WO2010088780A1

WO2010088780A1 - Dosierventil mit elektromotorischem antrieb

Info

Publication number: WO2010088780A1
Application number: PCT/CH2009/000047
Authority: WO
Inventors: Peter Suter; Anton Stofer; Daniel Geier
Original assignee: Dopag Dosiertechnik Und Pneumatik Ag
Priority date: 2009-02-05
Filing date: 2009-02-05
Publication date: 2010-08-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Dosierventil (1) mit elektromotorischem Antrieb (2) und mit einer Kolben-Zylinder-Einheit (5), wobei durch Vertikalbewegung des Kolbens (7) Flüssigkeit von einem Eingang zu einem Ausgang förderbar ist. Erfindungsgemäß ist der elektromotorische Antrieb ein in seiner Drehrichtung veränderbarer Schrittmotor (2). Der Schrittmotor (2) wirkt auf ein ansteuerbares Koppelglied (4), wodurch der Kolben (7) der Kolben-Zylinder-Einheit (5) einerseits eine Hubbewegung ausführt und andererseits eine Drehbewegung ausführt. Im ersten Zustand des Koppelglieds (4) führt der Kolben (7) eine Hubbewegung aus, im zweiten Zustand eine Drehbewegung. Durch die Hubbewegung wird ein Verdrängerraum (12) der Kolben-Zylinder-Einheit (5) verkleinert bzw. vergrößert und durch die Drehbewegung wird der Verdrängerraum (12) wechselweise mit einer Einlassöffung (9) und mit einer Auslassöffnung (10) verbunden. Das erfindungsgemäße Dosierventil (1) benötigt für die Dreh- und Hubbewegung des Kolbens (7) einen einzigen Motor (2).

Description

DOSIERVENTIL MIT ELEKTROMOTORISCHEM ANTRIEB

Die Erfindung bezieht sich auf ein Dosierventil der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Solche Dosierventile dienen dazu, einen fließfähigen Stoff zu dosieren, entweder dadurch, dass ein bestimmter kontinuierlicher Volumenstrom des fließfähigen Stoffes erzeugt wird, oder dadurch, bestimmte diskrete Einzelmengen des fließfähigen Stoffes abzugeben.

Solche Dosierventile werden beispielsweise in Abfüll- und in Mischeinrichtungen verwendet. Sie können auch in Fertigungseinrichtungen Verwendung finden, beispielsweise, um Kleb- oder Schmierstoffe in definierten Mengen einer bestimmten Verwendung zuzuführen.

Ein Dosierventil der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art ist aus EP-A2 1 582 795 bekannt. Hier wird mit Hilfe einer Kolben-Zylinder- Anordnung ein Ventilkörper bewegt, wodurch das Dosierventil einerseits geöffnet und geschlossen werden kann, bei dem aber auch Öffnungspositionen erreicht werden können, um einen bestimmten Strömungsquerschnitt einzustellen. Damit lässt sich ein in seiner Größe variierbarer kontinuierlicher Volumenstrom einstellen. Mittels eines motorischen Antriebs kann ein Anschlag für den Hub verstellt werden.

Aus DE-Al -196 00 896 ist ein durch einen Stellmotor stufenlos verstellbares Dosierventil bekannt. Auch hier geht es um die Erzeugung eines definierten Volumenstroms.

Aus DE-Al 36 00 341 ist eine Dosierpumpe bekannt, bei der ein Motor über Exzenter Kolben von Kolben-Zylinder-Einheiten bewegt. Im Zusammenwirken mit einer Einlassventil-Einheit und einer Auslassventil-Einheit ist eine Flüssigkeit aus einer Flüsigkeitsquelle zu einem Förderausgang förderbar. Die pro Umdrehung des Excenters geförderte Flüssigkeitsmenge wird durch den Hub des Kolbens und somit durch die Form des Exzenters bestimmt.

Beispielsweise aus EP-Bl-I 331 072 ist ein anderes Prinzip für Dosierventile bekannt. Mittels einer sogenannten Schöpfkolbenpumpe wird pro Arbeitshub eine definierte Menge eines fließfähigen Stoffes gefördert. Dosierventile mit verstellbarer Öffnungsposition haben den Nachteil, dass eine bestimmte Strömung erzeugt wird, wobei aber aufgrund von temperaturbedingten Viskositätsänderungen des zu fördernden Produktes der Durchfluss nicht konstant ist. Das bei Schöpfkolbenpumpen angewandte Prinzip ist diesbezüglich besser.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dosierventil hoher Genauigkeit zu schaffen, das einfach aufgebaut und somit kostengünstig herstellbar ist.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen: Fig. 1 ein Prinzipschema eines Dosierventils mit seinen Funktionskomponenten,

Fig. 2 bis 6 verschiedene Stellungen einer Kolben-Zylinder-Einheit des Dosierventils,

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines bevorzugten

Ausführungsbeispiels und

Fig. 8 einen Schnitt durch eine bevorzugte Konstruktion des Dosierventils.

