KR102233300B1 - 계량 밸브 및 계량 방법 - Google Patents

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유르겐 슈테틀러
마리오 플리스
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버메스 마이크로디스펜싱 게엠베하
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Abstract

본 발명은 계량 물질의 계량을 위한 계량 밸브(1)에 관한 것으로, 상기 계량 밸브는 배출 애퍼쳐(21)를 포함하는 밸브 챔버(33), 상기 밸브 챔버(33) 안 또는 위에 배치된 폐쇄 요소(3), 밸브 챔버 케이싱(23), 및 적어도 하나의 이동 모드에서, 배출 방향(E)으로의 상기 배출 애퍼쳐(21)의 이동에 의해 상기 배출 애퍼쳐(21)를 통해 상기 폐쇄 요소(3)에 의해 계량 물질이 배출되도록, 작동 시 상기 배출 방향(E) 및/또는 수축 방향(R)으로 상기 밸브 챔버 케이싱(23)에 대해 상기 적어도 배출 애퍼쳐(21), 바람직하게는 상기 밸브 챔버(33)를 이동시키는 작동기 조립체(7)를 포함한다. 본 발명은 또한 이러한 배출 밸브(1)를 수단으로 수행될 수 있는 계량 방법에 관한 것이다.

Description

계량 밸브 및 계량 방법{METERING VALVE AND METERING METHOD}
본 발명은 밸브 챔버(valve chamber)를 구비한 계량 밸브에 관한 것으로, 상기 밸브 챔버는 애퍼쳐(outlet aperture), 상기 밸브 챔버 안 또는 위에 배치된 폐쇄 요소(closure element), 그리고 작동기 조립체(actuator assembly)를 포함한다. 본 발명은 또한, 물질을 계량(metering; 유량을 조절)하는 방법에 관한 것이다.
액체 내지 점성 물질, 접착제, 페인트, 인쇄용 니스(printing varnishes) 등과 같은 물질, 결합제(binding agent)에 결합된 솔더 페이스트(solder paste) 등과 같은 전도성 물질, 그리고 LED용 컨버터 물질(converter materials)(일반적으로 충전재, 특히 세라믹 충전재 등의 함량이 높은 점성 페이스트) 등을 계량하는 일은 이러한 물질들을 표적 표면상에 정밀하게 증착하기 위한 것이다. 가령, 마스킹(masking) 및 독터 블레이드법(doctor blade) 등과 같이 비교적 유연하지 않은 과정들을 대신해, 전도성 물질은 전자 회로 기판에 정밀하고 정확하게 증착될 수 있다. 특히 어려운 것은 정확하게 계량된 양의 물질을 적시 적소에 표적 표면에 증착하는 것이다. 이는, 가령 계량 시스템의 노즐(nozzle)을 통해 한방울씩(drop-by-drop) 떨어뜨리는 방식으로 이루어질 수 있는데, 이때 액적들의 크기 및/또는 개수는 노즐의 작동에 의해 가능한 한 정확하게 기설정된다. 또는, 제트(jet)에서 물질을 스퍼터링(sputtering)하거나 미스트(mist)에서 분무하는 방법도 가능하다.
상술한 종래의 계량 밸브는 작동 시 폐쇄 요소를 배출 방향 및 수축 방향으로 이동시키는 작동기 조립체를 포함한다. 보통은, 길쭉한 형태의 플런저(plunger)가 폐쇄 요소로 마련되어 배출 방향으로 이동되었을 때 계량 밸브 노즐의 배출 개구부(outlet opening)를 완전히 폐쇄한다. 플런저가 배출 방향으로 이동되었을 때, 상기 배출 애퍼쳐를 통해 물질을 배출한다.
US 7 767 266 B2에서는 이러한 배출 애퍼쳐의 폐쇄 방식을 폐쇄 요소로서 대체하는 방법을 기재하고 있다. 여기에서는 계량 밸브가 개방형 시스템으로 구현되어 있다. 즉, 계량 나사(metering screw)를 사용해 물질을 노즐의 배출 애퍼쳐 방향으로 공급하면, 물질은 애퍼쳐 간극(gap)에 있는 플런저 옆으로 통과한 후, 수집 강(collection cavity)에 진입하고, 수집 강은 플런저에 의해 압축된다. 이러한 개방형 시스템의 특징은 이론적으로는 물질이 억제되지 않고 배출 애퍼쳐 방향으로 유동할 수 있고, 물질의 점성만이 유동을 방해한다는 것이다. 여기서, 애퍼쳐 간극은 충분히 넓어야 한다. 계량 장치가 개방형으로 구현된다는 것은 또한, 계량 나사의 작동 및 매우 높은 압력을 가함으로써 물질이 배출된다는 것을 의미하는데, 그렇지 않으면 물질의 높은 점성 때문에 배출이 억제되기 때문이다. 이러한 계량 나사는 폐쇄형 시스템에 비해 추가적인 구성 요소를 요구하며; 그 보다 더 중요한 것은, 계량 장치가 고압을 견디도록 설계되어야 하기 때문에 원자재 비용이 크게 상승한다는 것이다. 게다가, 고성능의 강화된 물질을 사용한다 하더라도 높은 압력 때문에 물질의 마모와 파손 또는 실패할 가능성을 배제할 수 없다.
이 외에도, 가령 페인트 등의 액체 매체를 압축 공기로 가압한 후 노즐을 통해 표적 표면에 배출하는 방식의 노즐들도 있다. 이러한 노즐의 예로는 DE 10 2005 011 043 A1에 기재된 것이 있다. 여기서는, 특정 압력에 대한 계량율 설정을 위해, 니들(needle)의 끝(tip)이 노즐의 배출 단면 안으로 연장되어 있고, 특정 작업에 대해 배출 단면의 클리어런스(clearance)를 조절할 수 있도록 니들에 대한 노즐의 위치가 조절가능하다. 이를 통해, 표적 표면에 분사하는 매체의 두께를 설정할 수 있다. 이러한 노즐은 도장용 스프레이건(paint spray gun)에는 적합하나, 고정밀 계량, 특히 적상(drop-wise) 계량 방식에는 적합하지 않다.
정밀 계량은 물질의 점조도(consistency)가 물과 유사하지 않고, 비교적 점성이 있는 매체일 때 특히 어렵다. 이러한 물질의 예로는 고농축 접착제, 고농축 안료 페인트, 또는 안료 함량이 높은 니스(varnish) 등이 있다. 중합체, 특히 긴-고리 중합체의 함량이 높은 물질을 계량하는 일은 특히 복잡하다. 이러한 물질들은 보통 점성이 높기 때문에, 상술한 유형의 계량 시스템의 노즐을 통해 물질을 정밀하고 정확하게 계량하기 위해서는 높은 압력이 필요하다는 것을 의미한다. 이러한 높은 압력을 구현 및 유지하기란 일반적으로 어려운데, 특히 계량 시스템의 밀폐(seal) 및 그 외 민감한 구성 요소들이 압력을 견딜 수 있도록 구성되어야 하기 때문이다. 또한, 계량 물질 압력은, 압력이 표적 표면 방향으로 물질을 가속화한다는 사실의 제한을 받는다. 과도한 가속도로 인한 표적 표면에서의 과도한 충격 속도(impact velocity)는 최종 결과물에 악영향을 준다. 즉, 표적 표면에 물질이 흐릿하게 적층되게 한다.
일반적으로, 액체 내지 점성 물질의 범위에는 유체 속성을 갖는 모든 액체 물질 혹은 물질 혼합물들이 포함된다. 점성의 정의는 물의 점성보다는 높고 고체의 속성에 가까운 점성을 의미한다. 특히, 점성 물질은 요변성(thixotropic) 또는 전단박하(shear-thinning) 속성을 갖는 물질을 의미한다. 이는 물질의 교반 상태(agitated state)에서의 점성보다 휴지 상태(resting state)에서의 점성이 더 높다는 것을 의미하며, 물질이 휴지 상태로 되돌아오면, (상황에 따라, 특정한 휴지 시간 후에) 최소한 원래의 높은 점성에 근접한다는 것을 의미한다. "점성"이라는 용어는 또한, 휴지 상태에서 고체의 특성을 띄고, 교반되었을 때만 유동할 수 있는 물질이나 매체에 적용될 수 있다.
물질을 매우 정밀하게 계량하기 위해서는, 계량 밸브의 노즐에서 물질의 탈리 또는 분리를 매우 정밀하게 구현함으로써, 배출된 물질의 양이 기설정된 양과 가능한 한 정확하게 일치하도록 하고, 그런 다음에는, 계량 밸브 폐쇄 후, 노즐에서 물질이 더 이상 누출되지 않도록 하는 것이 매우 중요하다. 다시 말해, 계량 단계의 끝부분에서 물질이 실질적으로 즉각적으로 탈리되도록 하기 위해 계량 밸브의 폐쇄 메커니즘은 특히 신속하고 효과적으로 이루어져야 한다. "계량 단계의 끝부분"은 물질의 한 줄기의 (간헐적) 중단, 또는 다음 액적을 계량하기 전, 현재 물질 액적 계량이 완료되는 시점으로 정의할 수 있다.
노즐, 즉, 노즐 개구부에서 물질을 즉각적으로 탈리하는 일은, 해당 물질이 확연하게 고분자 속성을 보이는 경우에는 특히 어렵다. 일반적으로, 노즐 개구부를 이미 떠난 물질 부분은 비교적 강력한 가닥(thread)에 의해 여전히 노즐 내의 나머지 물질에 부착되어 있기 마련이다. 바로 이 가닥을 계량 완료 시 탈리시켜야 하는 것이다.
본 발명의 목적은 상술한 유형의 계량 밸브의 효과적인 폐쇄 또는 개방을 구현할 수 있는 대안적인 방법을 제공하는 것이다. 특히 이러한 대안적인 방법은 배출된 물질이 매우 정밀하게 탈리될 수 있도록 해야 한다. 바람직하게는, 좀 더 효과적인 계량 방법, 특히 요변성 및/또는 전단박하 점성 물질에 대한 좀 더 정밀한 방법에 초점을 맞춰야 한다.
상기 목적은 청구항 1의 계량 밸브, 및 청구항 14에 따른 물질 계량 방법에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 계량 밸브는, 적어도 하나의 이동 모드에서 (또는 적어도 하나의 작동 모드에서), 배출 방향으로의 배출 애퍼쳐의 이동에 의해 배출 애퍼쳐를 통해 플런저에 의해 물질이 배출되도록, 작동 시 배출 방향 및/또는 수축 방향으로, 밸브 챔버 케이싱에 대해, 배출 애퍼쳐를 이동시킴으로써, 바람직하게는 배출 애퍼쳐를 포함하는 밸브 챔버의 적어도 일부분들 또는 영역들, 바람직하게는 밸브 챔버 전체를 이동시키도록 구현된 작동기 조립체를 포함한다. 이를 위해, 작동기 조립체는 배출 애퍼쳐를 직접 및/또는 간접적으로 이동시키도록 위치된다. 이하 설명할 바와 같이, 계량 밸브는 다양한 이동 모드 또는 작동 모드로 작동하도록 적합한 제어 유닛에 의해 구현 또는 제어될 수 있다. 이를 통해, 적어도 하나의 작동 모드에서는, 플런저와 배출 애퍼쳐 간의 상대적인 이동을 사용해, 배출 방향으로의 매 이동 시, 배출 애퍼쳐를 통해 가능한 한 빨리 기설정된 (가령 계량된) 물질의 양이 배출된다. 이러한 방법의 장점은, 플런저와 배출 애퍼쳐 간의 빠른 상대적 이동이 바람직한 고정밀 계량 밸브의 경우 특히 유용하다.
본 발명은 폐쇄 요소를 배출 또는 수축 방향으로만 이동시키는 관념에서 벗어나, 폐쇄 요소의 이동의 전부 또는 일부를 배출 애퍼쳐의 이동으로 대체, 바람직하게는 밸브 챔버의 적어도 일부 또는 영역의 이동으로 대체한다. 밸브 챔버는 빈공간(cavity)으로 밸브 챔버 요소(valve chamber element)에 의해 정의 또는 형성되는데, 이 밸브 챔버 요소 안에 상기 빈공간(cavity)이 연장형성되고, 상기 빈공간(cavity)의 크기와 배열(예: 그 위치 및/또는 배향)를 정의한다. 밸브 챔버 요소는 밸브 챔버의 일부로 이해되어져야 하며, 이하 "밸브 챔버" 및 "밸브 챔버 요소" 등의 표현은 호환해서 사용 가능하다. 여기서, 밸브 챔버 요소는 작동기 조립체의 이동들 및 작동기 조립체에 의해 발휘된 힘들이 배출/수축 방향으로의 배출 애퍼쳐의 바람직한 이동으로 이어지도록 변환하는 기계적인 커플링 요소(mechanical coupling element)로서 기능할 수 있다. 본 발명에 따른 방법에서, 밸브 챔버의 내부 크기(높이 또는 부피)는, 작동기(actuator)의 작동 시,이동 방향에 따라, 커지거나 작아질 수 있다.
배출 애퍼쳐는 계량 밸브의 내부로부터 계량 밸브의 외부로 이어지는 원통형 또는 (원뿔형으로) 점점 뾰족해지는 형태의 통로(channel)로 정의된다. 이에 따라, 배출 애퍼쳐는, 한쪽은 계량 밸브 또는 계량 밸브 챔버의 내부에 의해 결합되고, 다른쪽은 그 외부 주변에 의해 결합되며, 또한, 배출 애퍼쳐 통로를 형성하고 밸브 챔버의 일부로 간주될 수 있는 외함 노즐/커버 배열(enclosing nozzle/cover arrangement)에 의해 형성될 수 있다. 배출 애퍼쳐 통로를 향한 이러한 노즐/커버 배열의 표면은 배출 애퍼쳐에 속한 것으로 형성됨으로써, 배출 애퍼쳐의 위치와 이동은 노즐/커버 배열의 위치 또는 이동으로부터 기인한다.
종래 기술과 마찬가지로, 폐쇄 요소와 배출 애퍼쳐는 서로를 향해 이동되거나 서로 멀어지도록 이동된다. 그러나, 이러한 상대적인 이동은 적어도 더이상은 폐쇄 요소에 의해서만 수행되지 않으며, 그 대신 적어도 부분적으로, 또는 심지어 전적으로 배출 애퍼쳐에 의해 수행된다.
