DE29924157U1

DE29924157U1 - Elektronisch gesteuertes Nadeldosierventil

Info

Publication number: DE29924157U1
Application number: DE29924157U
Authority: DE
Original assignee: DUCKWITZ ARNOLD
Current assignee: DUCKWITZ ARNOLD
Priority date: 1999-12-22
Filing date: 1999-12-22
Publication date: 2002-06-06
Anticipated expiration: 2009-12-23

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein elektronisch gesteuertes Nadeldosierventil zur kontinuierlichen Dosierung eines Volumenstromes von Fluiden in einer Spritzeinrichtung.

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 werden Nadelventile zur Verstellung der Fettigkeit eines Färb- 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. Offenlegungsschift DE 3720738 C2, so dass diese Ventile sehr kostenintensiv in der Fertigung und Wartung sind.

Aus der EP 0 213 535 B1 ist ein Nadeldosierventil mit definierter Verstellung des Durchflussquerschnittes an der Austrittsöffnung offenbart, wobei die Fluidkammer zur Antriebsseite durch eine Dosiernadel abgedichtet wird, die durch einen Antriebsmotor mit steuerbarer Drehwinkelsteuerung und anschließender Umsetzung in eine Linearbewegung mittels einer Schraubverbindung gesteuert wird. Nachteilig ist herbei, dass eine hermetische Abdichtung der Fluidkammer alleine durch die Dosiernadel nur sehr unzureichend ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine stufenlosen Regulierung eines kontinuierlichen Volumenstromes eines Fluides mittels einer Dosiervorrichtung bereitzustellen,

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wobei eine hermetische Abdichtung der Dosiervorrichtung gegeben und die Dichtigkeit auch bei chemisch aggressiven Fluiden gewährleistet sein muss.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale. Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen wird die Veränderung des Durchflußquerschnittes an der Austrittsöffnung der in Richtung der Antriebswelle hermetisch abgedichteten Fluidkammer mittels einer Dosiernadel ermöglicht, wobei die Dosiernadel linear bewegbar in Richtung der Austrittsöffnung ist und durch einen Antriebsmotor mit einer reproduzierbaren Drehwinkelsteuerung und einer Schraubverbindung zur Umsetzung der Rotationsbewegung der Antriebswelle in eine Linearbewegung die Nadel gesteuert, sowie die Abdichtung der Fluidkammer an der Dosiernadel zur Antriebsseite durch ein elastisches Schlauchsystem gewährleistet wird. Die Realisierung einer hermetischen Dichtung nach außen an der Dosiernadel mit der Möglichkeit einer Linearbewegung wird durch spezielle Befestigungen eines elastische Schlauches an der Nadel und auf einem kegelförmigen Aufnahmekörper 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 Ventiles nach der Nutzung oder die Realisierung eines geschlossenen luftlosen Systems und eine Filterung der Fluide auf Grobpartikel

Weiterhin wird der Schlauch, der die Nadel umhüllt und mittels Spannringen an der Nadel und den Aufnahmekörper befestigt ist, durch Spannringen in korrespondierenden ringförmigen Vertiefungen in der Nadel und dem Absatz des Aufnahmekör-

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pers arretiert. Die Länge des Schlauches zwischen den Spannringen ist dabei so bemessen, dass beim vollständigen Verschluss der Austrittsöffnung durch die Nadel der Schlauch eine in Richtung der Antriebseinrichtung wirkende Vorspannung aufweist. Zur hermetischen Abdichtung der Nadel sind zusätzlich zwischen den Spannringen und dem Schlauch Zwischenschichten vorhanden, die aus Schrumpfschläuchen bestehen können.

Darüber hinaus ist die mit dem Antriebsmotor verbundene Spindelwelle über eine Kupplung und eine Encoderscheibe verbunden, wobei durch eine mit der Spindelwelle formschlüssig verbundene Hutmutter bewegbar ist und durch einen in einer Nut geführten Führungsstift in Achsenrichtung eine lineare Bewegung ausführt. 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 den Antriebsmotor und die Antriebswelle verbindet und über einen geeigneten bekannten Mechanimus den Antriebsmotor vor Überlastung schützt. Die Nadel an der Passung ist dabei mit der Hutmutter fest verbunden. Zwischen Fluidkammer und Aufnahmekörper ist ein Dichtring vorhanden.

