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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein elektropneumatisch betätigtes Ventil für die dosierte Abgabe insbesondere kleinster Flüssigkeitsmengen.
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Problembeschreibung
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Die fortschreitende Miniaturisierung in fast allen technischen Bereichen erfordert auf dem Gebiet der Dosierung von fließfähigen Medien Dosierventile, die äußerst geringe Mengen einer Flüssigkeit bzw. einer Paste hochgenau, schnell und zuverlässig abgeben können.
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Beim so genannten berührenden Auftragen solcher Medien wird das Medium mit der Oberfläche, auf der es abgeschieden werden soll, in Berührung gebracht wird, bevor es von der auftragenden Düsenmündung abgelöst wird, beispielsweise durch Zurückziehen der Düsenmündung.
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Weil die berührende Dosierung einige Nachteile aufweist, wie geringe Geschwindigkeit, mögliche Beschädigung des Bauteils, das Ziehen von Fäden durch das Dosiermedium, ungenaue Plazierung und schwierige Reproduzierbarkeit, wird mehr und mehr zum berührungsfreien Dosieren übergegangen. Das berührungsfreie Dosieren viskoser Fluide mit Hilfe eines Dosierventils, in dem sich ein Stößel, auch Ventilnadel genannt, axial in Bezug auf einen Ventilsitz bewegt, um das zu dosierende Medium in Form eines Tröpfchens auszuspritzen, das erst nach dem Ablösen von der Düsenmündung auf die zu benetzende Oberfläche auftrifft, das sogenannte „Jetten”, erfordert eine hohe Dynamik der Stößelbewegung, um das Medium aus der Düse auszutreiben (vgl.
EP 1 029 626 B1 ).
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Die existierenden berührungsfreien Mikrodosiersysteme nutzen so genannte „harte” Ventilsitzpaarungen. Dennoch muss mit einem gewissen Verschleiß von Ventilsitz (= Spritzdüse) und besonders Düsennadel gerechnet werden, der einen regelmäßigen Austausch dieser Teile, somit vor allem der Düsennadel, erforderlich macht.
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Die hohe Dynamik der Ventilnadelbewegung, die erforderlich ist, um kleinste Flüssigkeitsmengen dosieren und hohe Arbeitsgeschwindigkeiten erreichen zu können, verlangt ein möglichst trägheitsarmes Antriebssystem.
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Übersicht über die Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektropneumatisch betätigtes Ventil anzugeben, das auch für die Dosierung kleinster Flüssigkeitsmengen mit hoher Geschwindigkeit und Genauigkeit geeignet ist und einen wirtschaftlichen Betrieb ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird von der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung ermöglicht es, ein flüssiges Medium hochgenau und berührungsfrei zu dosieren. Beim erfindungsgemäßen Dosierventil sind aufgrund der unmittelbaren Nachbarschaft von Schaltventil und Aktorkammer die vom pneumatischen Betätigungsfluid innerhalb des Dosierventils eingenommenen Volumina minimal, so dass die Kompressibilität des das Dosierventil betätigenden Druckfluides keinen merklichen Einfluss auf die Dosiergenauigkeit hat. Außerdem sind hohe Arbeitsgeschwindigkeiten, d. h. hohe Taktfrequenzen, erreichbar.
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Die Wirtschaftlichkeit des Betriebes, die durch die vorgenannten technischen Merkmale erreicht wird, lässt sich noch durch eine besonders vorteilhafte Gestaltung des Trägerkörpers des Dosierventils steigern, indem dieses eine Aussparung aufweist, in der eine Verbindungsstelle zwischen Kolbenstange und Ventilnadel von außen frei zugänglich wird, ohne dass es dazu notwendig ist, den Aktor zu zerlegen. Es braucht dann nur noch die Düsenplatte oder das Dosierkammergehäuse abgenommen zu werden, damit nach Lösen der Düsennadel von der Kolbenstange erstere aus der Dosierkammer herausgezogen werden kann. Eine Gefahr, dass die Aktorkammer mit Dosierfluid in Berührung kommen kann, besteht nicht, da die Aktorkammer beim Düsennadelwechsel vollkommen abgeschlossen bleibt.