작동기 조립체의 도움을 받은 배출 애퍼쳐의 이동은 처음에는 상술한 종래 기술과 동일한 효과, 가령, 폐쇄 요소와 배출 애퍼쳐 간의 상대적인 위치에 있어서 변화를 제공한다. 이는 폐쇄형 시스템에서 계량 밸브의 개폐 이동을 이루어낼 수 있는데, 이 경우 폐쇄 이동은 배출 방향으로의 이동이 될 것이고, 물질이 배출된 후에는, 밸브가 폐쇄될 것이다. 본 발명은 계량 밸브의 폐쇄 효과를 증대시키는 기능을 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 개방형 시스템의 경우에서와 마찬가지로, 가능한 물질 통류의 증감은 배출 및 수축 방향의 정확한 구현으로부터 발생할 수 있다.
첫번째 경우에 있어서, 폐쇄 요소 방향으로의 배출 애퍼쳐의 이동은 물질의 유동 방향에 반하여 작동하는데, 물질이 모두 배출되거나, 가령, 계량 밸브의 내부 방향으로부터 그리고 폐쇄 요소로부터 멀어지는 방향으로 배출 애퍼쳐를 통해 바깥으로 폐쇄 요소에 의해 적어도 보조를 받는다. 이 물질은 단부에서 고의적인 역이동으로 급작스럽게 탈리될 수 있다. 이러한 경우, 본 발명은 물질 줄기가 특정한 기설정된 유동 방향으로 배출 애퍼쳐의 외부로 이동한다는 사실을 활용한다. 이러한 유동 방향에 반하는 역이동은 배출 애퍼쳐, 가령 밸브 챔버 또는 밸브 챔버에서 배출 애퍼쳐를 형성하는 부분에 의해 이루어지고, 그 결과로 물질 줄기가 급작스럽게 중단되고 탈리가 확실하게 이루어진다. 특히 전단박하 또는 요변성 물질들의 경우, 이러한 급작스러운 탈리 또는 유동 방향에 반하는 배출 애퍼쳐의 역이동은 종래 기술의 경우에서보다 물질의 유동을 더욱 확실하게 중단시킨다.
"폐쇄 메커니즘"은 개방형 시스템의 경우에서도 기본적으로는 유사한 방식으로 이해될 수 있으나, 이 경우에는, 물질의 통류(through-flow)가 배출 애퍼쳐의 완전한 폐쇄에 의해 중단되는 것이 아니라, 물질의 점성에 따라, 물질의 추가적인 배출 방지 혹은 물질 유동의 억제는 애퍼쳐의 간극(gap)에 의해 이루어진다.
여기서, 두 가지 유형의 물질(예: 매체 또는 물질)들이 특히 매우 정밀하고 효과적으로 계량될 수 있다. 그 중 한 가지는 솔더 페이스트(solder paste) 또는 전도성 접착제, 가령 연성 입자들로 일반적으로 충진되는 매체이고, 또 다른 한 가지는 실리콘-또는 에폭시-기반 접착제, 가령 매우 단단하거나 연마성이 있는 입자들로 충진되어 열전달, 전기 전열, 또는 광간섭에 사용될 수 있는 물질들이다. 이러한 물질들은 여태까지는 계량하기가 어려웠지만, 본 발명에 따른 계량 밸브를 사용하여 우수하고 고정밀의 계량 결과들이 달성되었다. 이러한 이유들로 인해, 종래 기술에 비해 계량 밸브의 더 많은 요소들 또는 더 큰 부분이 이동되어야 한다 하더라도, 본 발명에 따른 계량 밸브는 효과면에서 놀라운 발전을 달성한다.
밸브 챔버는 배출 애퍼쳐를 구비한 노즐을 포함하는 것이 바람직하다. 배출 애퍼쳐가 배출 방향으로의 이동 시 (특히 밸브 챔버의 이동 시) 폐쇄 요소의 방향으로 이동함으로써 폐쇄 요소에 의해 노즐에서 물질이 배출되고; 배출 애퍼쳐가 수축 방향으로의 이동 시 폐쇄 요소로부터 멀어지도록, 폐쇄 요소가 밸브 챔버 안에 배치되는 것이 특히 바람직하다. 상술한 바와 같이, 수축 방향으로의 이동 시, 배출 애퍼쳐는 폐쇄 요소로까지 이동될 수 있고, 이러한 도움으로 배출 애퍼쳐는 상기 방향으로의 이동의 끝부분에서 자동으로 완전히 폐쇄될 수 있고, 또는 폐쇄 요소와 배출 애퍼쳐 사이의 간극은 너무 작아져서, 점성 물질이 통과할 수 없게 된다.
작동기 조립체는 하나 이상이 작동기(actuator)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 작동기는 밸브 챔버 또는 밸브 챔버 중 배출 애퍼쳐를 형성하는 부분에 결합되고, 밸브 챔버 케이싱에 결합되는 것이 바람직하다.
밸브 챔버 케이싱은 밸브 하우징(valve housing), 가령 기본적으로 폐쇄된 용기(container)일 수 있고, 또는 단순히 밸브 챔버와 작동기 조립체가 안에 배치될 수 있는 프레임을 포함할 수 있다.
폐쇄 요소는 하나의 피스 또는 다수의 피스들로 형성된 요소일 수 있고, 바람직하게는 가령 실리콘으로 이루어진 길쭉한 형태, 가령 원통형, 가령 플런저를 포함할 수 있다는 것이 이해되어져야 한다. 이와 동시에, 폐쇄 요소는 폐쇄 통로에 이동가능하게 또는 고정적으로 배치된 원형 또는 타원형 형태일 수 있다. 폐쇄 요소는 폐쇄 통로, 가령 중공체(hollow body), 바람직하게는 그 내부에 빈공간(cavity)를 형성 또는 에워싸는 원통형 중공체 안에 배치될 수 있고, 이 안에서 폐쇄 요소는 적어도 부분적으로는 상기 빈공간을 폐쇄하도록 배치될 수 있다.
주지할 사실은, 본 발명에서, 폐쇄 작용은 복합적으로 이루어질 수 있고, 폐쇄 요소에 의해 빈공간(cavity)이 완전히 밀폐되지 않을 수 있다는 것이다. 본 발명에 따른 계량 밸브 또한 개방형 시스템일 수 있고, 이는 상술한 바와 같이 특히 전단박하 또는 요변성 물질의 계량을 위해서 바람직하다.
이러한 개방형 시스템을 위해서는, (기본적으로 밸브 챔버 내부로의 배출 애퍼쳐의 연장이자 이러한 경우 배출 애퍼쳐와 함께 이동되는 것인) 폐쇄 요소와 배출 애퍼쳐 또는 배출 통로의 상호 작동은 결정적이다. 적어도 폐쇄 요소와 배출 애퍼쳐 사이의 영역들에서는 물질이 통과할 수 있는 충분히 큰 너비의 애퍼쳐 간극이 형성되어 있어야 한다. 이러한 애퍼쳐 간극은 물질을 위한 배출 통로를 형성한다. 적절히 교반된 상태의 물질은 배출 통로를 통해 유동할 수 있다. 반대로, 교반되지 않은 상태 또는 점성이 단지 약간만 낮춰진 이동 모드나 이동 패턴 중에서는, 물질이 더 이상 유동하지 않고 애퍼쳐 간극에 의해 형성된 배출 통로 안에 유지되는 것이 바람직하다. 이는 배출 간극 또는 배출 통로의 크기에 있어서, 계량 밸브 내부에서의 물질의 적용 가능한 압력 조건 및 보통의 동작 온도에서는, 물질이 더 이상 이동중이지 않게 되거나 단지 약간만 이동하는 상태로 되는 즉시 유동이 일어나지 않거나 본질적으로 유동이 일어나지 않도록 하는 크기로 선택됨을 의미한다. 여기서, 폐쇄 요소와 그와 연계된 애퍼쳐 통로는 공동으로 물질에 대항하도록 작용하며, 이러한 공동 작용에 의해 물질이 억제된다. 궁극적으로, 이러한 폐쇄는, 적절히 교반된 상태의 물질은 비교적 제약없이 통과할 수 있으나, 폐쇄 통로와 폐쇄 요소 간의 상대적인 이동이 멈추면 물질의 요변성 또는 전단박하 속성들 때문에자동으로 폐쇄되는 개방형 구조가 원칙적으로 제공되도록 형성된다. 이러한 상대적인 이동은 배출 애퍼쳐 또는 폐쇄 통로를 이동시킴으로써 발생한다. 따라서, 폐쇄 요소에 대해 폐쇄 통로가 완전한 휴지 상태에 있을 때는 물질의 유동이 발생하지 않는다. 배출 애퍼쳐를 완전히 밀봉할 필요는 없으며, 오히려 배출 애퍼쳐를 항상 개방해 놓는 것이 바람직하다. 또한, 의도적인 물질 계량은 다양한 이동 모드를 통해 제어가 가능한데, 이에 대해서는 아래에서 더 자세히 설명할 것이다.
본 발명에 따른 계량 방법은 본 발명의 계량 밸브와 유사한 것으로, 배출 애퍼쳐 및 밸브 챔버 안 또는 위에 배치된 폐쇄 요소를 포함하는 계량 밸브를 수단으로 물질을 계량하는 방법이며, 이러한 방법을 통해, 적용 가능한 경우, 배출 애퍼쳐, 및 밸브 챔버 중에서 배출 애퍼쳐를 포함하는 부분, 바람직하게는 밸브 챔버 전체는 배출 및/또는 수축 방향으로 밸브 챔버 케이싱에 대해 작동 시 이동됨으로써, 적어도 하나의 이동 모드 시, 수축 방향으로의 배출 애퍼쳐의 이동에 의해, 특정 양의 물질이 플런저에 의해 배출 애퍼쳐를 통해 배출된다. 이를 통해, 배출 애퍼쳐는 작동기 조립체에 의해 밸브 챔버 케이싱에 대해 이동되는 것이 바람직하다.
그외 특히 유리한 본 발명의 실시 예들 및 변경 예들이 종속항들 및 아래 설명을 통해 명백해질 것이다. 계량 방법은 아래의 설명에 명시된 종속항에 따른 특징들을 통해 더욱더 구체화될 수 있고, 그 반대도 마찬가지이다. 다양한 실시 예들의 특징들은 다양한 방식으로 조합되어 본 발명의 범위 내에서 또 다른 실시 예들을 구현할 수 있다.
배출 애퍼쳐의 배출 방향 및 수축 방향은 작동기 조립체의 유효 방향축과 나란하거나 평행하거나 동축으로 배치되는 것이 바람직하다.
작동기(actuator) 또는 작동기 조립체(actuator assembly)의 유효 방향축은 작동기나 작동기 조립체 전체의 주요 연장 방향의 축이 되는 (상상의) 축이자 원하는 압력을 발휘하거나 힘을 가하는 요소로서 기능하는 방향을 의미한다. 작동기 조립체의 유효 방향축들과 배출 애퍼쳐의 배출 또는 수축 방향들이 평행 정렬, 특히 동축 정렬되면, 배출 애퍼쳐의 이동 시 관찰되는 유효 전력 손실, 가령 힘의 손실이 특히 낮아진다. 이는 한편으로는 배출 애퍼쳐의 정밀도를 증대시키고, 다른 한편으로는 배출 애퍼쳐 부재의 가능한 속도를 증대시킴으로써, 계량 밸브의 전반적인 효율을 증대시킨다.
본 발명의 특히 바람직한 일 실시 예에 따르면, 몇몇 작동기들의 유효 방향축들은 단일 유효 방향축이다. 이러한 목적으로, 제1 작동기와 제2 작동기는 가령 유효 방향축을 따라 서로 앞뒤로 배치될 수 있다. 또 다른 특히 바람직한 일 실시 예에 따르면, 배출 애퍼쳐의 배출 방향 또는 수축 방향은 작동기 조립체의 작동기들의 공통 유효 방향축을 따라 배치된다. 일반적으로, 작동기 조립체의 다수의 작동기들은 서로 평행하게 또는 동축을 가지고 작동하도록 배치될 수 있다. 이를 통해, 힘들이 최적으로 전달될 수 있는데, 이는 어느 한 순간에 작동기 조립체의 작동기들에 의해 발휘된 힘들이 기본적으로 축적될 수 있기 때문이다. 또한, 작동기 조립체의 유효 방향축에 대해 측면으로 작용하는 힘들을 보상할 필요가 없어지기 때문에 계량 밸브가 더욱더 부드럽게 작동할 수 있다.
두 개의 "직렬-연결된" 작동기들의 이와 같은 공동-작용은 가령 폐쇄 또는 개방 작용, 즉, 배출 애퍼쳐의 스트로크(stroke)를 연장시킬 수 있다. 배출 애퍼쳐의 배출/수축 방향은 가령 (아래에서 더 자세히 설명할) 압전 작동기들이 환형으로 구현된 경우 압전 작동기들의 유효 방향축과 동축으로 배치 수 있고, 또는 작동기들이 다른 방식으로 구현되었을 때에는 유효 방향축에 평행하게 배치될 수 있다. 작동기들의 유효 방향축들과 배출 애퍼쳐의 배출/수축 방향들이 평행하게 및/또는 동축으로 배치되면, 배출 애퍼쳐 이동 시 유효 전력 손실이 크게 낮아진다. 이는 한편으로는 배출 애퍼쳐의 정밀도를 증대시키고, 다른 한편으로는 배출 애퍼쳐의 속도를 증대시킴으로써, 계량 밸브의 전반적인 효과를 증대시킨다.
두 개의 작동기들이 공동-작용하는 것은 특히 바람직한 접근 방법으로, 제1 작동기가 제1 방향, 즉, 배출 방향으로 배출 애퍼쳐를 이동시키고, 제2 작동기가 제2 반대 방향, 즉 수축 방향으로 배출 애퍼쳐를 이동시키는 (또는 그 반대의) 원칙을 따른다. 이에 따라, 제1 및 제2 작동기들은 그들의 이동에 있어서 서로 반대이며, 바람직하게는 서로 반대로 변경된다. 본 발명에서, 이는 어떤 종류의 작동기로도 구현 가능하나, 단순한 구조의 구현을 위해 압전 작동기들로 구현되는 것이 바람직하며, 이에 대해서는 아래에서 더 자세히 설명할 것이다.
