrichtungen vorgesehen sind, mit denen der Schlagkörper (5; 15) aus einer Ruhelage unter elektromagnetischer oder pneumatischer Wirkung gegen einen an dem Ventilstößel (3; 10) ausgebildeten Bund (9; 18) entgegen der Schließrichtung der Federvorspannung beschleunigbar ist.
Dosierventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Rückstellung des Ventilstößels (3; 10) in die Ruhelage eine Spiralfeder, Blattfeder, Tellerfeder, pneumatische Feder, elektrische Feder oder ein Gummipuffer vorgesehen ist.
Dosierventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Rückstellung des Schlagkörpers (5; 15) eine Feder oder eine Elektromagnet vorgesehen ist.
Dosierventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlagkörper (5; 15) ein auf dem Ventilstößel (3; 10) axial verschiebbar geführter Zylinderkörper ist.