Die Fig. 1 zeigt ein Prinzipschema eines erfindungsgemäßen Dosierventils 1 mit seinen Funktionskomponenten. Diese Komponenten sind ein Schrittmotor 2 mit einer Motorwelle 3, ein Koppelglied 4 und eine Kolben-Zylinder-Einheit 5.

Der Schrittmotor 2 ist in seiner Drehrichtung veränderbar, kann also bei entsprechender Ansteuerung im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn laufen. In der Fig. 1 ist dies mit einem Doppelpfeil gekennzeichnet. Die Drehung des Schrittmotors 2 wird mittels seiner Motorwelle 3 auf ein ansteuerbares Koppelglied 4 übertragen. Der Schrittmotor 2 wirkt also auf das ansteuerbare Koppelglied 4. Ausgangsseitig wirkt das Koppelglied 4 über eine Stange 6 auf einen Kolben 7 der Kolben-Zylinder-Einheit 5, bei der der Kolben 7 in einem Zylinder 8 bewegbar ist. Der Kolben 7 der Kolben-Zylinder-Einheit 5 kann unter der Wirkung des Koppelglieds 4 einerseits eine Hubbewegung und andererseits eine Drehbewegung ausfuhren. Beide mögliche Bewegungsarten sind in der Fig. 1 mit Pfeilen gekennzeichnet. Im ersten Zustand des Koppelglieds 4 führt der Kolben 7 eine Hubbewegung aus, während er im zweiten Zustand des Koppelglieds 4 eine Drehbewegung ausführt.

Durch die Hubbewegung des Kolbens 7 wird ein Verdrängerraum 12 der Kolben- Zylinder-Einheit 5 verkleinert bzw. vergrößert. Bewegt sich der Kolben 7 aufwärts, wird der Verdrängerraum 12 vergrößert; bewegt sich der Kolben 7 abwärts, wird der Verdrängerraum 12 verkleinert. Durch die Drehbewegung des Kolbens 7 ist der Verdrängerraum 12 wechselweise mit einer Einlassöffung 9 und mit einer Auslassöffnung 10 verbindbar und zwar durch eine seitlich im Kolben 7 angeordnete Nut 11.

Die erfindungsgemäße Wirkung wird nun anhand verschiedener Phasen eines Arbeitstaktes des Dosierventils 1 erläutert. In der Fig. 2 ist ein Ausgangszustand gezeigt, bei der sich der Kolben 7 in seiner unteren Endposition befindet. Die Nut 11 befindet sich hier rechts, so dass der Verdrängerraum 12 über die Nut 11 mit der Auslassöffnung 10 verbunden ist. Dieser Ausgangszustand tritt auf, wenn durch die Bewegung des Kolbens 7 nach unten die im Verdrängerraum 12 befindliche Flüssigkeit durch die Auslassöffnung 10 ausgestoßen worden ist. Die Einlassöffung 9 ist verschlossen.

In der Fig. 3 ist der Zustand gezeigt, nachdem die Stange 6 und somit der Kolben 7 eine mit einem Pfeil gekennzeichnete Drehung um 180 Grad ausgeführt haben. Dadurch befindet sich die Nut 11 nun auf der gegenüber liegenden Seite, so dass der Verdrängerraum 12 mit der Einlassöffnung 9 verbunden ist. Nun ist die Auslassöffnung 10 verschlossen.

In der Fig. 4 ist der Zustand nach einem weiteren Schritt gezeigt. Nun hat die Stange 6 den Kolben 7 nach oben bewegt, wie das mit einem Pfeil gekennzeichnet ist. Dadurch hat sich der Verdrängerraum 12 vergrößert, so dass die Flüssigkeit von der Einlassöffnung 9 in den Verdrängerraum 12 eingeströmt ist.

Der Hub der Stange 6 und des Kolbens 7 ist dadurch veränderbar, dass der Schrittmotor 2 (Fig. 1) eine variierbare Anzahl von Schritten ausführt. Damit lässt sich auf sehr einfache - A -

Weise der Fluss der Flüssigkeit jedes Arbeitstaktes und somit der Volumenstrom über die Zeit variieren. Je größer der Hub, desto größer der Fluss der Flüssigkeit.

In der Fig. 5 ist der Zustand nach einem nächsten Schritt gezeigt. Die Stange 6 und somit der Kolben 7 haben nun wiederum eine mit einem Pfeil gekennzeichnete Drehung um 180 Grad ausgeführt, diesmal jedoch in der gegenüber Fig. 3 umgekehrten Drehrichtung. Infolgedessen befindet sich nun die Nut 11 wiederum auf der rechten Seite, so dass der Verdrängerraum 12 mit der Auslassöffnung 10 verbunden ist. Nun ist die Einlassöffnung 9 wieder verschlossen.