폐쇄 요소와 배출 애퍼쳐 모두 계량 밸브 작동 시 이동 가능하게 배치되는 것이 원칙적으로 가능하다. 이러한 방식으로, 가령, 일 작동 상태에서는 폐쇄 요소가 물질의 배출 방향으로 이동되는 동안 배출 애퍼쳐는 그 반대 방향으로 이동되어 두 개 요소들 사이에 더 높은 상대 속도를 달성할 수 있다. 이러한 경우, 폐쇄 요소의 속도 기여도(velocity contribution)가 기본적으로 배출 애퍼쳐의 속도 기여도에 부가되어 그들의 상대적인 속도에 도달할 수 있다. 또 다른 작동 모드에서는, 두 요소들 모두 서로 이격되어, 즉, 폐쇄 요소는 물질의 유동 방향에 대항하게 이동되고, 배출 애퍼쳐는 유동 방향으로 이동될 수 있다. 이러한 방식으로 계량 밸브의 좀 더 신속한 폐쇄 또는 신속한 개방을 달성할 수 있다.
폐쇄 요소는 다른 이유들 때문에도 계량 밸브에 이동 가능하게 배치될 수 있다. 가령, 폐쇄 요소는 배출 애퍼쳐가 극단 위치(extreme position)에 있을 때, 또는 극단 위치에 있을 때만 이동될 수 있다. 특히, 배출 애퍼쳐가 계량 밸브 내부 방향으로 완전히 이동되었을 때, 폐쇄 요소는 배출 애퍼쳐를 완전히 물리적으로 폐쇄하기 위해 배출 애퍼쳐의 방향으로 더 이동될 수 있다. 이러한 방식으로, 상술한 개방형 시스템의 경우에도, 완전한 기계적 폐쇄 효과가 달성될 수 있다. 물리적인 폐쇄는 특히 (가령 증발로 인한) 주변 환경 때문에 물질이 열화되는 것을 방지하고, 및/또는 충전 (특히 제1 충전) 또는 계량 밸브 세척을 용이하게 한다.
일반적으로, 이동 가능한 폐쇄 요소는 가령 폐쇄 요소의 정의된 최대 스트로크가 뒤따르도록 두 개의 정의된 중지점(stops)들 사이를 오고 가도록 배치될 수 있다. 폐쇄 요소의 중지 위치는 무부하 상태(unloaded state)의 인장 스프링(tension spring)에 의해 달성될 수 있다. 또한, 가령 스핀들(spindle)의 보조를 받아 다양한 중간 위치들에서 (제어된 방식으로) 폐쇄 요소를 이동시킬 수 있다. 폐쇄 요소를 구동시키기 위해, 전기구동 (스핀들) 시스템, 리프팅 솔레노이드(lifting solenoids), 공압 및/또는 수압식 피스톤 등을 사용할 수 있다. 또한, 가령, 나사(screwing) 조임을 사용해 폐쇄 요소의 위치를 설정하는 등 폐쇄 요소의 위치를 손으로 설정할 수 있다. 이러한 위치 설정은 계량 밸브, 특히 배출 애퍼쳐 방향으로의 배출 통로들을 해당 물질 및 특히 물질의 점성에 맞게 조절하는 기능을 할 수 있다.
폐쇄 요소는 밸브 챔버 케이싱에 고정적으로 부착되는 것이 바람직하다. 폐쇄 요소를 밸브 챔버 케이싱에 고정시키는 것은 직접적으로 이루어질 수 있는데, 이는 폐쇄 요소가 밸브 챔버 케이싱에 직접 연결되는 것을 의미하고, 또는 간접적으로 고정될 수도 있는데, 이는 밸브 챔버 케이싱과 폐쇄 요소들 사이에 하나 이상의 연결 요소들이 부착될 수 있음을 의미하고, 이로 인해 폐쇄 요소는 밸브 챔버 케이싱에 고정된다. 폐쇄 요소를 밸브 챔버 케이싱에 연결 또는 고정시키게 되면, 폐쇄 요소가 종래 기술과 다르게 이동될 수 없음을 의미하고, 이는 계량 밸브의 배출 및 수축 이동들이 배출 애퍼쳐의 이동에 의해서만 달성된다는 것을 의미한다.
고정식 폐쇄 요소를 기반으로 하는 이러한 구조는 (이동 가능한 배출 애퍼쳐와 이동 가능한 폐쇄 요소를 구비한 계량 밸브에 비해) 계량 밸브의 구조가 비교적 단순하게 유지될 수 있다는 이점이 있다. 이에 따라, 계량 밸브의 작동은 덜 복잡하고 제어 및 통제하기가 더 용이한다.
바람직하게는, 밸브 챔버 케이싱은 밸브 챔버 하우징을 구비한다. 가령, 밸브 하우징을 포함하거나 바람직하게는 밸브 하우징으로 구현될 수 있다. 밸브 챔버는 그러한 밸브 하우징에 의해 형성, 바람직하게는 에워싸일 수 있다. 밸브 하우징은 기본적으로 계량 밸브의 외부로부터 밸브 챔버를 밀봉함으로써, 밸브 챔버의 기능이 불순물이나 통제되지 않은 기체 유입으로부터 부정적인 영향을 받지 않도록 한다. 이를 통해, 매우 원활한 작동이 가능하며 실패율이 낮아진다.
또는, 밸브 챔버 케이싱은 밸브 챔버가 배치되는 단순한 뼈대(framework)를 포함할 수 있다. 이는 밸브 챔버가 바깥에서 밀폐된 것이 아님을 의미하며, 이는 계량 밸브의 이동 가능한 요소들에 접근하고 계량 밸브의 작동을 시각적으로 모니터하는데 유리하다.
이미 상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따르면, 작동기 조립체는 적어도 하나의 압전 작동기를 포함한다. 이는 적어도 하나의 작동기 또는 작동기 조립체가 압전 원리를 바탕으로 한다는 것을 의미한다. 바람직하게는 작동기 조립체의 몇몇 작동기들, 가장 바람직하게는 모든 작동기들이 압전 작동기들을 포함한다. 이로 인해 기계 원리들 또는 여기(excitation)의 전기 원리들을 바탕으로 한 추가적인 작동기 없이도 간단한 기능적 원리, 즉, 압전 원리를 바탕으로 배출 애퍼쳐의 이동을 제어할 수 있다. 이는 작동기 조립체를 특히 간단하고 효과적으로 제어 및 조율할 수 있도록 한다.
일반적으로, 다른 기계적인 또는 전기기계적인 또는 공압/수압 시스템들과 비교해, 압전 작동기들은 매우 정밀하고 신속한 제어 가능성의 이점, 특히 매우 짧은 반응 시간을 갖는다. 또한, 비교적 차지하는 공간이 작다. 본 발명에서, 압전 작동기는 몇몇 요소들, 가령 복수의 층으로 형성된 또는 평행하게 인접한 압전 결정(crystal) 또는 결정층들 또는 그와 유사한 압전 요소들로 구성되나, 가령 개개의 요소들을 제어하기 위한 공유식 전기 연결을 포함함으로써 제어 유닛에 의해 하나로서 제어되는 복합체를 형성하는 구성 요소인 것으로 이해되어져야 한다. 작동기의 압전 요소들은 각각 가령 압전 요소들의 확장이 누적되는 직렬 연결로서 기능하거나, 가령 압전 요소들이 유효 압력 면적을 늘리도록 서로 나란히 연결되는 병렬 연결로서 기능할 수 있다. 다수의 병렬 작동기 요소들의 경우, 각각의 작동기는 직렬-연결된 압전 요소들의 스택(stack)들(이하 압전 스택들)로 구현될 수 있다.
본 실시 예의 추가적인 바람직한 변형에 따르면, 작동기 조립체는 두 개의 압전 작동기들을 포함한다. 상술한 바와 같이, 협력하는 두 개의 압전 작동기들을 사용해 배출 또는 수축 방향으로의 스트로크 길이를 늘릴 수 있다. 실질적으로는 (동일한 구조를 갖는 작동기들의 경우에는) 두 배로 늘릴 수 있다. 바람직한 일 실시 예에 따르면, 그러나, 계량 밸브는, 제1 압전 작동기는 작동 시 수축 방향으로 배출 애퍼쳐를 이동시키고, 제2 압전 작동기는 작동 시 배출 방향으로 배출 애퍼쳐를 이동시키도록 (또는 그 반대로) 구현된다. 이에 따라, 압전 작동기들은 밸브 챔버 케이싱과 배출 애퍼쳐에 결합되고 그들의 유효 방향으로 정렬됨으로써, 이들 두 방향들로 배출 애퍼쳐가 각각 반대로 이동할 수 있도록 한다. 유효 방향축들, 즉 (가상) 축들은 작동기들의 힘을 가하는 축인 연장 축들, 즉 부하 요소들로서 기능하는 축들을 따라 배치되고, 기본적으로 배출 애퍼쳐의 배출 및/또는 수축 방향으로 배치된다.
다시 말해, 두 개의 압전 작동기들은 서로 마주보고 연결되어, 푸쉬-푸쉬(push-push) 구조가 구현되고, 이러한 구조에서는, 언제 어느때나 압전 작동기들 중 하나가 배출 애퍼쳐나 밸브 챔버에서 그에 해당하는 부분을 직간접적으로 밀게 된다 (가령, 추가 메커니즘을 사용해). 즉, 두 개의 작동기 중 하나가 연장되어 배출 애퍼쳐를 두 방향 중 하나의 방향으로 미는 동안, 제2 작동기는 수축하고, 이에 의해 배출 애퍼쳐가 원하는 방향으로 이동하기 위해 필요한 공간이 생기게 된다. 배출 애퍼쳐가 반대 방향으로 이동되면, 작동기들의 기능들은 역으로 일어난다. 즉, 제2 작동기가 다시 확장되어 배출 애퍼쳐를 미는 동안, 제1 작동기는 수축해서 공간을 만든다. 특히 안정된 압전 작동기 시스템이 이러한 방식으로 제공되는데, 이는, 압전 요소들은 일반적으로 압축을 받으면 탄성을 가지나, 인장 부하(tensile loading)는 압전 요소들이 손상 또는 완전히 파괴되도록 할 수 있기 때문이다. 작동기들의 크기, 배치 및 제어는, 수축하는 작동기가 계속해서 (작은) 역압(counter-pressure)을 가함으로써 확장하는 압전 작동기의 특정한 예압(preloading)을 보장하여, 확장하는 압전 작동기가 그 이동이 끝났는데도 과도하게 이동하는 것을 막도록 선택하는 것이 바람직하다. 이는 압전 요소들을 손상시킬 수 있는 내부 응력을 방지 또는 최소화한다. 이는 배출 애퍼쳐가 높은 주파수와 매우 급격한 이행(transition)으로 빠르게 이동하도록 한다. 또한, 결합한 두 개의 압전 작동기들의 유효 방향축으로의 총 길이가 항상 같게 될 수 있고, 서로의 연장을 상쇄시킬 수 있다. 다시 말해, 작동 중인 제1 압전 작동기의 이동은 제2 압전 작동기의 이동을 상쇄시키는 것이 바람직하고, 작동 중인 제2 압전 작동기의 이동은 제1 압전 작동기의 이동을 상쇄시키는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로, 계량 밸브의 전체 구성 (특히 외부 구성)에 대한 기계적인 응력들은 가능한 낮게 유지될 수 있다. 관성력을 제외하고, 바깥 방향으로 작용하는 힘들은 기본적으로 존재하지 않는다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 적어도 하나의 압전 작동기는 원통형으로, 바람직하게는 튜브형으로 구현된다. 이를 통해, 균일한 방식으로 구현이 가능하고 특히 유리한 단면을 포함할 수 있다. 가령 밸브 챔버, 구체적으로는 밸브 챔버 케이싱이 특히 직접적으로 에워싸는 작동기 챔버(actuator chamber) 안에 바로 삽입될 수 있는데, 작동기 챔버들이 단면이 원통형이면 직사각형으로 구현되는 작동기 챔버에 비해 제조와 제공이 특히 간단하기 때문이다.
그러나, 적어도 하나의 압전 작동기를 비원통형 방식으로 구현할 수 있다. 가령 직사각형으로 구현할 수 있다. 또한, 제1 원통형 압전 작동기와 제2 비원통형 작동기를 조합하는 것도 가능하다. 직사각형 작동기는 제조가 더 간단하고 따라서 확보하기가 더 용이하다. 원통형 작동기와 비원통형 작동기의 조합은 한편으로는 원통형, 바람직하게는 튜브형 작동기를 사용하는 이점, 즉 폐쇄 요소와 바로 연결되는 이점을 누릴 수 있다. 또 다른 한편으로, 비원통형 작동기는 비용과 노력을 어느 정도까지 절감할 수 있다.
많은 적용 예의 경우, 압전 작동기들이 둘다 동일하게 구성되는 것이 바람직하다. 이를 통해 두 압전 작동기들을 조율하는 수고를 덜을 수 있을 뿐만 아니라, 작동기 챔버의 구현, 및 제어 시퀀스를 조율해야 하는 수고를 덜 수 있다.
배출 애퍼쳐를 이동시키는 요소, 바람직하게는 밸브 챔버는 제1 및 제2 (압전) 작동기들 사이에 단단하게 클램프(clamp) 결합될 수 있다. 이로 인해, 작동기들과 밸브 챔버 사이에 효과적인 힘의 이동이 이루어질 수 있어, 마찰과 부하-이전 손실을 크게 줄임으로써, 계량 밸브 전반의 효과를 늘리는데 기여할 수 있다.
상술한 바와 같이, 두 개의 (압전) 작동기들 중 적어도 하나는 밸브 챔버 케이싱의 작동기 챔버 또는 밸브 챔버 하우징 안에 배치되는 것이 유리하다. 두 압전 작동기들 모두 공통의 작동기 챔버 안에 배치되면 특정한 이점이 따른다. 이는 손실이 증가하지 않도록 두 작동기들의 협력을 최적화, 특히 최적으로 조율하는 것을 가능하게 한다. 가령, 제1 작동기와 제2 작동기의 배출 및/또는 수축 방향으로의 이동을 작동기 챔버 안의 특정한 최대 총 크기로 제한할 수 있다. 이러한 최대 총 크기는 작동기 챔버의 내부 크기에 의해서만 정의될 수 있다. 그러나, 특정한 최대 총 크기를 정확하게 달성하도록 내부 크기를 줄이기 위해 스페이서(spacer)들을 작동기 챔버 안에 배치할 수 있다. 이러한 스페이서들을 이용해, 총 크기를 다양하게 구현할 수 있다. 가령, 나사나 그와 유사한 조정 요소들을 사용해 작동기 챔버 바깥에서 스페이서를 정밀 조정할 수 있다.