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Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind eine Einstellbarkeit des Hubes der Düsennadel, womit dem jeweils verwendeten Düsendurchmesser Rechnung getragen werden kann, und eine Einstellbarkeit der Kraft der den Aktorkolben in die Schließstellung der Düsennadel beaufschlagenden Druckfeder, womit unterschiedlichen Dosiermedien und Mediendrücken Rechnung getragen werden kann.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Es zeigt:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Dosierventils,
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2 einen Längsschnitt des Dosierventils von 1 längs der Achse des Aktorkolbens, und
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3 ein Ansicht des Dosierventils von der Stirnseite des Dosierkammergehäuses.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Das gemäß 1 insgesamt mit 1 bezeichnete Dosierventil umfasst einen länglichen Trägerkörper 2, in dessen oberen Abschnitt der Aktor für eine Düsennadel untergebracht ist, und an dem unten ein Dosierkammergehäuse angebracht ist, sowie ein insgesamt mit 3 bezeichnetes elektromagnetisch betriebenes pneumatisches Schaltventil, das an eine Seite des Trägerkörpers 2 unmittelbar angebaut, insbesondere mittels Schrauben (nicht dargestellt) angebracht ist.
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Das Schaltventil 3 hat zwei Anschlüsse 4, 5 für die Zuführung und Abführung eines pneumatischen Fluides, beispielsweise Pressluft, und eine Kabeldurchführung 6 für ein elektrisches Steuerkabel (nicht dargestellt). Ein solches Schaltventil 3 ist handelsüblich und braucht daher hier nicht weiter erläutert zu werden.
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Es wird nun auf die 2 und 3 Bezug genommen. Auch 1 kann in die nachfolgenden Betrachtungen zur Identifizierung der mit Bezugszeichen versehenen Elemente einbezogen werden.
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In dem Trägerkörper 2 ist im oberen Abschnitt eine Aktorkammer 7 ausgebildet, die vorteilhafterweise zylindrisch ist. In der Aktorkammer 7 befindet sich ein Aktorkolben 8, der mittels einer O-Ringdichtung 9 an der Zylinderwand der Aktorkammer 7 abgedichtet ist. Der Aktorkolben 8 ist innerhalb der Aktorkammer 7 zwischen einer unteren Endstellung, die durch die Schließstellung des Dosierventils bestimmt ist, und einer oberen Endstellung axial gegen die Kraft einer Schraubendruckfeder 10 beweglich, deren eines Ende sich auf dem Aktorkolben 8 abstützt. Die obere Endstellung des Aktorkolbens 8, und somit dessen Bewegungshub, ist durch eine Einstellschraube 11 bestimmt, die in einen mittels Schrauben 12 auf dem Trägerkörper 2 befestigten, im Beispiel hutförmigen Körper 13 eingeschraubt ist. An diesem Hutkörper 13 stützt sich innen das andere Ende der Schraubendruckfeder 10 ab. Alternativ könnte der Hutkörper 13 ein Außengewinde tragen und in ein im oberen Abschnitt der Zylinderwand der Aktorkammer 7 ausgebildetes Innengewinde eingeschraubt sein, was es dann ermöglichte, die Vorspannung der Schraubendruckfeder 10 durch Verdrehen des Hutkörpers 13 einzustellen.
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Im Trägerkörper 2 ist ein Verbindungskanal 14 ausgebildet, der vorzugsweise etwa radial zur Achse der Aktorkammer 7 verläuft und unterhalb des Aktorkolbens 8 in diese mündet. Der Verbindungskanal 8 verbindet auf kürzest möglichem Wege den im unmittelbar benachbart angeordneten elektromagnetisch betätigten Schaltventil 3 enthaltenen pneumatischen Umschalter (nicht dargestellt) mit der Aktorkammer 7. Daher ist das zwischen dem Umschalter und dem Aktorkolben 8 eingeschlossene Gasvolumen minimal, so dass sich dessen Kompressibilität auf die Bewegung des Aktorkolbens 8 und somit die Genauigkeit der Fluiddosierung nur minimal auswirken kann.
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An der Unterseite des Aktorkolbens 8, d. h. an dessen der Schraubendruckfeder 10 abgewandten Seite, ist an dem Aktorkolben 8 zentrisch eine Kolbenstange 15 befestigt. Sie kann mit dem Aktorkolben 8 einstückig ausgebildet sein. Sie durchdringt eine erste Bohrung 16, die in dem Trägerkörper 2 ausgebildet ist und in eine im Trägerkörper 2 ausgebildete, nach außen offene Ausnehmung 17 mündet. In der Ausnehmung 17 ist an der Kolbenstange 15 das eine Ende einer Düsennadel 18 befestigt, die eine im Trägerkörper 2 konzentrisch zur ersten Bohrung 16 ausgebildete zweite Bohrung 19 durchdringt. Die Befestigung von Kolbenstange 15 und Düssennadel 18 aneinander kann beispielsweise mittels einer Art Stopfbuchsenanordnung bewerkstelligt sein, die eine auf die Kolbenstange 15 geschraubte Überwurfmutter 20 mit konischer Bohrung und eine die Düsennadel 18 umgreifende Manschette mit zur Überwurfmutter 20 passendem Außenkonus umfasst. Andere Befestigungsmöglichkeiten sind ebenfalls denkbar.