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 Antriebsmotor
abzuschalten.

Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den übrigen Unteransprüchen enthalten. Die Erfindung ist in den anliegenden Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt:

Fig.1 einen Längsschnitt durch eine beispielhaftes Nadelventil,

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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 Aufnahmekörper 10 integriert. Desweiteren dient ein Absatz 10A und eine anschließende Längsnut im Ventilgrundkörper 1 als Freiraum für die Linearbewegung der Hutmutter 13 und als Linearführung eines in die Hutmutter 13 integrierten Führungsstiftes 14. Das Aufnahme- und Fixierungselement 2 dient der Lagerung und linearen Fixierung des Absatzes auf der Spindelwelle 15 mit dem Platz für die Inkremental- oder Encoderscheibe 16. Das Motorbefestigungselement 3 nimmt den Antriebsmotor 22, welcher mit einem Untersetzungsgetriebe und der Antriebswelle 19 gekoppelt ist, auf. Der Aufnahmekörper 10 nimmt das eine Ende des Schlauches 8 mit seinen Befestigungselementen 5 auf und begünstigt durch eine Rundnut die Befestigung. Das andere Ende des Schlauches 8 wird auf der Nadel 4, welche auch eine kleine Nut besitzt, über Befestigungselemente 7 aufgebracht. Die Bohrung der Nadeldurchführung für die Nadel 4 im Aufnahmekörper 10 ist axial zur Austrittsöffnung 6, wobei die Bohrung eine Beweglichkeit der Nadel 4 in y-Richtung zuläßt. Die axiale Ausrichtung wird durch eine Führung vor dem Einschraubgewinde des Aufnahmekörpers 10 realisiert. Das Außengewinde 21 presst weiterhin einen Dichtring 17 gegen den Ventilgrundkörper 1 und dichtet die Fluidkammer 20 nach außen ab.

Die Nadel 4 selbst wird im Aufnahmekörper 10 nicht geführt und hat ein Spiel, sodass die Nadel 4 niemals an dieser Stelle verklemmen kann. Die Nadel 4 hat an ihrer Spitze einen definierten Konus, der je nach linearem Hub der Nadel 4 den gewünschten Querschnitt für einen gewünschten Volumenstrom frei gibt. Der Konus der Nadel 4 wird nur so weit zurückgezogen, wie eine Führung der Nadel 4 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

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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 18 ist Teil der Antriebswelle 19, welche über das Untersetzungsgetriebe mit dem Antriebsmotors 22 verbunden ist. Der Kupplungsmechanimus der Kupplung 18 ist variabel und wurde durch einen bekannten Mechanismus realisiert. Er dient dem Schutz des Antriebsmotors 22 bei eventuellen Festfahrsituationen. Auf dem Absatz der Spindelwelle 15 ist eine Inkremental- oder Encodescheibe 16 axial angebracht, über die Impulse und damit der Drehwinkel des Spindelkopfes, durch eine befestigte optische Lichtschranke 14 erfaßt werden können und der definierte Nadelhub realisiert wird. Diese Impulse werden durch eine beliebige Prozessoreinheit erfaßt und mit Ihrer Hilfe wird der Antriebsmotor 22 gesteuert. Dieser Absatz der Spindelwelle 15 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 Längschnittes zur Darstellung des Dichtungsbefestigungsprinzipes auf der Nadel 4 der Schlauchdichtung. Unter Spannung stehende elastische Schlauchverbindungen 8, wie z.B. 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 Zwischenschicht 23,26 verteilt die Druckkraft der Spannringe 24,27 auf eine größere Fläche und drückt dabei aber noch den Schlauch in die Rundnuten auf Nadel 4 und Aufnahmekörper 21 für eine bessere Fixierung des Schlauches 8 an beiden Enden, welche unbeweglich sind. Weiterhin verhindert die Zwischenschichten 23,26 das Quellen des Schlauches 8 an den befestigten Enden. Zwischen beiden Einspannungen liegt der dehnbare Bereich des Schlauches 8, welcher die Linearbewegung

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sichert. Die Anordnung des Schlauches 8 nach vorn begünstigt eine Druckbeaufschlagung des Fluides, da der Schlauch 8 gegen die Nadel 4 gedrückt wird. Der Dichtring 20 auch aus einem chemisch resistenten Material, wird durch das Gewinde des Außengewindes 21 an eine Dichtfläche am Ventilgrundkörper 1, zum Abdichten des Fluidsystemes am Außendurchmesser, gepresst.