작동기 조립체는 밸브 챔버의 시트 배열(seat arrangement)과 밸브 챔버 케이싱, 특히 밸브 하우징의 카운터-시트 배열(counter-seat arrangement) 사이에서 연장형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 밸브 챔버를 배출 방향 또는 수축 방향으로 이동시키기 위해 밸브 챔버 케이싱(또는 그 카운터-시트 배열)과 밸브 챔버(또는 그 시트 배열) 사이에서 작동기에 의해 힘이 발휘된다.
상술한 바와 같이, 폐쇄 요소는 낙하 형상, 구형, 타원형, 불규칙적인 형상, 1측면 원뿔형 또는 2측면 원뿔형으로 구현될 수 있다. 그러나, 계량 밸브가 폐쇄 요소의 유효 방향을 그 길이방향 연장부분(longitudinal extension)을 통해 정의하는 폐쇄 요소를 포함하는 것이 특히 바람직하다. 바람직하게는, 길쭉한 형태의 플런저를 포함한다. 이러한 플런저는 기본적으로는 원통형으로 구현되나, 외부면의 일부분들에 볼록한 부분(bulges)들이나 오목한 부분(recess)들을 포함할 수 있고, 관통홀(through-hole)(모든 폐쇄 요소 구현 예에 적용 가능하다)로도 구현될 수 있다. 이러한 볼록한 부분들 또는 오목한 부분들은 폐쇄 요소를 다른 기계 시스템들의 결합 요소들과 연결하는데 사용될 수 있다. 이러한 연결 지점들을 통해, 폐쇄 요소의 제어된 이동 및/또는 고정을 목적으로 그러한 시스템에서 압력-맞춤(force-fit) 또는 형태-맞춤(form-fit)이 달성 가능하다.
특히, 폐쇄 요소는 적어도 하나의 압전 작동기의 형태로 인해 형성된 빈공간(cavity) 안에 적어도 부분적으로 배치될 수 있고, 나머지 다른 작동기(가령 압전 작동기)도 속이 비어 있을 수 있다. 이러한 압전 작동기들 중 하나의 빈공간 영역 안에 폐쇄 요소가 배치되는 것은 특히 조밀한 구조를 제공한다.
밸브 챔버가 적어도 부분적으로는 몇몇의, 바람직하게는 적어도 세 개의 평행하게 배치되고 평행하게 작동하는 (바람직하게는 압전) 작동기 요소들로 에워싸이도록 계량 밸브를 구현하는 것이 특히 바람직한 것으로 밝혀졌다. 이에 따라, 작동기는 밸브 챔버를 이동시켜 배출 애퍼쳐 또한 특정 방향으로 이동시키는데 필요한 힘들을 집단적으로 전달하는 몇몇의 작동기 조립체들을 포함한다. 다시 말해, 작동기는 하나의 피스로 구현되는 것이 아니라, 서로 공간적으로 분리되어 있고 밸브 챔버를 중심으로 다양한 위치에 배치된 몇몇의 부분 작동기들 또는 작동기 요소들을 포함한다. 작동기 요소들로부터 발생하는 힘들은 기본적으로 축적되어, 결합된 힘, 즉 총 작동력(total actuator force)을 제공한다.
바람직하게는, 밸브 챔버에는 두 개 그룹의 (바람직하게는 압전) 작동기 요소들이 적어도 부분적으로 마련되는데, 제1 그룹의 작동기 요소들은 제1 작동기로서 함께 연결되고, 제2 그룹의 작동기 요소들은 제2 작동기로서 함께 연결된다. 이러한 방식으로, 작동 시, 두 개의 작동기들은 각각 특히 바람직하게는 특정 방향으로 힘을 발휘하는데, 제1 작동기는 유리하게는 배출 방향으로 힘을 발휘하고, 제2 작동기는 반대 방향, 즉 수축 방향으로 힘을 발휘하고 (또는 그 반대), 이에 의해 작동기 및 반작동기 시스템이 제공된다. 궁극적으로, 이는 상술한 바와 같이, 두 개 그룹의 작동기 요소들, 즉 두 개의 작동기들로 구성된, 푸쉬-푸쉬 배열을 제공한다.
하나 이상의 작동기 요소들을 포함하는 작동기의 작동기 요소들은 바람직하게는 배출 애퍼쳐 또는 밸브 챔버의 이동 방향축에 평행하게 가동하고, 이동 방향축에 수직인 평면에 대해 회전 대칭인 상태로 밸브 챔버를 중심으로 균일하게 분포된다. 이러한 작동기의 이동 방향축은 계량 밸브의 길이방향 축인 것이 바람직하다. 작동기 요소들을 균일하게 분포하는 일은 밸브 챔버의 중심 축에 대한 성형 구성(star configuration) 및/또는 그 외 방사상의 수직 구성을 통해 달성될 수 있다. 균일한 분포-가령 두 개의 완전히 마주보는 작동기 요소들의 배치 또는 밸브 챔버의 중심 축을 중심으로 서로 120도로 배치되는 분포-는 작동기 요소들에 의한 힘들이 균일하게 분포되도록 하고, 이에 따라 계량 밸브가 고도로 안정되고 원활한 가동을 할 수 있도록 한다.
밸브 챔버는 하나 이상의 부분들을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 밸브 챔버는 밸브 챔버의 이동 방향축에 대한 배출 애퍼쳐 영역에 배치되는 밸브 챔버 머리부분(valve chamber head) 및 밸브 챔버 코어 몸체(valve chamber core body)를 비롯한 적어도 두 개의 부분들을 포함한다. 가령, 작동기 조립체의 시트들은 밸브 챔버 코어 몸체에 배치되는 반면, 밸브 챔버 머리부분은 배출 애퍼쳐가 배치된 계량 밸브 노즐과 협력할 수 있다. 특히, 이러한 실시 예는, 밸브 챔버 머리부분만이 또는 그 부분들 만이 물질과 접촉하고, 즉 물질이 이 영역에서만 유동하는 반면, 밸브 챔버 코어 몸체는 시일(seal)의 도움을 받아 계량 물질로부터 분리되도록 구현될 수 있다. 이를 통해, 작동기 조립체가 유체, 가령 물질이 통과하는 영역으로부터 공간적으로, 기능적으로, 및 물리적으로 분리됨으로써, 물질이 작동기 조립체의 작동을 방해하지 않도록 할 수 있다.
본 발명의 추가적인 바람직한 일 실시 예에 따르면, 적어도 하나의 지지 시트(supporting seat)가 가령 밸브 챔버(구체적으로는 밸브 챔버 바깥) 상의 브래킷(bracket) 또는 베어링 코(bearing nose) 상에 배치될 수 있고, 작동기는 밸브 챔버의 시트와 밸브 챔버 케이싱(구체적으로는 밸브 챔버 하우징)의 카운터-시트(counter-seat) 사이에 연장형성될 수 있다. 작동기는 상기 시트와 카운터-시트에 의해 그 단부에서 지지된다.
또한, 밸브 챔버 케이싱의 카운터-베어링 표면은 카운터-베어링 매스(counter-bearing mass)상에 배치될 수 있는데, 이 카운터-베어링 매스는 바람직하게는 밸브 챔버 케이싱의 고정 부분, 가령 밸브 하우징에 스프링 장착식으로 배열되는 것이 바람직하다. 이러한 스프링 장착식 배치는 밸브 하우징에 배치된 판 스프링(plate spring)에 의해 구현될 수 있다. 스프링 장착은 해당 작동기 또는 작동기 요소에 예비-인장력(pre-tension)을 발휘함으로써, 추가적으로 압전 작동기들 또는 압전 작동기 요소들은 응력을 상당히 덜 받게 된다. 특히, 압전 작동기 요소들은 초기 위치를 취하기 위해 턴-온되자마자 즉시 연장될 수 있다. 수반되는 힘들은 스프링 장착식 카운터-매스로 효과적으로 전달된다. 본 발명의 특히 바람직한 일 실시 예에 따르면, 카운터-베어링 매스의 매스는 밸브 챔버의 매스보다, 적어도 두 개, 더 바람직하게는 네 배 이상 크다.
본 발명의 계량 밸브의 또 다른 바람직한 일 실시 예에 따르면, 밸브 챔버는 또한 물질을 위한 개구부(opening), 바람직하게는 두 개의 개구부, 가령 보어(bore)를 포함한다. 이 개구부(들)은 밸브 챔버의 내부로 물질을 안내하는 역할을 하며, 밸브 챔버 안에서 물질은 배출 애퍼쳐 방향으로 안내된다. 이에 따라, 밸브 챔버 안에서의 개구부(들)의 영역은 밸브 챔버의 유체 영역을 형성하는데, 이는 상술한 바와 같이, 링 시일(ring seal) 등의 시일들에 의해 계량 밸브 또는 밸브 챔버의 작동기 영역으로부터 분리될 수 있다. 밸브 챔버가 두 개의 개구부를 갖도록 구현되면, 이 두 개의 개구부들을 사용해 두 가지 물질을 별도로 밸브 챔버 안으로 이동시켜서 그곳에서 혼합될 수 있도록 할 수 있고, 밸브 챔버 내부에서 물질의 순환이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다. 이러한 순환은 상술한 요변성 또는 전단박하 물질들의 경우 특히 유리한데, 이는 물질이 밸브 챔버 안에서 계속 움직이게 되기 때문이다. 상기 두 개의 개구부들은 밸브 챔버의 중앙으로 이어지지 않는 것이 바람직하다. 즉, 밸브 챔버의 중심 방향으로 형성되지 않고, 측면에서 밸브 챔버 안으로 개방되도록 형성됨으로써 이동의 주요 경로가 중심을 피하도록 하는 것이 바람직하다. 이러한 개구부들의 "경사진(skewed)" 정렬은 물질이 효과적으로 자동으로 혼합됨으로써 움직이는 상태를 유지하도록 하는 이점을 갖는다.
본 발명에 따른 계량 밸브는 공급선(feed line)에 의해 밸브 챔버에 연결된 계량 물질 저장소(metering material reservoir)를 또한 포함하는 것이 바람직하다. 공급선과 밸브 챔버의 개구부들에 의해, 계량 물질 저장소는 밸브 챔버 내부로 유체 연결된다. 계량 물질 저장소는 또한 계량 밸브로부터 (임시로 경우에 따라) 분리되고, 공급선이나 임시 연결 (예: 기계적인 유지 수단)에 의해 작동 시 계량 밸브에 연결되는 기능 요소로 구현될 수 있다.
계량 밸브의 노즐은 가령 다양한 점성 또는 물질 속성을 갖는 다양한 물질들이 계량될 수 있도록 하고 용이한 서비스 제공을 보장하기 위해 교체가능한 것이 바람직하다. 이러한 목적으로, 노즐은 노즐 캡(cap)에 의해 계량 밸브의 바깥에서 끼워져 계량 밸브에 연결될 수 있다. 노즐 캡을 제거하면 노즐을 노출시켜 교체가 용이하다.
계량 밸브의 노즐에는 가열 구성이 마련되는 것이 더 유리한데, 이 가열 구성을 이용하면 노즐이 물질의 점성을 설정하는데 도움이 되는 온도를 갖도록 할 수 있다. 본 발명의 특히 바람직한 일 실시 예에 따르면, 이러한 가열 구성은 노즐에 부착 및 탈착될 수 있다. 이는 가령 가열 구성과 노즐 사이의 클램프(clamp) 등의 비영구적인 연결에 의해 이루어질 수 있다. 이러한 방식으로, 노즐 또는 노즐 부분들의 교체 등의 노즐 서비스 단계들이 간소화될 수 있다.
가열 구성을 사용해 계량 밸브의 노즐을 가열하는 것이 종종 유리하나, 작동기 작동 시 계량 밸브의 내부, 즉 밸브 하우징이나 밸브 챔버에서 높은 온도가 발생할 수 있다. 따라서, 바람직한 일 실시 예에 따르면, 밸브 하우징 및/또는 밸브 챔버는 작동기 조립체를 냉각시키기 위한 냉각 매체를 운송하기 위한 적어도 하나의 냉각 통로를 포함한다. 어떠한 종류의 유체나 기체 냉각 매체가 이러한 목적으로 사용될 수 있고, 냉각 통로는 냉각 매체의 기술 요건들을 충족하기 위해 적합한 기계 및 화학 속성들을 갖도록 구현될 수 있다. 공기, 특히 압축 공기를 사용하는 것이 바람직한데, 압축 공기는 그 높은 유동 속도 때문에 열이 더 신속하게 제거되도록 하기 때문이다. 공기는 가령 증착이나 화학적 방해 등 작동기 조립체의 작동기들의 작동에 부정적인 영향을 거의 주지 않는 이점이 있다. 냉각 통로는 냉각 매체가 작동기 조립체의 작동기들 주변을 유동하도록 배치 및 구현되는 것이 바람직하다. 냉각 매체는 계량 밸브의 적합한 포트를 통해 냉각 채널 안으로 공급된다. 이 경우, 냉각 매체를 위해 두 개의 포트, 즉 주입 포트(inlet port)와 배출 포트(outlet port)를 사용할 수 있도록 냉각 매체가 순환되도록 하는 것이 바람직하다.
또 다른 중요한 측면은, 작동기 조립체의 작동기들과 계량 밸브 안의 시트들 또는 카운터-시트들 간의 연결이다. 작동기 (또는 작동기 요소)와 시트 간의 단부면 결합은 넓은 표면적으로 하는 것이, 작은 표면적으로 결합하는 것보다 바람직한데, 이는 연결 영역에서의 응력을 줄이기 위함이다. 이 문제에 대한 특혀 효과적인 해결책은 수평유지 화합물(levelling compound), 바람직하게는 접착제를 사용해 작동기들의 외부 단부면을 시트들 및/또는 카운터-시트들에 결합하는 것이다. 수평유지 화합물 또는 접착제는 작동기 (또는 작동기 요소) 와 시트/카운터-시트 영역 간의 접촉 면적을 증대시킨다. 가령 유지 보수를 위해 구성을 해체해야 하는 경우, 접착제를 해제하기 위해 작동기에 대해 시트/카운터/시트의 보어(바람직하게는, 나사산 보어)를 통해 볼트나 나사(screw)를 가압함으로써 압력을 가할 수 있다. 수평유지 화합물이나 접착제 대신, 휨력(bending force)를 피하기 위해 원형 지지 요소들을 수단으로 시트들/카운터-시트들에 작동기들을 결합할 수 있다.
