DE4320715A1 - Ventil für geringe Durchflußraten in einem Flüssigkeitskanal - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ventil für geringe Durchflußraten in einem Flüssigkeitskanal, mit einem Primärkanal und einem Sekundärkanal sowie einem beweglichen Ventilkörper, der gegen einen Ventilsitz arbeitet, wobei der Ventilsitz und der Ventilkörper zwischen Primärkanal und Sekundärkanal angeordnet sind.

Es ist bekannt, Dosiervorgänge mittels Ventilen mit elektromagnetischer bzw. motorischer Betätigung zu steuern. Dafür ist aber elektrische Energie in einem Umfang nötig, daß sich das bekannte Antriebsprinzip für miniaturisierte Ventile nicht eignet, die mit dem Strom aus einer Batterie betreibbar sein sollen. Ferner ist es in Kanälen sehr geringen Querschnitts schwierig, ein herkömmliches, präzise steuerbares Ventil anzuordnen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil für geringe Durchflußraten zu schaffen, das sich besonders für Batteriebetrieb und zur Steuerung geringer Durchflußraten, vorzugsweise in kapillaren Volumenkammern, eignet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Die Erfindung weist gegenüber dem Bekannten die Vorteile auf, daß das neue Ventil bei allen Arten von Flüssigkeiten funktionsfähig ist. Wegen seiner geschlossenen Bauweise ist das Ventil gegen Austrocknung der Flüssigkeiten sicher. Es ist kompakt aufgebaut, und es ist eine präzise Dosierung eines Volumenstroms in einer kapillaren Kammer möglich. Durch Verwendung von Kunststoff ist das Ventil gegenüber Umwelteinflüssen und mechanischen, chemischen und biologischen Einwirkungen sicher.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung hervor.

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt des erfindungsgemäßen Ventils mit einem Piezo-Biegewandler und einem Ventilkörper sowie schematisch eine elektronische Schaltung zur Ventilsteuerung,

Fig. 2 einen Teillängsschnitt des erfindungsgemäßen Ventils, gegenüber der Darstellung in Fig. 1 in vergrößertem Maßstab,

Fig. 3 die elektronische Schaltung nach Fig. 1 im Detail.

Ein Ventil 1 (Fig. 1) umfaßt im wesentlichen ein Gehäuse 2 und einen Einsatz 3. Der Einsatz 3 befindet sich in einer Aussparung 7 des Gehäuses 2 und umfaßt unter anderem einen Grundkörper 28, einen Piezo-Biegewandler 31, einen Ventilkörper 24 und eine Abdeckkappe 6 als Baueinheit. Mit Hilfe an beiden Enden des Einsatzes 3 im Gehäuse 2 verankerter Schraubbolzen 4, 5 mit dazugehörigen Muttern 8, 9 wird die Abdeckkappe 6 für den Einsatz 3 gegen das Gehäuse 2 gedrückt.

Bei Anwendung des Ventils 1 gelangt eine Flüssigkeit aus einem Reservoir 10 über eine Zulaufleitung 11 und einen Zulauf 12 zu einem Primärkanal 13 des Ventils 1.

Im Ventil 1 arbeitet der Ventilkörper 24 gegen einen Ventilsitz 22 in einem Ventilblock 21.

Der Ventilblock 21 ist durch ein mit TEFLON-Band gedichtetes Feingewinde in seiner Lage im Gehäuse 2 des Ventils 1 justierbar. Der Ventilblock 21 verbindet den Primärkanal 13 fluidmäßig mit einem Sekundärkanal 15, der im Inneren des Ventilblocks 21 vorgesehen ist. Der Sekundärkanal 15 ist fluidmäßig mit einem Ablauf 14 des Ventils 1 verbunden.

Der Ventilkörper 24 (Fig. 1) wird über einen elektromechanischen Antrieb zum Ventilsitz 22 hin bzw. von ihm wegbewegt. Hierdurch schließt bzw. öffnet das Ventil 1.