Anschließend an diesen Zustand bewegen sich die Stange 6 und der Kolben 7 nach unten, womit der Zustand gemäß Fig. 6 erreicht wird. Die gegenüber der Fig. 5 erfolgte

Bewegung ist wiederum mit einem Pfeil gekennzeichnet. Durch diese Bewegung ist nun Flüssigkeit aus dem Verdrängerraum 12 durch die Auslassöffnung 10 gefördert worden. Die Anzahl von Schritten ist dabei identisch mit jener bei der zuvor erwähnten Bewegung des Kolbens nach oben. Es ist ersichtlich, dass der Zustand identisch ist mit dem der Fig. 2. Damit ist also ein voller Arbeitstakt des Dosierventils 1 abgeschlossen.

Die Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausfuhrungsbeispiels des Dosierventils 1. Jene Komponenten, die schon in der Fig. 1 vorkommen, sind mit gleichen Bezugszahlen versehen. Der Schrittmotor 2 sitzt auf Tragelementen 14, an deren unteren Enden eine Befestigungsplatte 15 angeordnet ist, an der ein Gehäuse 16 für die der Kolben-Zylinder-Einheit 5 (Fig. 1) befestigt ist. In diesem Gehäuse 16 befindet sich der Zylinder 8, in dessen Innenraum der Kolben 7 angeordnet ist. Der Zylinder 8 weist, wie schon in der Fig. 1 gezeigt, seitliche Bohrungen auf, die die Einlassöffnung 9 und die Auslassöffnung 10 darstellen. Die Öffnungen 9 und 10 fluchten mit Gewindebohrungen 18, in die Verbindungsleitungen für die zu fördernde Flüssigkeit einschraubbar sind.

Die aus dem Schrittmotor 2 herausragende Motorwelle 3 ist kraftschlüssig mit einer Antriebstraverse 20 verbunden. Wenn sich also der Schrittmotor 2 dreht, so dreht sich auch die Antriebstraverse 20. Zwischen den Tragelementen 14 und der Antriebstraverse 20 ist ein Kugellager 21 angeordnet, um einen geführten spielfreien und reibungsarmen Lauf der Antriebstraverse 20 zu gewährleisten. In der Antriebstraverse 20 ist kraftschlüssig eine Mutter 22 angeordnet, in deren Gewindebohrung eine Gewindespindel 23 eingreift, deren unteres Ende die Stange 6 trägt. Gewindespindel 23 und Stange 6 können als ein Teil ausgebildet sein. Dadurch wird bewirkt, dass sich die Gewindespindel 23 je nach Drehrichtung der Motorwelle 3 aufwärts oder abwärts bewegt. Auf diese Weise ist die Hubbewegung für den Kolben 7 erzielbar.

Zwischen dem unteren Ende der Antriebstraverse 20 und der Stange 6 ist eine elektromagnetische Kupplung 30 angeordnet, deren Oberteil 31 mit der Antriebstraverse 20 fest verbunden ist. Ein Unterteil 32 der Kupplung 30 ist mit der Stange 6 verbunden.

Wird eine Spule 33 der Kupplung 30 erregt, entsteht zwischen dem Oberteil 31 und dem Unterteil 32 ein Kraftschluss, der zur Folge hat, dass sich nun die Stange 6 dreht, wenn sich die Antriebstraverse 20 dreht. Dadurch wird auch erreicht, dass sich die Gewindespindel 23 in der Mutter 22 nicht drehen kann, so dass für den Kolben 7 keine Hubbewegung erzeugt wird.

Damit wird deutlich, dass die Antriebstraverse 20, die Mutter 22, die Gewindespindel 23 und die Kupplung 30 zusammen das ansteuerbare Koppelglied 4 (Fig. 1) bilden.

Im ersten Zustand des Koppelglieds 4, nämlich bei nicht erregter Spule 33, führt der Kolben 7 eine Hubbewegung aus, während er im zweiten Zustand des Koppelglieds 4, nämlich bei erregter Spule 33, eine Drehbewegung ausfuhrt.