Bezugszeichen

1. Ventilgrundkörper

2. Aufnahme- und Fixierungselement

3. Motorbefestigungssegment

4. Nadel

5. Befestigungselement

6. Austrittsöffnung

7. Befestigungselement

8. Schlauch

9. Einlaufkanal mit Gewinde

10. Aufnahmekörper 10A Absatz

11. Passung

12. Führungsstift

13. Hutmutter

14. Lichtschranke

15. Spindelwelle

16. Encoderscheibe

17. Dichtring

18. Kupplung

19. Antriebswelle

20. Fluidkammer

21. Außengewinde

22. Antriebsmotor

23. Schrumpfschlauch

24. Spanring 25.

26. Schrumpfschlauch

27. Spannring

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Claims

1. Elektronisch gesteuertes Nadeldosierventil zur kontinuierlichen Dosierung eines Volumenstromes von Fluiden in einer Spritzeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass

a) die Veränderung des Durchflußquerschnittes an der Austrittsöffnung (6) der in Richtung der Antriebswelle (19) hermetisch abgedichteten Fluidkammer (20) mittels einer Dosiernadel (4) erfolgt, wobei

b) die Dosiernadel (4) linear bewegbar in Richtung der Austrittsöffnung (6) ist und durch einen Antriebsmotor (22) mit einer reproduzierbaren Drehwinkelsteuerung (14, 16) und einer Schraubverbindung (13, 15) zur Umsetzung der Rotationsbewegung der Antriebswelle (19) in eine Linearbewegung die Nadel (4) gesteuert wird, und

c) die Abdichtung der Fluidkammer (20) an der Dosiernadel (4) zur Antriebsseite durch ein elastisches Schlauchsystem (5, 7, 8) gewährleistet wird.

2. Elektronisch gesteuertes Nadeldosierventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Schlausystem (5, 7, 8) aus Silikon bzw. ähnlichen elastischen Materialen bestehen.

3. Elektronisch gesteuertes Nadeldosierventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlauch (8) die Nadel (4) umhüllt und mittels Spannringen (24, 27) an der 'Nadel (4) und den Aufnahmekörper (10) befestigt ist, wobei die Spannringen (24, 27) in korrespondierenden ringförmigen Vertiefungen in der Nadel (4) und dem Absatz (10 A) des Aufnahmekörpers (10) arretiert werden.

4. Elektronisch gesteuertes Nadeldosierventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Schlauches (8) zwischen den Spannringen (24, 27) so bemessen ist, dass beim vollständigen Verschluss der Austrittsöffnung (6) durch die Nadel (4), der Schlauch (8) eine in Richtung der Antriebseinrichtung (19) wirkende Vorspannung aufweist.

5. Elektronisch gesteuertes Nadeldosierventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur hermetischen Abdichtung der Nadel (4) zwischen den Spannringen (24, 27) und dem Schlauch (8) Zwischenschichten (23, 26) vorhanden sind.

6. Elektronisch gesteuertes Nadeldosierventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschichten (23, 26) aus Schrumpfschläuchen bestehen.

7. Elektronisch gesteuertes Nadeldosierventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Antriebsmotor (19) verbundene Spindelwelle (15) über eine Kupplung (18) und eine Encoderscheibe (16) verbunden ist, wobei durch eine mit der Spindelwelle (15) formschlüssig verbundene Hutmutter (13) bewegbar ist und durch einen in einer Nut (4) geführten Führungsstift (12) in Achsenrichtung eine lineare Bewegung ausführt.

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

9. Elektronisch gesteuertes Nadeldosierventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Fluidkammer (20) und Aufnahmekörper (10) ein Dichtring (17) vorhanden ist.

10. Elektronisch gesteuertes Nadeldosierventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer optischen Lichtschranke (14) den Drehwinkel der Encoderscheibe (16) erfasst wird und über die nachgeschaltete Prozessoreinheit (nicht dargestellt) mit Referenzwerten verglichen wird.