Der Ventilkörper 24 umfaßt einen Kegel größeren Durchmessers und einen daran angeformten Schaft 27 kleineren Durchmessers. Zwischen Kegel und Schaft bildet der Kegel eine Schulter 17. Der Schaft 27 hat ein Außengewinde, auf das eine Hülse 23 aufgeschraubt ist. Die Hülse 23 hat im Längsschnitt T-förmige Gestalt. Mit ihrem schmalen Ende stützt sie sich an der Schulter 17 des Kegels ab. Auf ihrem breiten Ende ist eine als Druckfeder verwendete Feder 19 aufgesetzt, deren anderes Ende sich an der Abdeckkappe 6 des Einsatzes 3 abstützt.

Ein flexibler Membranstreifen 18 ist zwischen Einsatz 3 und Gehäuse 2 an den Enden des Grundkörpers 28 geklemmt. Der Membranstreifen 18 dichtet die Fluidseite gegen die Seite der Aussparung 7 des Gehäuses 2 ab.

Im Membranstreifen 18 ist eine Öffnung 16 zur Aufnahme des Schafts 27 des Ventilkörpers 24 vorgesehen. Dabei liegt der Membranstreifen 18 auf der Schulter 17 des Ventilkörpers 24 ringförmig auf und ist gegen die auf den Schaft 27 geschraubte Hülse 23 in der Weise geklemmt, daß die Fluidseite gegenüber der Seite der Aussparung 7 des Gehäuses 2 abgedichtet ist.

Der Membranstreifen 18 ist bei diesem Ausführungsbeispiel aus einer 0,05 mm starken LATEX-Folie hergestellt. Der Membranstreifen 18 dient zum einen der elastischen Lagerung des Ventilkörpers 24 und zum anderen der Abdichtung der Aussparung 7 gegenüber der Fluidseite des Ventils 1.

Verbiegt sich der Piezo-Biegewandler 31, nachdem er mit Spannung einer vorgegebenen Polarität beaufschlagt wurde, so liegt der Ventilkörper 24 am Ventilsitz 22 an, das Ventil 1 ist geschlossen.

Durch die Kraft der Feder 19 wird der Ventilkörper 24 zusätzlich gegen den Ventilsitz 22 gedrückt. Die auf die Hülse 23 bzw. den Ventilkörper 24 ausgeübte Druckkraft der Feder 19, also die Schließkraft des Ventils 1, wird dadurch eingestellt, daß der Ventilblock 21 mehr oder weniger weit in das Gehäuse 2 des Ventils 1 eingedreht wird.

Eine aus einer Batterie 29 (Fig. 1, 3) mit elektrischem Strom versorgte elektronische Schaltung 30 dient der Steuerung des Ventils 1 über elektrische Leitungen 47, 48.

Der Piezo-Biegewandler 31 (Fig. 1, 2) ist an seinem einen Ende am Einsatz 3 mittels einer aus leitendem Material hergestellten Schraube 25 an dem Grundkörper 28 befestigt. Die Schraube 25 durchdringt einen ebenfalls aus leitendem Material hergestellten Bügel 26. Da der Bügel 26 auf einer ersten Leitschicht 34 des Piezo-Biegewandlers 31 aufliegt, und die Schraube 25 den Grundkörper 28 ebenfalls durchdringt, besteht eine elektrische Verbindung zwischen der ersten Leitschicht 34, einer zweiten Leitschicht 38 und dem Grundkörper 28. Der Bügel 26 ist vorzugsweise aus Messing hergestellt.

Das andere Ende des Piezo-Biegewandlers 31 greift mit einer aufgeklebten Gabel 20 an der Hülse 23 an.

Zwischen Grundkörper 28 (Fig. 1, 2) und Piezo-Biegewandler 31 ist eine Scheibe 41 eingelegt, die aus elektrisch leitendem Material besteht. Die Scheibe 41 dient einerseits dazu, den Piezo-Biegewandler 31 und den Grundkörper 28 gegenseitig auf Abstand zu halten und stellt andererseits eine galvanische Verbindung zwischen der zweiten Leitschicht 38 (Fig. 3) und dem Grundkörper 28 dar.