Die Fig. 7 zeigt nun noch eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung. Hier sind Stange 6 und Kolben 7 als separate Teile ausgeführt. In der Stange 6 ist ein Schlitz 40 eingefräst, in den ein mit dem Kolben 7 starr verbundener Steg 41 eingreift. Durch diese Ausgestaltung führt der Kolben 7 zwar die Drehbewegung der Stange 6 unmittelbar aus, und bei der Abwärtsbewegung der Stange 6 bewegt sich auch der Kolben 7 unmittelbar abwärts. Bewegt sich aber die Stange 6 gemäß Fig. 4 nach oben, wird der Kolben 7 nicht durch die Stange 6 nach oben gezogen. Die Bewegung des Kolbens 7 ist zwar möglich, entsteht aber erst dadurch, dass an der Einlassöffnung 9 die zu fördernde Flüssigkeit unter Druck steht, wie das bei vielen Dosiersystemen der Fall ist. Wenn sich also die Stange 6 nach oben bewegt, folgt der Kolben 7 dieser Bewegung nur dann, wenn die Flüssigkeit an der Einlassöffnung unter Druck steht. Fehlt dieser Druck, bleibt der Kolben 7 in der unteren Stellung stehen. Flüssigkeit wird dann nicht gefördert.

Durch die Teilung von Stange 6 und Kolben 7 ist es folglich möglich, mittels eines Sensors zu überwachen, ob der Kolben 7 der Bewegung der Stange 6 folgt. Ist dies nicht der Fall, fehlt die zu fördernde Flüssigkeit, so dass eine Störungsmeldung generiert werden kann.

In der Fig. 8 ist ein Schnitt durch eine bevorzugte Konstruktion des Dosierventils 1 gezeigt. Mit Bezugszahlen gekennzeichnet sind nur jene Bestandteile, die erfindungswesentlich sind oder eine bevorzugte Ausgestaltung betreffen. Gleiche Bezugszahlen zeigen die in den Fig. 1 bis 7 schon gezeigten und zuvor beschriebenen Teile. Auch der prinzipielle Aufbau ist gleich dem der Fig. 7.

Besonders erwähnt sei, dass die Mutter 22 und die Gewindespindel 23 als Kugelumlaufspindel ausgestaltet sind. Diese vorteilhafte Ausgestaltung führt zu einem sehr leichten und spielfreien Laufund somit auch zu einer erhöhten Genauigkeit der Dosierung.

Durch die Erfindung wird erreicht, dass für die Erzielung der Hub- und der Drehbewegung nur ein einziger elektromotorischer Antrieb nötig ist. Die Größe der Hubbewegung des Kolbens 7 ist durch die Anzahl der Schritte des Schrittmotors 2 wählbar. Somit sind gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Dosierventils 1 der Fluss der Flüssigkeit jedes Arbeitstaktes und somit der Volumenstrom über die Zeit variierbar. Ein solches Dosierventil 1 ist damit auf einfache Art und Weise an die jeweilige Aufgabenstellung bei der Dosierung anpassbar.

Claims

Patentansprüche

1. Dosierventil (1) mit elektromotorischem Antrieb und mit einer Kolben-Zylinder- Einheit (5), wobei durch Vertikalbewegung eines Kolbens (7) Flüssigkeit von einem Eingang zu einem Ausgang förderbar ist, dadurch gekennzeichnet, - dass der elektromotorische Antrieb ein in seiner Drehrichtung veränderbarer Schrittmotor (2) ist,

- dass der Schrittmotor (2) auf ein ansteuerbares Koppelglied (4) wirkt, wodurch der Kolben (7) der Kolben-Zylinder-Einheit (5) einerseits eine Hubbewegung ausfuhrt und andererseits eine Drehbewegung ausfuhrt, - dass im ersten Zustand des Koppelglieds (4) der Kolben eine Hubbewegung ausfuhrt,

- dass im zweiten Zustand des Koppelglieds (4) der Kolben eine Drehbewegung ausführt,

- wobei durch die Hubbewegung ein Verdrängerraum (12) der Kolben-Zylinder- Einheit (5) verkleinert bzw. vergrößert wird, und

- wobei durch die Drehbewegung der Verdrängerraum (12) wechselweise mit einer Einlassöffung (9) und mit einer Auslassöffnung ( 10) verbindbar ist.

2. Dosierventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer des ersten Zustand des Koppelglieds (4) variierbar ist und damit der Hub des Kolbens (7) einstellbar ist.

3. Dosierventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelglied (4) gebildet ist durch eine mit einer Motorwelle (3) verbundene Antriebstraverse (20), eine Mutter (22), in die eine Gewindespindel (23) eingreift, die mit einer Stange (6) zur Bewegung des Kolbens (7) verbunden ist, und eine elektromagnetische Kupplung (30), deren Oberteil (31) mit der Antriebstraverse (20) fest verbunden ist und deren Unterteil (32) mit der Stange (6) verbunden ist.

4. Dosierventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Mutter (22) und Gewindespindel (23) als Kugelumlaufspindel ausgestaltet sind.

5. Dosierventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebstraverse (20) mittels eines Kugellagers (21) geführt ist.

6. Dosierventil nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Stange (6) ein Schlitz (40) angeordnet ist, in den ein mit dem Kolben (7) starr verbundener Steg (41) eingreift.