본 발명의 계량 방법은 각각 적어도 하나의 압전 작동기 요소를 포함하는 제1 작동기와 제2 작동기가 그들의 최대 인가 가능 전압의 50%까지 충전되도록 상기 제1 및/또는 제2 작동기를 포함하는 작동기 조립체가 대기 모드(standby mode)에서 제어되는 것이 바람직하다. 이러한 목적으로, 적합한 규제 또는 제어 유닛이 사용될 수 있고, 이는 각각의 압전 작동기 요소들을 제어함으로써 전압값으로 충전된다. 작동기 조립체를 턴-온 했거나 대기 모드일 때는, 압전 작동기가 예비-인장력 상태 또는 대기 위치에 있게 되는데, 여기서부터 후속 이동을 완료할 수 있다. 이러한 물질은 제1 작동기들과 제2 작동기들이 서로 마주보게 연결되었을 때, 즉 정확하게 반대되는 유효 방향들을 가질 때 특히 적합하다. 이러한 방식으로, 두 개의 작동기들은 서로 균형을 유지하도록 하여, 배출 애퍼쳐는 두 개의 가능한 극단 지점들 사이의 대략 중간 위치에 제공된다. 극단 위치나 중지 위치는 하나의 작동기가 그것의 최대 인가 가능 전압의 100%로 충전되고 나머지 하나는 최대 인가 가능 전압의 0%로 충전되었을 때 도달하게 된다.
계량 밸브는 일반적으로 계량 시스템으로 구현될 수 있는데, 이러한 계량 밸브를 포함하는 계량 시스템은 규제 또는 제어 유닛, 특히, 계량 밸브의 작동을 규제 또는 제어하도록 구현된 전자 규제 또는 제어 유닛을 포함한다.
이하, 개방형 계량 시스템의 특히 바람직한 일 실시 예의 경우를 예로 본 발명의 특징들을 더 상세히 설명한다.
이러한 계량 시스템은 전단박하 또는 요변성 유체 내지 점성 물질의 계량에 특히 적합하다. 이러한 계량 시스템은 폐쇄 통로를 구비한 노즐을 포함한다. 애퍼쳐 간극 및 적용 가능한 경우 폐쇄 요소는 배출 또는 수축 방향으로 작동 시 자동 제어 유닛에 의해 제어되고, 배출 애퍼쳐 또는 폐쇄 통로는 폐쇄 요소의 외부 표면과 폐쇄 통로의 내부 표면 사이에 애퍼쳐 간극을 제공하기 위해 동일한 평면에서 폐쇄 요소의 단면에 대해 배출 및/또는 수축 방향에 수직인 적어도 하나의 단면에 구현된다. 이러한 배출 간극은 계량 물질을 위한 배출 통로를 적어도 영역들에 제공하도록 형성 및/또는 크기가 형성된다. 제어 유닛은 배출 애퍼쳐의 다양한 이동을 위한 제어 신호들, 및 적용 가능한 경우, 적어도 두 개의 이동 모드시 폐쇄 요소의 이동을 위한 제어 신호들을 발생시키는데, 적어도 하나의 이동 모드 시, 적어도 배출 간극의 영역에서 물질의 점성을 줄이기 위해 의도적으로 배출 애퍼쳐 (및 적용 가능한 경우 폐쇄 요소)를 이동시킨다. 본 발명의 계량 방법 또한 이러한 특징들에 따라 구현될 수 있다. 점성을 낮추는 것은 물질이 추가적인 단계 없이 배출될 수 있도록, 즉, 물질의 점성이 노즐 안에 유지될 수 있을 만큼 높지만, 추가적인 이동 모드 (가령 경우에 따라 배출 애퍼쳐, 폐쇄 요소의 좀 더 강력한 이동에 의한)에서는 쉽게 배출되는 점성을 유지하도록 이동 패턴이 선택된다.
배출 애퍼쳐의 단면에 대한 폐쇄 요소의 단면의 크기는 한편으로는 적용될 물질의 점성 (또는 교반된 상태에서의 점성), 또 다른 한편으로는 물질에 가해진 압력을 바탕으로 선택된다. 다음의 어림 법칙을 따른다.
- 물질의 압력이 높을수록, 애퍼쳐 간극은 작아진다.
- 휴지 상태의 물질의 점성이 낮을수록, 애퍼쳐 간극은 작아진다.
- 교반된 상태의 물질의 점성이 낮을수록, 애퍼쳐 간극은 작아진다.
애퍼쳐 간극의 단면 크기는, 즉 애퍼쳐 간극의 단면적은, 배출 애퍼쳐의 휴지 상태 시 물질이 동일한 압력 조건에서의 자유 유동에 비해 이동하지 않거나 상당히 적게 이동하도록 선택된다. 다시 말해, 폐쇄 요소와 배출 애퍼쳐 사이의 애퍼쳐 간극은 애퍼쳐 간극에도 불구하고, 물질의 전단 점성 때문에 노즐 안에서 폐쇄 효과가 수반되도록 물질 및/또는 물질에 가해지는 압력에 따라 크기가 선택된다. 한편, 애퍼쳐 간극의 크기는, 폐쇄 통로 내에서의 배출 애퍼쳐 (및 적용 가능한 경우 폐쇄 요소)의 충분한 이동이 물질의 점성을 낮춤으로써 물질이 애퍼쳐 간극을 통해 유동할 수 있도록 하고, 용적 공급을 보장할 수 있는 크기로 선택되어야 한다. 이러한 방식으로, 애퍼쳐 간극은 배출 애퍼쳐 (및 적용 가능한 경우 폐쇄 요소)가 이동하는 즉시 물질에 대한 배출구가 될 것이다. 따라서, 폐쇄 요소와 배출 애퍼쳐의 협력에 의한 폐쇄 효과는 일시적이며, 물질을 교반하여 유동하도록 하기 위한 배출 애퍼쳐의 이동에 의해 역행된다.
이러한 방법 또는 이러한 노즐에 의해, 특정 물질들, 및 고점성의 요변성 및 전단박하 물질들이 노즐의 작동 시 배출 애퍼쳐가 이동되었을 때 (경우에 따라 폐쇄 요소와 결합하여) 그들의 점성 특징들을 자동으로 변경하거나 감소시키도록 물질들을 준비할 수 있다. 배출 애퍼쳐를 폐쇄하기 위해 배출 애퍼쳐에 폐쇄 요소가 가압되고 노즐을 열기 위해 노즐의 배출 애퍼쳐로부터 폐쇄 요소가 제거되는 종래의 노즐 폐쇄와 반대로, 배출 애퍼쳐는 항상 개방된 채로 유지될 수 있다. 그럼에도, 상술한 종래의 단점들은 발생하지 않는다. 물질에 가해진 압력은 급격히 증가될 필요가 없고, 대신 저점성 물질에 적용 가능한 보통의 압력 조건들을 제공하면 충분하다. 동시에, 노즐의 작동 시 물질의 점성이 감소하면 물질을 계량할 수 있고, 배출 방향으로 더 정확히 계량할 수 있다. 좀 더 정확한 계량이 가능하고, 물질의 각 액적을 매우 정밀하게 기설정된 방식으로 배출할 수 있다. 이는 또한 계량 속도, 즉 본 발명의 계량 시스템의 처리 잠재량을 증대시킨다.
상술한 바와 같이, 바람직하게는 물질의 계량 과정 시 다양한 기능을 수행할 수 있는 적어도 두 개의 서로 다른 배출 애퍼쳐 이동 모드가 (경우에 따라 폐쇄 요소의 이동 모드와 결합할 수 있는) 존재한다.
그 중 제1 기능은 가령 물질을 액체 상태로 유지하는 것이다. 이러한 목적으로, 제1 이동 모드는 배출 애퍼쳐 (및 경우에 따라 폐쇄 요소가) 매우 미세하게 상하 이동하는 이동 패턴을 포함하는 것이 바람직한데, 이때 스트로크 (즉 진폭) 및/또는 주파수 및/또는 시퀀스는 점성을 가령 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 99% 크게 감소시키기 위해 물질 내에서 힘들을 극복하기에 적합하게 선택된다. "매우 미세한" 상하 이동은 스트로크는 (아래에서 설명할) 제2 이동 모드보다 낮고 주파수는 제2 이동 모드보다 높은 이동으로 이해되어져야 한다. 바람직하게는 매우 미세한 이동의 주파수는 10kHz보다 높다. (제2 이동 모드에 비해 높은) 주파수와 시퀀스를 적합하게 선택함으로써, 매우 작은 스트로크의 간단한 진동 이동으로도 점성 감소를 달성하기에 충분하다. 이러한 제1 이동 모드는 또한 물질의 유동을 보장하는 기능을 한다. 그러나, 바람직하게는, 계량 시스템에서의 보통의 압력 조건에서, 진동 이동이 매우 미세한 이동 모드는 그 자체로는 물질이 노즐 밖으로 배출되는 결과를 가져오지 않을 것이다.
이러한 제2 기능은 노즐의 배출 애퍼쳐를 통해 물질을 배출하는 기능을 하는 것이 바람직하다. 이를 목적으로, 제2 이동 모드는 배출 애퍼쳐 (및 경우에 따라 폐쇄 요소)의 배출 이동들이 제공되는 이동 패턴을 포함하고, 이때 스트로크 및/또는 주파수 및/또는 시퀀스는 폐쇄 요소가, 배출 애퍼쳐가 폐쇄 요소에 대해 배출 방향으로 이동될 때마다 노즐의 배출 애퍼쳐를 통해 물질을 액적 또는 분사의 형태로 배출시키도록 선택된다. 배출 애퍼쳐가 수축 방향으로 이동되면, 노즐 안의 물질은 폐쇄 요소 앞에서 유동하고, 배출 방향으로의 배출 애퍼쳐의 다음 이동에서 노즐로부터 배출된다. 이러한 제2 이동 패턴 유형에서는, 스트로크의 길이가 상술한 제1 이동 모드의 매우 미세한 이동 패턴에서보다 긴 것이 바람직하고, 이때 주파수는 제1 기능에 사용된 것보다는 낮고 시퀀스는 제1 기능에 사용된 것보다 긴 간극을 가질 수 있다.
주지할 사실은, 배출 애퍼쳐 (및 경우에 따라 폐쇄 요소가) 실제로 이동하지 않도록 이동 모드가 정의될 수 있다는 것이다. 이러한 이동 모드는 정지(stand-still) 또는 폐쇄 모드로 불릴 수 있는데, 이는 물질이 배출 애퍼쳐가 완전히 활동하지 않을 때 늦춰진 다음, 휴지 상태에서 유지되기 때문이다. 이러한 휴지 상태에서, 물질의 점성은 크게 증가함으로써 애퍼쳐 간극을 통해 더 이상 유동이 일어나지 않게 된다.
또 다른 이동 모드는 두 개의 결합 위치(bounding positions)들 사이의 상하 이동들을 제공하는 이동 패턴을 포함하는 것이 바람직한데, 이때 배출 개구부 (및 적용 가능한 경우 폐쇄 요소)는 특정한 기간 동안 상기 결합 위치들 중 적어도 하나에서 유지된다. 이는 노즐의 배출 애퍼쳐에서 물질을 배출하는데 사용되는 이동 모드에서 특히 유리하다. 이는, 배출 애퍼쳐의 특정 위치에서, 물질이 배출되기 전에 폐쇄 요소 앞을 먼저 유동하거나, 액적이 배출된 후, 물질의 유동이 더 빨리 늦춰지도록 초반에 정착하도록 할 수 있다.
바람직한 일 실시 예에 따르면, 제어 유닛은 다양한 이동들, 가령 다양한 이동 패턴들 및/또는 이동 모드들을 조합하도록 구현 또는 프로그램된다. 가령, 이동 모드에는 다양한 이동 패턴들의 중첩이 포함되는 것이 바람직하다. 특히, 상술한 제1 및 제2 기능들의 이동들은, 가령 제1 이동 패턴에 따른 진동들이 제2 이동 패턴에 따른 큰-스트로크 배출 이동들과 조합되어, 배출 이동들이 일종의 흔들림(jitter)를 보이도록 서로 중첩될 수 있다. 바람직하게는, 상기 다양한 이동 모드들은 순차적으로, 바람직하게는 교차로 수행된다. 이동 모드들이 교차로 수행되는 경우, 물질의 배출이 의도한 바대로 그리고 설정한 시간에 정확하게 이루어지도록 하는 이점이 있다.
개별 이동 모드들에서 수행될 이동 패턴들은, 가령 이동 패턴들에 어떤 정확한 파라미터들(스트로크, 주파수 등)이 포함되는지, 그리고 이동 패턴들이 중첩되는지, 그리고 이동 모드들이 어떠한 순서로 수행되는지는 실제 계량 과제 (가령 물질이 적상 방식으로 계량되어야 하는지, 그리고 그렇다면 액적의 크기와 시간 간극 등) 뿐만 아니라 물질의 파라미터들에 따라 달라지게 된다. 이에 따라, 제어 유닛은 다양한 물질들과 계량 과제들을 위한 이동 패턴들과 이동 모드 시퀀스들을 저장하기 위한 메모리를 포함하는 것이 바람직하다.
물질이 애퍼쳐 간극을 통해 유동하도록 하기 위해서는, 폐쇄 요소의 외부 표면과 폐쇄 통로의 내부 표면 사이에는 물질의 일 입자의 높이, 바람직하게는 적어도 세 개의 입자들이 나란히 했을 때의 거리, 더 바람직하게는 적어도 0.05mm의 거리에 해당하는 적어도 하나의 간극(clearance)을 애퍼쳐 간극이 포함해야 한다. 물질의 적어도 최대 입자가 애퍼쳐 간극을 통과할 수 있도록 해야 한다. 본 명세서에서 "입자"라는 용어는 광의로 해석되어져야 한다. 이는 중합체 고리 또는 그 일부분들을 포함하는 것으로, 중합체 고리에 전단력을 가했을 때 분리될 수 있는 것이다. 본 명세서에서 "최대 입자"는 점성을 상당히 줄이는 전단력들을 가했을 때 존재하는 입자들을 기준으로 정의될 수 있다. 특히 중합체 고리들을 포함하는 물질의 점성이 중합체 고리들의 절단에 의해 감소되어, 작은 입자 크기를 갖게 되고, 그 중 가장 큰 입자가 애퍼쳐 간극을 통과할 수 있어야 한다. 또한, 최소 높이는 물질의 최대 입자들 중 하나를 일컫는 것으로, 그 주요 축의 방향으로 그러나 최소로 연장되었을 때, 물질의 모든 입자들 중 최대 크기를 갖는 입자를 말한다. 상기 최소 높이는 입자가 그 자체의 특정 탄성 경계 내로 압축되었을 때 나타나는 입자 크기로 이해되어져야 한다.