Der Piezo-Biegewandler 31 (Fig. 1, 2) hat insgesamt drei Leitschichten 34, 38, 39. Die erste Leitschicht 34 ist mit einem Anschluß 35 versehen, und eine dritte Leitschicht 39 mit einem Anschluß 36. Der eine Anschluß 35 ist mit der Leitung 47, der andere Anschluß 36 mit der Leitung 48 galvanisch verbunden. Die Leitungen 47 und 48 führen zu der elektronischen Schaltung 30 (Fig. 1, 3). Die zweite Leitschicht 38 ist über die Scheibe 41, den Grundkörper 28, die Schraube 25 und den Bügel 26 galvanisch mit der ersten Leitschicht 34 verbunden.

Zur Ansteuerung des Piezo-Biegewandlers 31 wird eine hohe Gleichspannung benötigt, die sich durch ein Logiksignal aus einer Signalverarbeitungselektronik in ihrer Polarität umschalten läßt. Hierzu dient die elektronische Schaltung 30 (Fig. 3).

Die Spannung der Batterie 29 (Fig. 3) wird mittels eines Frequenzgenerators 50 auf eine Spannung von etwa 200 V umgesetzt. Der Frequenzgenerator 50 arbeitet mit einem mit etwa 10 kHz freischwingenden RC-Oszillator, der einen als Schalttransistor verwendeten Transistor 51 mit einem Rechtecksignal ansteuert. Während der Leitphase des Transistors 51 wird in einer Spule 69 ein Strom aufgebaut, der während der Sperrphase über einen als Speicherkondensator wirkenden Kondensator 67 abgebaut wird und dessen Ladung erhöht. Der Piezo-Biegewandler 31 ist an einer mit Gleichspannung versorgten Brückenschaltung, die aus einem Widerstand 61, einem weiteren Widerstand 64, einen Transistor 53 und einem weiteren Transistor 54 gebildet ist, angeschlossen. Je nach Schaltsignalpegel wird jeweils einer der beiden Transistoren 53 bzw. 54 angesteuert, so daß die Polarität der Spannung am Piezo-Biegewandler 31 und damit dessen Biegerichtung durch das Logiksignal bestimmt sind.

Die Widerstände 62 und 63 dienen der Begrenzung der Basisströme der Transistoren 52 und 53, die durch ein über eine Klemme 40 herangeführtes Schaltsignal zur Ansteuerung des Ventils 1 initiiert werden.

Bei einem Ausführungsbeispiel der elektronischen Schaltung 30 wird als Frequenzgenerator 50 ein integrierter Schaltkreis Typ NE 555 verwendet, wie in beispielsweise die Firmen Siemens, Neumüller und andere herstellen.

Für die Transistoren 51, 53 und 54 wird der Typ BFN 26, für den Transistor 52 der Typ BC 846, für eine Diode 55 der Typ BAS 21 und für eine weitere Diode 56 der Typ BYM 10-100 verwendet. Ein Widerstand 57 hat 10 kΩ, ein Widerstand 58 hat 100 kΩ, ein Widerstand 59 hat 270 Ω, ein Widerstand 60 hat 560 Ω, die Widerstände 61 und 64 haben jeweils 10 MΩ, und die Widerstände 62 und 63 haben jeweils 560 Ω. Die Kondensatoren 65 und 68 haben jeweils eine Kapazität von 820 pF, der Kondensator 66 hat eine Kapazität von 0,1 µF, und der Kondensator 67 eine solche von 1000 pF. Die Spule 69 hat 1,5 mH.

Das beschriebene Ventil kann beispielsweise bei Plotterstiften zur Trennung des Tuschevorratsbehälters, bei Registriergeräten, Medizingeräten oder Geräten in der Prozeßtechnik zur Anwendung kommen.