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Auf dem unteren Ende des Trägerkörpers 2 ist ein Dosierkammergehäuse 21 befestigt, beispielsweise mittels Schraubbolzen 22. Das Dosierkammergehäuse 21 hat einen zylindrischen Mantelabschnitt 21a, der an einem am Trägerkörper 2 ausgebildeten Zylinderabschnitt 2a zentriert ist.
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Das Dosierkammergehäuse 21 umschließt eine Dosierkammer 23, in die ein Dosierfluid-Zuführkanal 24 mündet. Die Dosierkammer 23 hat eine zentral gelegene Düsenöffnung 25, die im Innern in einen konischen Ventilsitz 26 mündet, auf dem im Schließzustand, wie dargestellt, das freie Ende der Düsennadel 18 aufsitzt. Die Düsenöffnung kann mit einem Innengewinde versehen sein, in das der eigentliche Düsenkörper 27 eingeschraubt ist, wie im Beispiel dargestellt. Bei einer solchen Ausführungsform ist es möglich, das Dosierventil wahlweise mit Düsen unterschiedlicher Durchmesser auszurüsten.
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Anzumerken ist, dass zwischen dem Dosierkammergehäuse 21 und dem Trägerkörper 2 eine Scheibendichtung 28 eingespannt ist, die die Düsennadel 18 am Trägerkörper 2 abdichtet.
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Für einen Austausch der Düsennadel 18 brauchen lediglich das Dosierkammergehäuse 21 vom Trägerkörper 2 entfernt und die Klemmverbindung an der Überwurfmutter 20 gelöst zu werden. Dann kann die Düsennadel 18 aus der zweiten Bohrung 19 nach unten herausgezogen zu werden. Für den Wechsel des Dosiergehäuses 21 im Falle, dass der Ventilsitz 26 sich abgenutzt haben sollte, braucht nur das Dosiergehäuse abgeschraubt und ersetzt zu werden. Gleichfalls ist es durch Lösen des Dosiergehäuses vom Trägerkörper auf einfache Weise möglich, den fluidführenden Bereich bei Fluidwechsel auszutauschen. Das erspart Reinigungsarbeit und ermöglicht eine an das jeweils zu dosierende Fluid angepasst Materialwahl der fluidführenden Teile. Man erkennt leicht, dass der Aktor mit Aktorkammer 7 und Aktorkolben 8 davon jeweils vollkommen unbeeinflusst bleiben. Die Wartung des Dosierventils ist also sehr vereinfacht.
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Durch die räumliche Trennung von Dosierkammer 23 und Aktorkammer 7 mittels der Ausnehmung 17 ist sichergestellt, dass etwaige Leckagen aus der Dosierkammer 23 schnell erkannt werden können und schon aus diesem Grunde einer Verunreinigung des Aktormechanismus mit Dosierfluid vorgebeugt werden kann.
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Im Betrieb wird durch Zuführung eines elektrischen Schaltbefehls zu dem Schaltventil 3 dort der darin enthaltene pneumatische Umschalter in eine Stellung gebracht, dass aus dem Zuführanschluss 4 in den Verbindungskanal 14 pneumatischer Druck eingeleitet wird. Dadurch wird der Aktorkolben 8 gegen die Kraft der Schraubendruckfeder 10 angehoben, bis er auf das untere Ende der Einstellschraube 11 aufläuft. In der angehobenen Stellung des Aktorkolbens 8 ist das freie Ende der Düsennadel 18 vom Ventilsitz 26 abgehoben, so dass das in der Dosierkammer 23 befindliche, unter Druck stehende Dosierfluid aus der Düse 25 austreten kann. Durch einen weiteren Schaltbefehl wird dann der Umschalter im Schaltventil 3 in eine Stellung gebracht, in der das Druckfluid aus der Aktorkammer 7 durch den Verbindungskanal 14 in den Anschluss 5 abströmen kann. Die Kraft der Schraubendruckfeder 10 setzt dann das freie Ende der Düsennadel wieder auf den Ventilsitz 26 auf und verschließt die Düse 25.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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