물질의 유동은 특히 복수의 입자들이-가령 두 개, 바람직하게는 적어도 세 개가-애퍼쳐 간극 안에 나란히 들어갈 수 있을 때 일어날 수 있다. 실험 결과, 특히 제어된 유동 또는 제어된 폐쇄 효과를 달성하는데에는 고리형 애퍼쳐 간극이 특히 적합한 것으로 나타났다. 이는 폐쇄 통로의 내부 표면의 원형 단면과 폐쇄 요소의 원형 단면의 조합, 그리고 바람직하게는 폐쇄 통로에서 폐쇄 요소의 축 배열과의 조합으로 달성될 수 있다. 실험 결과, 이러한 원형 애퍼쳐 간극의 경우, 현재 전형적인 압력 조건하에서는, 0.1 mm ± 10% 변수의 단면 간극 너비가 특히 배출 애퍼쳐의 이동 상태에서 (경우에 따라 폐쇄 요소와의 조합으로) 좋은 유동 및 휴지 상태에서의 배출 애퍼쳐의 유리한 폐쇄를 얻기에 특히 적합한 것으로 나타났다. 상술한 물질들의 경우, 0.5 내지 8.0 바의 일반 압력들이 현재 적용되고 있다. 그러나 다른 크기 또한 물론 가능하다. 폐쇄 요소의 외부 표면과 폐쇄 통로의 내부 표면 사이의 애퍼쳐 간극, 즉 애퍼쳐 간극의 클리어런스(clearance)의 상한은 다음과 같이 설정된다. 클리어런스 때문에 물질에 작용하는 유동 저항은 적어도 노즐의 배출 애퍼쳐 영역에서 물질에 작용하는 유동 저항만큼 커야 한다. 폐쇄 통로 영역에서의 유동 저항이 배출 애퍼쳐 영역에서보다 작으면, 물질이 배출 노즐에서 배출되지 못할 것이다. 아래의 클리어런스(즉 간극 너비) 표에 정리된 실험 및 시뮬레이션 결과에 따르면, 배출 애퍼쳐의 길이가 항상 0.5 mm 이고, 물질이 통과하는 애퍼쳐 간극의 길이가 항상 10 mm라고 가정할 때, 클리어런스는 배출 애퍼쳐와 폐쇄 요소의 크기에 따라 달라진다.
배출 애퍼쳐 직경 mm 애퍼쳐 간극 영역에 원통형 플런저로 구현된 폐쇄 요소 직경 mm 최대 클리어런스 mm
0.05

1

 0.006
0.1 0.02
0.2 0.09
0.4 0.35
1 2.3
0.05

1.5

 0.004
0.1 0.015
0.2 0.05
0.4 0.24
1 1.5
0.05

2

 0.003
0.1 0.012
0.2 0.045
0.4 0.18
1 1.12
0.05

4

 0.001
0.1 0.005
0.2 0.023
0.4 0.09
1 0.56
이 파라미터 조합들은 각각의 경우에 바람직한 실시 예들로 이해되어져야 할 것이다.
바람직하게는, 애퍼쳐 간극의 크기와 유동 저항을 선택할 때, 물질이 유체 상태에서 애퍼쳐 간극에서 휴지 상태로 천천히 유도되어 애퍼쳐 간극을 밀폐해야 한다는 사실을 고려해야 한다. 따라서, 애퍼쳐 간극은 특정한 제동 효과를 허용해야 한다. 이 제동 효과는, 배출 애퍼쳐 (및 적용 가능한 경우 폐쇄 요소)가 폐쇄 통로에 대한 이동으로부터 정지 상태로 유도되었을 때 시작되는 것이 바람직하다.
애퍼쳐 간극은, 고리형 또는 그 외 원형 형태를 갖는 대신, 특정한 영역의 단면 형태로만 형성될 수 있는데, 가령 폐쇄 요소에서 오목한 부분(recess)으로 형성될 수 있다. 이러한 경우, 상기 형태는 적용 분야에 따라 개별적으로 선택될 수 있는데, 특히 물질과 그 점성에 압력을 미치는 상술한 파라미터들을 고려해 선택될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 계량 시스템은 복수의 (교체 가능한) 폐쇄 요소들 및/또는 (교체 가능한) 폐쇄 통로들을 포함하는 것이 바람직한데, 이때 적어도 하나의 폐쇄 요소와 하나의 폐쇄 통로는 상호 보완적인 형태로 형성됨으로써, 상술한 유형의 애퍼쳐 간극 형태를 형성할 수 있다. 이러한 교체 가능한 구성들은 각각의 경우에 계량될 물질에 따라 노즐 안에 삽입될 수 있다. 바람직하게는, 상기 (교체 가능한) 폐쇄 요소들 또는 (교체 가능한) 폐쇄 통로들은 각각 그들의 관련 부분들 및/또는 특정 물질에 대한 적용 가능성을 표시하기 위한 표시들을 포함한다. 밸브 챔버 머리 부분은 가령 폐쇄 통로를 포함하거나 형성할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따르면, 노즐은 또한 노즐 영역에 계량 물질 수집 빈공간(cavity)를 포함할 수 있는데, 특히 바람직하게는 배출 애퍼쳐와 경계를 이루는 노즐 단부 영역에 그러한 계량 물질 수집 빈공간을 포함할 수 있다. 이러한 계량 물질 수집 빈공간은 폐쇄 통로와 배출 애퍼쳐 사이에 배치되고, 그 크기와 위치 때문에 폐쇄 요소에 의해 적어도 완전히 충전되지 않도록 형성 또는 위치된다. 계량 물집 수집 빈공간의 단면적은 폐쇄 요소와 폐쇄 통로 사이의 애퍼쳐 간극의 총 면적보다 크도록 형성되는 것이 바람직하다. 개구부 간극을 통과한 물질이 이러한 계량 물질 수집 빈공간에서 수집될 수 있고 그런 다음 배출 방향으로의 이동 시 (경우에 따라 폐쇄 요소의 스트로크와 결합된) 배출 애퍼쳐의 더 긴 스트로크에 의해 배출 애퍼쳐를 통해 정밀하게 배출될 수 있기 때문에, 물질은 신속하게 정밀하게, 특히 적상 형태로 배출될 수 있다.
노즐에 물질을 준비시키기 위해, 계량 물질 저장소로부터 공급선을 통해 공급된다. 원칙적으로는, 애퍼쳐 간극을 일종의 물질을 유지하고 준비하는 영역으로 사용할 수 있는데, 공급된 물질의 부분들이 적층되고 배출 애퍼쳐 (및 적합한 경우 폐쇄 요소)의 적합한 이동들에 의해 액체화되는 영역이다. 그러나, 계량 시스템은 바람직하게는 계량 물질 저장소로부터 물질 공급을 위한 공급선을 포함하는데, 여기서 공급선은 폐쇄 통로에 의해 형성되고 및/또는 노즐의 배출 애퍼쳐로부터 가장 멀리 떨어진 폐쇄 통로의 단부에 배치된 애퍼쳐 간극으로 이어진다. 이러한 경우, 계량 물질 저장소로부터의 공급선은 가령 상술한 밸브 챔버에 개구부들 또는 보어들 위로 애퍼쳐 간극의 채널 통로 영역으로 직간접적으로 이어진다. 이는 애퍼쳐 간극이 물질의 유동을 위한 개방 또는 폐쇄 효과를 발휘하도록 애퍼쳐 간극의 적어도 일부를 통해 물질이 유동해야 하는 효과가 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 계량 시스템은 배출 애퍼쳐의 방향으로 공급선(feed line)에 의해 노즐에 연결된 계량 물질 저장소를 포함하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 물질의 제공은 하나의 유닛으로 구성되고 전달되도록 계량 시스템 안에서 이루어진다.
상술한 바와 같이, 배출 애퍼쳐의 이동은 작동기 조립체의 도움으로 수행된다. 이러한 목적으로, 그리고 압력을 규제하기 위해서, 계량 시스템은 작동기 조립체의 제어 및/또는 계량 시스템의 계량 물질 저장소의 압력의 제어를 위한 전자 제어 유닛을 포함한다. 이러한 제어 유닛은 계량 밸브 안에 배치될 필요는 없고, 외부에 배치될 수도 있다. 제어 유닛은 제어 와이어를 통해 계량 밸브의 내부에 연결될 수 있다. 작동기 조립체 시스템은 내재적인 논리를 바탕으로 기능하지 않고, 전자 제어 유닛에 의해 "지능적" 방식으로 제어되는데, 가령 작동 시스템에 소프트웨어로 부터 발생된 제어 신호들을 제공하는 프로세서를 포함할 수 있다. 이러한 제어 유닛들은 14 kHz 영역에 계량 주파수들을 달성할 수 있는데, 이는 배출 애퍼쳐 (및 경우에 따라 폐쇄 요소)의 이동이 매우 정밀하게 제어될 수 있다는 것을 의미한다. 제어 유닛은 적어도 두 개의 이동 모드로 배출 애퍼쳐 (및 적용 가능한 경우 폐쇄 요소)의 다양한 이동들에 대한 제어 신호들을 발생시키도록 구현될 수 있다.
본 발명의 그 외 목적 및 특징들은 첨부된 도면을 참조로 이하 상세한 설명을 바탕으로 명백히 이해되어질 것이다. 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용했다.
도 1은 도 2에서 제1 길이방향 단면 G-G을 따라 절단했을 때의 본 발명의 일 실시 예에 따른 계량 밸브의 단면도이다.
도 2는 동일한 계량 밸브의 평면도이다.
도 3은 동일한 계량 밸브의 내부에서 선택된 요소들에 대한 상세한 도면이다.
도 4는 동일한 계량 밸브를 도 1의 C-C을 따라 절단했을 때의 단면도이다.
도 5a 내지 도 5c는 동일한 계량 밸브의 상세한 길이방향 단면도, 사시도 및 평면도들이다.
도 6은 동일한 계량 밸브를 도 2의 제2 길이방향 단면 F-F을 따라 절단했을 때의 단면도이다.
도 7a 내지 도 7c는 동일한 계량 밸브의 노즐 캡에 대한 세부 측면도, 평면도, 및 사시도들이다.
도 8a 내지 도 8d는 도 8b에서 B-B를 따라 절단했을 때 아래에서 본 평면도, 측면도 단면도 및 동일한 계량 밸브의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 계량 방법에서 배출 애퍼쳐의 이동 경로를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 계량 방법에서 배출 애퍼쳐의 이동 경로를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 계량 방법에서 배출 애퍼쳐의 이동 경로를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 계량 방법에서 배출 애퍼쳐의 이동 경로를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 6에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 계량 밸브를 다양한 전체 또는 부분 도면들을 통해 도시하고 있고, 도 1 내지 도 6에서는 도 2의 G-G 및 F-F 단면선들을 따라 절단했을 때의 단면도들을 도시하고 있고, 이러한 도면들을 주로 참조로 본 발명을 설명할 것이다.
계량 밸브(1)는 노즐(19)을 구비한 밸브 챔버(33), 그리고 밸브 챔버(33)와 함께 작동기 챔버(53)가 배치된 밸브 하우징(22)을 포함한다. 밸브 하우징(22)은 제1 하부 하우징 부분(23)과 커버(5) 형태의 제2 상부 하우징 부분(5)을 포함한다. 두 하우징 부분(5, 23)들 모두 고정 나사(retaining screw, 41)들에 의해 연결된다.
작동기 챔버(53)는 밸브 챔버(22) 안에 중앙에 배치된다. 커버(5) 아래에는, 제1 압전 작동기(8a)와 제2 압전 작동기(8b)(도 6 참조)가 (중심)축 A을 따라 위치되고, 축 A 방향으로 정렬되고, 판 스프링(39a, 39b)들과 이동 가능한 카운터-몸체(예: 카운터-매스)에 의해 연결된다. 이와 함께, 압전 작동기(8a, 8b)들은 작동기 조립체(7)를 형성한다. 제1 압전 작동기(8a)는 세 개의 제1 압전 작동기 요소(7a, 7b, 7c)들을 포함하고, 제2 압전 작동기(8b)는 세 개의 제2 압전 작동기 요소들(7d, 7e, 7f)를 포함한다. 이러한 작동기 요소들(7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f)은 도 3 및 도 4를 참조로 더 자세히 설명할 것이다.
밸브 챔버(33)는 밸브 하우징(22) 안에 배치되며, 작동기 요소들(7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) 사이에 결합되어 있다. 작동기 요소들(7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f)의 크기와 결합, 및 밸브 챔버(33)의 작동에 대해서는 도 5a 내지 도 5c를 참조로 설명할 것이다.
커버(5) 아래의 하부 하우징 몸체(23) 상의 두 개의 압축된 공기 포트(27a, 27d)들은 도 1의 좌측 측면 상에서 볼 수 있다. 압축된 공기 연결기(27a, 27b)들 아래에는 전자 하우징(25)이 배치되어 밸브 하우징(22)을 통해 연결 보어(10)들을 통과하는 전기 연결 부분(미도시)들을 통해 두 개의 압전 작동기(8a, 8b)들에 연결되고, 계량 밸브 작동 시 이들을 제어하는 제어 유닛(9)을 에워싼다. 여기서, 전자 하우징(25)은 계량 밸브(1)의 밸브 하우징(22)에 고정되나, 이와 동일하게 탈착가능하게 연결될 수도 있다.
이 실시 예에서, 밸브 챔버(33)는 배출 애퍼쳐(21) 영역 또는 계량 밸브 유체들 영역에 밸브 챔버 머리 부분(34), 그리고 특히 작동기 챔버(53) 영역에 밸브 챔버 코어 몸체(36)를 포함한다.
가열 장치(11)가 작동 시 노즐(19)을 가열시키기 위해 노즐(19)에 클램프 결합된다. 노즐(19) 자체는 점점 아래쪽으로 갈수록 가늘어지고, 배출 애퍼쳐(21)에서 종료되는 노즐 몸체(17)를 포함한다. 도면의 하부에 도시된 바와 같이, 노즐 캡(15)이 여기에 부착되어 연결 나사(13a, 13b)들에 의해 노즐(19)을 밸브 챔버(33)에 연결한다. 이러한 방식으로, 노즐 몸체(17)가 노즐 캡(15)과 밸브 챔버(33) 사이에 고정적으로 끼워져서 결국 밸브 챔버(33)의 하부 단부 영역을 형성한다. 밸브 챔버 머리 부분(34)은 노즐 캡(15)과 밸브 챔버 코어 몸체(36) 사이에 클램프 결합된다.