Claims (26)

1. Ventil für geringe Durchflußraten in einem Flüssigkeitskanal, mit einem Primärkanal und einem Sekundärkanal sowie einem beweglichen Ventilkörper, der gegen einen Ventilsitz arbeitet, wobei der Ventilsitz und der Ventilkörper zwischen Primärkanal und Sekundärkanal angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß als Antrieb für den Ventilkörper (24) ein Piezo-Biegewandler (31) vorgesehen ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (24) bei geschlossenem Ventil mittels Federdrucks gegen den Ventilsitz (22) gedrückt ist und in funktionaler Verbindung mit dem Piezo-Biegewandler (31) steht, der bei Beaufschlagung mit elektrischer Spannung den Ventilkörper (24) vom Ventilsitz (22) abhebt.

3. Ventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einsatz (3) zur Aufnahme des Piezo- Biegewandlers (31) vorgesehen ist.

4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezo-Biegewandler (31) mittels eines Bügels (26) und einer ihn durchdringenden Schraube (25) an einem Grundkörper (28) angebracht ist.

5. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraube (25) den Bügel (26) und den Grundkörper (28) und gleichzeitig eine erste Leitschicht (34) des Piezo- Biegewandlers (31) mit einer zweiten Leitschicht (38) elektrisch leitend miteinander verbindet.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Leitschicht (39) des Piezo- Biegewandlers (31) isolierend gegenüber der Schraube (25) wirkt.

7. Ventil nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Leitschicht (34) mit einem Anschluß (35) und einer Leitung (47) und die dritte Leitschicht (39) mit einem anderen Anschluß (36) und einer Leitung (48) versehen sind.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Grundkörper (28) und Piezo- Biegeelement (31) eine Scheibe (41) aus leitendem Material zur Beabstandung von Piezo-Biegewandler (31) und Grundkörper (28) vorgesehen ist.

9. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bügel (26) elektrisch leitend ist.

10. Ventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Bügel (26) aus Messing besteht.

11. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraube (25) elektrisch leitend ist.

12. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (24) aus einem Kegel größeren Durchmessers und einen Schaft (27) kleineren Durchmessers besteht.

13. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (24) aus nichtleitendem Material besteht.

14. Ventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (24) aus Kunststoff besteht.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (28) unter Zwischenlegung der Enden des flexibler Membranstreifens (18) gegen das Gehäuse (2) des Ventils (1) gepreßt ist.

16. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß im Membranstreifen (18) eine Öffnung (16) zur Aufnahme des Schafts (27) des Ventilkörpers (24) vorgesehen ist.

17. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (27) den Membranstreifen (18) durchdringt, und der Membranstreifen (18) auf der Schulter (17) des Ventilkörpers (24) aufliegt.

18. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der auf der Schulter (17) des Ventilkörpers (24) aufliegende Membranstreifen (18) durch eine auf den Schaft (27) aufgeschraubte Hülse (23) gegen die Schulter (17) gedrückt ist.

19. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Membranstreifen (18) aus LATEX besteht.

20. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (23) im Längsschnitt T-förmig gestaltet ist und sich auf ihrem breiten Ende eine als Druckfeder verwendete Feder (19) abstützt.

21. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (3) den Piezo-Biegewandler (31), den Grundkörper (28) und eine Abdeckkappe (6) umfaßt.

22. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (3) mittels am Gehäuse (2) verankerter lösbarer Schraubbolzen (4, 5) sowie lösbarer Muttern (8, 9) mit dem Gehäuse (2) verbunden ist.

23. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (3) in einer Aussparung (7) des Gehäuses (2) angeordnet ist.

24. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Schaltung (30) für den Piezo-Biegewandler (31) vorgesehen ist.

25. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltung (30) einen Frequenzgenerator (50) umfaßt.

26. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß je nach gewünschter Biegerichtung des Piezo-Biegewandlers (31) mittels entsprechenden Schaltsignalpegels einer der beiden Transistoren (53, 54) durchgesteuert wird.