고정 폐쇄 요소(3)는 축 A를 따라 정렬된 밸브 하우징(33) 중앙에 부착된 플런저(3) 형태이다. 플런저(3)가 커버(5)에서 나사 나사산(screw thread, 4)에 의해 밸브 하우징(22)에 고정적으로 연결된다. 이는 작동기 챔버(53)와 밸브 챔버(33)를 통해 삽입되어 밸브 하우징(22)을 개방할 필요 없이 커버(5)를 통해 조여질 수 있다. 노즐(16) 영역에서 안쪽으로 점점 가늘어지는 형태를 가지며, 노즐 몸체(17)의 내부 형태를 따르는 한편, 노즐 몸체(17)와 플런저(3) 사이의 특정한 애퍼쳐 간극(100)을 항상 남겨둠으로써 계량 밸브(1)의 노즐이 바깥쪽을 향해 완전히 밀폐되지 않도록 한다.
노즐(19)은 채널들 또는 개구부들(47a, 47b- 가령 도 8)을 통해 애퍼쳐 간극(100) 안으로 물질(미도시)을 공급하는 계량 물질 공급 유닛(29)에 의해 공급된다. 물질은 배출 애퍼쳐(21) 방향으로 애퍼쳐 간극(100)을 통해 이동한다. 애퍼쳐 간극(100) 영역, 즉 밸브 챔버(33)의 "유체" 부분은 링 시일(31a, 31b)들에 의해 밸브 챔버(33)의 상부 "작동기 영역"으로부터 기능적으로 그리고 유체적으로 분리됨으로써 물질이 이 작동기 영역 안으로 진입하지 못하도록 한다.
상술한 바와 같이, 종래의 계량 밸브들에서는, 폐쇄 요소(3) 또는 플런저(2)가 물질을 배출 애퍼쳐를 통해 이동시키도록 이동된다. 본 발명은 이러한 폐쇄 요소의 움직임으로 부분적으로, 또는 본 실시 예에서와 같이 배출 애퍼쳐(21)의 이동으로 대체한다. 이는 작동기 메커니즘(7)이 밸브 챔버(33)를 이동시킴으로써 유효 방향 축(WR)을 따라 배출 애퍼쳐(21)를 전후로 이동시킴을 의미한다. 이를 위해, 배출 애퍼쳐(21)가 배출 방향(E)으로 상향 이동되고 수축 방향(R)으로 하향 이동된다. 배출 애퍼쳐(21)의 배출 방향(E)은 물질이 플런저(3)에 의해 배출되는 이동 방향으로 이해되어져야 한다. 배출 애퍼쳐(21)가 배출 방향(E)으로 이동하면, 물질이 배출 애퍼쳐(21)를 통해 플런저(3)에 의해 밀린다. 반대로, 수축 방향(R)으로 이동되면, 플런저(3)로부터 멀어지도록 바깥쪽으로 이동되기 때문에 플런저(3)가 배출 애퍼쳐(21)에 대해 수축(retract)된다.
두 개의 압전 작동기(8a, 8b)들 모두 작동 시 축 A를 따라 축 방향으로 본질적으로 이동되도록 배치된다. 압전 작동기(8a, 8b)들은 직사각형 압전 요소들의 압전 스택들이다. 압전 작동기(8a, 8b)들은 서로 반대 방향으로 배향된다. 이는 제1 압전 작동기(8a)가 길이방향, 즉 수직 방향으로 그것의 총 길이를 줄이는 동안, 이와 동시에, 제2 압전 작동기(8b)는 동일한 방향으로 동일한 정도로 그 총 길이를 연장한다. 동일한 방식으로, 제1 압전 작동기(8a)는 길이방향으로 그것의 총 길이를 증가시키는 동안, 이와 동시에, 제2 압전 작동기(8b)는 동일한 방향으로 동일한 정도로 그 길이를 감소시킨다.
계량 밸브(1)의 작동 시, 제어 유닛(9)은 두 개의 압전 작동기(8a, 8b)들의 이동, 즉 그들의 편향(deflection)을 제어하기 위해 두 개의 압전 작동기(8a, 8b)들로 전달되는 제1 및 제2 제어 신호들을 발생시킨다. 제어 신호들은 압전 작동기(8a, 8b)들이 반대로 여기되도록 발생된다. 이는 두 개의 압전 작동기(8a, 8b)들의 이동 패턴이 서로 반대되도록 한다. 배출 애퍼쳐(21)에 연결된 제1 압전 작동기(8a)의 움직임은 배출 애퍼쳐(21)가 상하 방식으로 이동하도록 한다. 제1 압전 작동기(8a)가 동시에 연장되는 동안 제2 압전 작동기(8b)가 수축하면, 배출 애퍼쳐(21)는 제1 압전 작동기(8a)에 의해 배출 방향(E)으로 밀어진다. 반대의 움직임으로, 배출 애퍼쳐(21)는 제2 압전 작동기(8b)에 의해 수축 방향(R)으로 아래쪽으로 밀어진다. 따라서, 이 경우 두 개의 압전 작동기(8a, 8b)들에 의해 공유되는 유효 방향 축(WR)은 배출 및 수축 방향들처럼 축 A상에 정확히 정렬되고, 이에 따라 제1 압전 작동기(8a)와 제2 압전 작동기(8b)에 의해 주어진 작동기 메커니즘(7)과의 배출 애퍼쳐(21)의 간접 커플링은 배출 애퍼쳐(21)가 연장하는 압전 작동기(8a, 8b)에 의해 원하는 방향으로 항상 밀어지도록 한다.
압축된 공기는 작동기 챔버(53) 안에 진입할 수 있고 압축된 공기 연결기(27a, 27b)들을 통해 다시 되돌아가도록 안내될 수 있다. 상부 압축-공기 연결기(27a)는 공기 입구(air inlet, 27a)로 작용하는 동안, 하부 압축-공기 연결기(27b)는 공기 배출구(27b)로 기능할 수 있다. 압축된 공기를 안내하기 위해, 카운터-지지 몸체(37)는 관통-보어(40a, 40b) 뿐만 아니라 두 개의 환형 홈(38, 38b)들을 냉각 통로들로서 포함한다. 압축된 공기는 공기 주입 연결기(27a)로부터 상부 홈(38a)을 통해 해당하는 (상부 수평) 보어(40a)를 통해 밸브 챔버(33)의 상부의 내부 안으로 플런저(3)를 따라 안내되고, 밸브 챔버(33)의 (수평) 보어(40c)(더 냉각시키는 통로로 기능)를 거쳐 작동기 메커니즘(7) 방향으로 진행한다. 이러한 방식으로, 공기는 밸브 챔버(33)와 밸브 하우징(22) 사이에서 작동기 요소(7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f)들 위로 유동하여 카운터-블록(37) 안의 제2 (상부 수직) 보어(40b)들을 거쳐 제2 홈(38b)에 도달하고, 여기서 공기 배출 연결기(27b)에 도달한다. 이러한 방식으로, 압축된 공기는 밸브 하우징의 작동기 챔버(53) 영역에서 냉각 매체로 순환할 수 있고, 특히 작동기(8a, 8b)들을 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 계량 밸브(1), 즉, 작동기들(8a, 8b) 및 작동기 요소(7a, 7b, 7c, 7d, 7e)들을 구비한 밸브 챔버 코어 몸체(36)의 선택된 부분들을 도시한 사시도이다. 여기서, 작동기 요소(7f)는 밸브 챔버 코어 몸체(36)에 의해 가려져 있다. 이 도면은 또한 카운터-몸체(37)와 커버(5)를 도시하고 있다.
제1 작동기(8a)의 작동기 요소(7a, 7b, 7c)들은 그들의 하부 외부면들, 즉 카운터-시트(36b)들에서 배출 애퍼쳐(21) 방향으로 유지되고; 상부 외부면들, 즉 밸브 챔버 코어 몸체(36)에 고정되거나 밸브 챔버 코어 몸체(36)로부터 돌출된 코-형태의 (경사진) 브래킷들의 시트(35a)들에서 반대 단부에 유지된다. 이러한 방식으로, 제2 작동기(8b)의 작동기 요소(7d, 7e, 7f)들은 그들의 하부 외부면들, 즉 대응하는 코-형태의 브래킷들의 시트(35b)들에서 배출 애퍼쳐(21) 방향으로 유지되고; 상부 외부면들, 즉, 카운터-시트(36a)들에서 반대 단부에 유지된다. 시트(36a)들을 구비한 브래킷들은 밸브 챔버 코어 몸체(36)에 고정되거나 밸브 챔버 코어 몸체(36)로부터 돌출된다. 반대로, 시트(36a)들은, 제1 작동기(8a)의 작동기 요소(7a, 7b, 7c)들이 확장하면, 밸브 챔버 코어 몸체(36) 및 그에 따라 배출 애퍼쳐(21) 또한 배출 방향(E)으로 상향 배치되도록 밸브 하우징(22)(도 1 및 도 6 참조)에 대해 (카운터-매스(37)를 거쳐) 스프링 장착식(spring-loaded)으로 설치된다. 제2 작동기(8b)의 작동기 요소(7d, 7e, 7f)들이 확장하면, 밸브 챔버 코어 몸체(36) 및 그에 따라 배출 애퍼쳐(21) 역시 수축 방향(R)으로 하향 배치된다.
도 3, 도 4, 및 도 5a 내지 도 5c의 도움으로, 작동기 요소(7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f)들은 밸브 챔버 요소(45)의 중심 축 A이기도 한 축 A을 중심으로 방사상으로 배치된다. 두 개의 작동기(8a, 8b)들 각각은 세 개의 작동기 요소(7a, 7b, 7c; 7d, 7e, 7f)를 포함하고, 작동기(8a, 8b)의 작동기 요소(7a, 7b, 7c; 7d, 7e, 7f)들은 축 A를 중심으로 서로 120도로 오프셋되고, 제1 작동기(8a)의 작동기 요소(7a, 7b, 7c)는 제2 작동기(8b)의 작동기 요소(7d, 7e, 7f)를 항상 이웃한다. 그 결과, 작동기 요소(7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f)들은 균일하게 회전 대칭 배치되고, 여기서 제1 작동기(8a)의 작동기 요소(7a, 7b, 7c)는 항상 축 A에 대해 제2 작동기(8b)의 작동기 요소(7d, 7e, 7f)와 마주본다.
도 5a 및 도 5b에 있어서, 밸브 챔버 코어 몸체(36)는 하나의 피스(부품)로 이루어짐을 주지해야 한다. 밸브 챔버 코어 몸체(36)는 주요 몸체(45)와 지지 브래킷들을 갖는다. 상술한 보어(40c)들은 주요 몸체(45)에서 하부에 위치하는데, 하부 지지 브래킷(35b)들의 하부에서 약 3/1 지점에 위치된다.
계량 밸브의 작동 원리를 더 명료하게 설명하기 위해, 도 6에서는 제2 길이방향 단면 F-F(도 2 참조)을 도시하고 있다. 동일한 작동기의 두 개의 작동기 요소들 대신, 단면 방향은 제1 작동기(8a)와 제2 작동기(8b) 각각의 작동기 요소를 도시하고 있다. 이 도면은 또한 계량 물질 공급 유닛(29)의 단면을 도시하고 있다.
여기에 도시된 계량 밸브(1)는 다음과 같이 조립된다: 먼저 압전 작동기(7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f)들은 시트(35a, 35b)들에서 밸브 챔버 코어 몸체(36)에 접착된다. 그런 다음, 압전 작동기(7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f)들은 제어 유닛(9)에 전기적으로 연결된다. 압전 작동기(7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f)들을 포함하는 조립된 유닛과 주요 몸체(45)는 밸브 하우징(22) 안에 삽입된 후, 이어서 카운터-매스(37)와 판 스프링(39a, 39b)들이 삽입된다. 그런 다음 밸브가 커버(5)에 의해 밀봉되고, 육각 머리 부분을 포함하는 플런저(3)에 의해 마지막으로 밀봉된 후, 나사산(4)에 의해 밸브 하우징(22) 안에 나사로 조여진다.
(도 1의 계량 밸브(1)의) 노즐 캡(15)은 도 7b에서는 아래에 도시되고, 도 7a에서는 측면도, 그리고 도 7c에서는 사시도로 도시되어 있다. 또한, 가령 도 1에 도시된 나사(13a, 13b)들이 삽입될 수 있는 개구부(49)들을 갖는다. 배출 애퍼쳐(21)를 갖는 노즐 몸체는 중앙에 위치한 개구부 안에 놓인다. 노즐 캡(15)은 연결 나사(13a, 13b)들을 제거함으로써 노즐 몸체(17)로부터 제거될 수 있고, 이렇게 해서 노즐 몸체는 노출되며, 노출된 노즐 몸체(1)는 계량 밸브(1)에서 탈착될 수 있고, 필요 시 다른 노즐 몸체로 교체할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 계량 밸브(1)는 개방형 시스템으로 구현된다. 본 발명에서, 배출 애퍼쳐(21)의 특정 이동 모드들을 구현하는 것이 바람직하고, 이에 대해서는 아래에서 더 자세히 설명할 것이다.
도 8a 내지 도 8d에서는 노즐 몸체(17)의 다양한 도면들로, 즉 위에서 본 상면도인 도 8a, 측면도인 도 8b, B-B를 따라 절단한 단면도인 도 8c, 그리고 아래에서 본 사시도인 도 8d를 포함한다.
이 도면들에서는 연속 보어(continuation bores, 49')들을 명시하고 있는데, 이들의 위치는 도 1에 도시된 연결 나사들이 삽입될 수 있도록 노즐 캡(15) 안의 개구부(49)들과 일치한다. 도면들에는 개구부(47a, 47b)들의 배치가 도시되어 있는데, 이러한 개구부들을 통해 물질이 배출 애퍼쳐(21) 방향으로 애퍼쳐 간극(100)에 도달한다. 외부측에서, 개구부(47a, 47b)들은 계량 물질 공급 유닛(29)에 연결을 위한 연결 개구부(48a, 48b)들에서 끝난다. 도 8c에서는 개구부들이 노즐 몸체(17)의 중심을 향해 이어지지 않고, 비스듬히 오프셋됨으로써 개구부들과 이에 따라 물질이 노즐 몸체(17)의 중심이 아닌 측면으로 유도됨을 분명히 알 수 있다. 이는 물질이 애퍼쳐 간극(100) 안으로 곡선으로 공급되고 및/또는 곡선으로 혼합되도록 한다.
여기서, 도 9에서는 배출 애퍼쳐(21)의 하나의 가능한 이동 패턴을 개략적으로 도시하고 있다. 시간 t (배율 없음)에 대한 배출 애퍼쳐(21)의 경로 s (배율 없음)가 도시되었다. 배출 애퍼쳐(21)가 세 가지 다른 이동 모드(M1, M2, M3)들을 수행함을 분명히 알 수 있다.
제1 이동 모드(M1)는 0 순시치(time instant)(t0)와 제1 순시치(t1) 사이, 제2 순시치(t2)와 제3 순시치(t3) 사이, 그리고 제4 순시치(t4)와 제5 순시치(t5) 사이에서 수행될 수 있다. 이 이동 모드(M1)는 두 개 위치(s1, s2)들 사이에 작고, 비교적 빠른 진동들을 포함한다. 여기서, 배출 애퍼쳐(21)의 이동은 일정한 비율과 비교적 고주파수의 작은 진폭(A1) 또는 작은 스트로크(A1) 만을 갖는다. 이러한 이동은 오직 물질의 유동성을 유지하는 역할을 함으로써, 물질이 노즐에서 계속해서 누출되지 않을 정도로까지 액화되지 않도록 한다. 따라서, 제1 이동 모드(M1)는 유체 유지 모드로 특징지워질 수 있다.
반대로, 제1 순시치(t1)와 제2 순시치(t2) 사이, 제3 순시치(t3)와 제4 순시치(t4) 사이, 제5 순시치(t5)와 제6 순시치(t6) 사이에서 수행되는 제2 이동 모드(M2)는 다른 이동 패턴을 포함한다. 제2 이동 모드(M2)는 배출 애퍼쳐(21)로부터 물질을 배출하는 기능을 하고, 이에 따라 배출 모드라고 설명할 수 있다. 이러한 이유로, 제2 이동 모드는 더 큰 진폭(A2) 또는 더 긴 스트로크(A2)를 갖는다. 제5 순시치(t5)와 제6 순시치(t6) 사이의 이중 배출 이동에서 볼 수 있는 주파수는 제1 이동 모드(M1)에서의 이동보다 상당히 낮다. 이러한 이동의 비율도 역시 일정한 것으로 볼 수 있다. 제6 순시치(t6) 이후에 수행된 제3 이동 모드(M3)는 배출 애퍼쳐(21)의 단순 정지를 포함하고, 물질이 그 본래의 마찰 때문에 애퍼쳐 간극(100)에서 초기에 둔화된 후, 배출 애퍼쳐(21)의 이동에 의해 점성이 더 이상 줄지 않고 유지되는 효과를 갖는다.
도 10의 이동 패턴은 배출 모드(M4)에서만 도 9의 이동 그래프와 다르다. 도 9의 제2 이동 모드(M2)에서의 단순 톱니형 상하 이동 대신, 배출 애퍼쳐(21)는 일정한 기간 동안 낮은 위치(s4)를 유지한다. 이 시간 동안, 물질은 폐쇄 요소(3) 앞에서 유동할 수 있다. 그 다음에는, 배출 방향(E)으로의 배출 애퍼쳐(21)의 매우 빠른 이동이 이어진다. 배출 애퍼쳐(21)는 일정한 시간 동안 그 최상 위치(s3), 즉 플런저에 최근접한 위치를 또 다시 유지한다. 이 시간 동안, 수축 방향으로의 배출 애퍼쳐(21)의 후속 이동에서의 물질 배출이 지연되는 것을 막기 위해 물질이 다소 확인된다.
도 11의 이동 패턴은 배출 모드(M5)에서만 도 10의 이동 그래프와 다르다. 여기서, 제1 이동 모드(M1)에서의 이동 패턴-즉, 배출 애퍼쳐(21)의 흔들리는 이동-은 도 9에 도시된 이동 모드의 이동 패턴(M4)상에서 배출 이동시 중첩된다. 이것은 매우 미세한 흔들림 이동이 멈추어 물질의 점성이 비교적 빨리 증가할 때 편리하다. 이동 패턴이 중첩되면 물질의 점성이 지속적으로 낮아지도록 한다.
도 12에서는 물질의 개별 점들을 나란히 가깝게 적층(deposit)함으로써, "비드(bead)" 즉, 중단 없고 일정한 두께의 밴드를 인쇄하기에 적합한 이동 패턴을 도시하고 있다. 물질에 따라, 제1 및 마지막 액적은, 배출 애퍼쳐(21)의 스트로크 길이가 각 액적마다 동일했다고 하더라도, 중간 액적들보다 클 수 있다. 이러한 경우, 스트로크 길이만 다른 서로 다른 배출 모드(M2, M6)들을 적용하는 것이 편리할 수 있다. 가령, 제1 및 최종 액적에 대해서는 중간 액적들보다 스트로크가 짧은 이동 모드(M2)가 선택될 수 있다.
상기 예들에 따르면, 다양한 이동 모드들의 구체적인 파라미터들 및 이동 모드들의 시퀀스를 계량 임무 뿐만 아니라 처리할 계량 물질들 각각에 맞게 조정하는 것이 이상적으로 가능하다는 것을 보여준다.
상술한 계량 밸브와 계량 시스템과 작동기 조립체의 구성 요소들은 단순히 실시 예들로서, 당업자에 의해 본 발명의 범위 내에서 다양한 방식으로 다양한 특징들을 결합으로써 조종할 수 있다. 플런저가 항상 고정되어 있을 때만 배출 애퍼쳐가 이동되어야 하는 것은 아니다. 그 대신, 플런저를 항상 이동시킬 수 있다. 이를 위해, 플런저가 계량 밸브 내에서 이동 가능할 수 있다. 그러나, 제어의 이유로, 배출 애퍼쳐의 위에서만 특정 이동을 수행할 수 있다. 이러한 경우, 배출 애퍼쳐는 (이동 가능한) 플러저에 평행하게 각각의 이동을 수행하지 않아도 되고,가령 선택된(즉 프로그램된) 이동 모드에 따라 동일하게 선택적으로 이동될 수 있다. 본 발명과 관련해서, 배출 애퍼쳐는 적어도 하나의 이동 모드에서 이동된다. 마찬가지로, 노즐은 간단한 애퍼쳐로 구현될 수 있다. 즉 배출 개구부를 향해 점점 가늘어지는 조립체 대신 직선의 관통홀을 배출 애퍼쳐로 갖는 기본적으로는 평평한 요소로 구현될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 "하나" 또는 "한 개" 등은 복수의 가능성을 배제하지 않는다. 또한, "부"는 역시 또한 공간적으로 분리되어 있는 하나 이상의 구성 요소들을 포함할 수 있다.
1 계량 밸브
3 폐쇄 요소/플런저
4 나사산
5 제2 하우징 부분/커버
7 작동기 조립체
7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f 작동기 요소
8a 제1 (압전) 작동기
8b 제2 (압전) 작동기
9 제어 유닛
10 연결 보어
11 가열 장치
13a, 13b 잠금 나사
15 노즐 캡
17 노즐 몸체
19 노즐
21 배출 애퍼쳐
22 밸브 하우징
23 밸브 챔버 케이싱
25 전자 하우징
27a, 27b 압축 공기용 연결기
29 계량 물질 공급 유닛
31a, 31b 링 시일
33 밸브 챔버
34 밸브 챔버 머리 부분
35a, 35b 시트
36 밸브 챔버 코어 몸체
36a, 36b 카운터-시트
37 카운터-몸체/카운터-매스
38a, 38b 홈
39a, 39b 판 스프링
40a, 40b, 40c 냉각 통로/배출 보어
41 잠금 나사
45 주요 몸체
47a, 47b 개구부
48a, 48b 연결 개구부
49 개구부
53 작동기 챔버
100 애퍼쳐 간극
A (중심) 축
A1, A2 진폭/허브
E 배출 방향
M1, M2, M3, M4, M5, M6 이동 모드
R 수축 방향
s 경로
S1, S2, S3, S4 위치
t 시간
t0, t1, t2, t3, t4, t5, t6 순시치
WR 유효 방향 축

Claims (17)

  1. 계량 물질의 계량을 위한 계량 밸브(1)로서,
    배출 애퍼쳐(21)를 포함하는 밸브 챔버(33),
    상기 밸브 챔버(33) 안 또는 상기 밸브 챔버(33) 상에 배치된 폐쇄 요소(3),
    밸브 챔버 케이싱(23), 및
    적어도 하나의 이동 모드에서, 배출 방향(E)으로 상기 배출 애퍼쳐(21)가 이동함으로써 상기 배출 애퍼쳐(21)를 통해 상기 폐쇄 요소(3)에 의해 계량 물질이 배출되도록, 작동 시 상기 배출 방향(E) 및/또는 수축 방향(R)으로 상기 밸브 챔버 케이싱(23)에 대해 적어도 상기 배출 애퍼쳐(21)를 이동시키는 작동기 조립체(7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 계량 밸브.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 작동기 조립체(7)는 작동 시 상기 배출 방향(E) 및/또는 수축 방향(R)으로 상기 밸브 챔버 케이싱(23)에 대해 상기 밸브 챔버(33)를 이동시키는 것을 특징으로 하는 계량 밸브.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 폐쇄 요소(3)는 상기 밸브 챔버 케이싱(23)에 견고히 고정되는 것을 특징으로 하는 계량 밸브.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 작동기 조립체(7)는 적어도 하나의 제1 압전 작동기(8a)를 포함하는 것을 특징으로 하는 계량 밸브.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 작동기 조립체(7)는 적어도 두 개의 압전 작동기들을 포함하고, 상기 적어도 두 개의 압전 작동기들은 상기 제1 압전 작동기(8a)와 제2 압전 작동기(8b)를 포함하며, 상기 제1 압전 작동기(8a)가 작동 시 확장되면 상기 배출 방향(E)으로 상기 배출 애퍼쳐(21)를 이동시키고, 상기 제2 압전 작동기(8b)가 작동 시 확장되면 상기 수축 방향(R)으로 상기 배출 애퍼쳐(21)를 이동시키도록, 상기 제1 압전 작동기와 상기 제2 압전 작동기가 서로 마주하여 연결된 것을 특징으로 하는 계량 밸브.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 밸브 챔버(33)는, 평행하게 배치되고 평행하게 작동하는, 압전 작동기의 복수의 압전 작동기 요소(7a, 7b, 7c; 7d, 7e, 7f)들의 그룹으로 적어도 부분적으로 둘러싸인 것을 특징으로 하는 계량 밸브.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 밸브 챔버(33)는 두 개 그룹의 작동기 요소(7a, 7b, 7c; 7d, 7e, 7f)들로 적어도 부분적으로 둘러싸이고, 제1 그룹의 작동기 요소(7a, 7b, 7c)들은 제1 압전 작동기(8a)를 제공하도록 연결되고, 제2 그룹의 작동기 요소(7d, 7e, 7f)들은 제2 압전 작동기(8b)로 작용하도록 연결된 것을 특징으로 하는 계량 밸브.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 압전 작동기의 작동기 요소(7a, 7b, 7c; 7d, 7e, 7f)들은 유효 방향 축(WR)에 평행하게 정렬되고, 상기 유효 방향 축(WR)에 직각인 평면에 대해 상기 밸브 챔버(33)를 중심으로 균일하게 배치되는 것을 특징으로 하는 계량 밸브.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브 챔버(33)는 상기 배출 애퍼쳐(21)의 영역에 배치된 밸브 챔버 머리 부분(34) 및 밸브 챔버 코어 몸체(36)를 포함하는 두 개의 부분으로 구성된 것을 특징으로 하는 계량 밸브.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 시트(35a, 35b)가 상기 밸브 챔버(33) 상에 배치되고, 압전 작동기가 상기 밸브 챔버(33)의 시트(35a, 35b)와 상기 밸브 챔버 케이싱(23)의 카운터-시트(36a, 36b) 사이에 연장형성되고, 상기 시트(35a, 35b)와 상기 카운터-시트(36a, 36b) 사이에 유지되는 것을 특징으로 하는 계량 밸브.
  11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브 챔버 케이싱(23)의 카운터-시트(36a)는 카운터-매스(37) 상에 배치되어, 스프링 장착식(spring-loaded)으로 설치되는 것을 특징으로 하는 계량 밸브.
  12. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브 챔버(33)는 계량 물질을 위한 하나의 애퍼쳐(47a, 47b) 또는 두 개의 애퍼쳐를 포함하는 것을 특징으로 하는 계량 밸브.
  13. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    밸브 하우징(23) 및/또는 상기 밸브 챔버(33)는 작동 시 상기 작동기 조립체(7)를 냉각하기 위한 냉각 매체를 운반하기 위해 적어도 하나의 냉각 통로(40a, 40b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 계량 밸브.
  14. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    압전 작동기들이 수평하게 하는 화합물(levelling compound) 또는 접착제에 의해 상기 압전 작동기들의 외부 단부들에서 시트(35a, 35b)들 및/또는 카운터-시트(36a, 36b)들에 고정되는 것을 특징으로 하는 계량 밸브.
  15. 배출 애퍼쳐(21)와 밸브 챔버(33) 안에 또는 인접하게 배치된 폐쇄 요소(3)를 구비한 계량 밸브(1)를 통해, 계량 물질을 계량하는 계량 방법으로서,
    적어도 하나의 이동 모드에서 배출 방향(E)으로의 배출 애퍼쳐(21)의 이동 시 상기 배출 애퍼쳐(21)를 통해 상기 폐쇄 요소(3)에 의해 계량 물질이 배출되도록, 작동 시 밸브 챔버 케이싱(23)에 대해 상기 배출 방향(E) 및/또는 수축 방향(R)으로 적어도 상기 배출 애퍼쳐(21)가 이동되는 것을 특징으로 하는 계량 물질의 계량 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    작동 시 밸브 챔버 케이싱(23)에 대해 상기 배출 방향(E) 및/또는 수축 방향(R)으로 상기 밸브 챔버(33)가 이동되는 것을 특징으로 하는 계량 물질의 계량 방법.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    제1 압전 작동기(8a) 및/또는 제2 압전 작동기(8b)를 포함하며 상기 제1 압전 작동기(8a)와 상기 제2 압전 작동기(8b)가 각각 적어도 하나의 압전 작동기 요소(7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f)를 포함하는 작동기 조립체(7)가, 상기 제1 압전 작동기(8a)와 상기 제2 압전 작동기(8b) 각각이 최대 인가 가능한 전압의 50%로 충전되도록, 대기 모드에서 제어되는 것을 특징으로 하는 계량 물질의 계량 방법.
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