WO2014167033A2 - Dosiervorrichtung - Google Patents

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WO2014167033A2
WO2014167033A2 PCT/EP2014/057216 EP2014057216W WO2014167033A2 WO 2014167033 A2 WO2014167033 A2 WO 2014167033A2 EP 2014057216 W EP2014057216 W EP 2014057216W WO 2014167033 A2 WO2014167033 A2 WO 2014167033A2
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WO
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bellows
closing unit
unit
actuator
outlet opening
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PCT/EP2014/057216
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English (en)
French (fr)
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WO2014167033A3 (de
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Peter Müller
Philipp Spiegel
Wolf-Dietrich Herold
Original Assignee
Delo Industrie Klebstoffe Gmbh & Co. Kgaa
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
    • B05B1/30—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to control volume of flow, e.g. with adjustable passages
    • B05B1/3033—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to control volume of flow, e.g. with adjustable passages the control being effected by relative coaxial longitudinal movement of the controlling element and the spray head
    • B05B1/304—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to control volume of flow, e.g. with adjustable passages the control being effected by relative coaxial longitudinal movement of the controlling element and the spray head the controlling element being a lift valve
    • B05B1/3046—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to control volume of flow, e.g. with adjustable passages the control being effected by relative coaxial longitudinal movement of the controlling element and the spray head the controlling element being a lift valve the valve element, e.g. a needle, co-operating with a valve seat located downstream of the valve element and its actuating means, generally in the proximity of the outlet orifice
    • B05B1/306—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to control volume of flow, e.g. with adjustable passages the control being effected by relative coaxial longitudinal movement of the controlling element and the spray head the controlling element being a lift valve the valve element, e.g. a needle, co-operating with a valve seat located downstream of the valve element and its actuating means, generally in the proximity of the outlet orifice the actuating means being a fluid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C—APPARATUS FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C11/00—Component parts, details or accessories not specifically provided for in groups B05C1/00 - B05C9/00
    • B05C11/10—Storage, supply or control of liquid or other fluent material; Recovery of excess liquid or other fluent material
    • B05C11/1002—Means for controlling supply, i.e. flow or pressure, of liquid or other fluent material to the applying apparatus, e.g. valves
    • B05C11/1034—Means for controlling supply, i.e. flow or pressure, of liquid or other fluent material to the applying apparatus, e.g. valves specially designed for conducting intermittent application of small quantities, e.g. drops, of coating material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C—APPARATUS FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C5/00—Apparatus in which liquid or other fluent material is projected, poured or allowed to flow on to the surface of the work
    • B05C5/02—Apparatus in which liquid or other fluent material is projected, poured or allowed to flow on to the surface of the work the liquid or other fluent material being discharged through an outlet orifice by pressure, e.g. from an outlet device in contact or almost in contact, with the work
    • B05C5/0225—Apparatus in which liquid or other fluent material is projected, poured or allowed to flow on to the surface of the work the liquid or other fluent material being discharged through an outlet orifice by pressure, e.g. from an outlet device in contact or almost in contact, with the work characterised by flow controlling means, e.g. valves, located proximate the outlet
    • B05C5/0237—Fluid actuated valves

Definitions

  • the invention relates to a metering device, in particular a metering device with a long service life for delivering free-flying drops of low to high viscosity liquid media.
  • liquid media is a task that many fields of technology are faced with.
  • the spectrum ranges from inkjet printing applications in the areas of medicine, pharmacy and biochemistry, which mostly involve the dispensing of aqueous or other low-viscosity media, to the dosing of highly viscous media such as sealants and adhesives.
  • dosing devices Following the general trend towards miniaturization, dosing devices must be able to dispense ever smaller quantities precisely. In order to achieve the frequently also required higher throughput rates, a non-contact drop dispensing is used in many cases, eliminating the time required for a method of metering device for discontinuing the metered liquid. Dosing devices that deliver the amount of liquid to be dosed as free-flying drops are known for low-viscosity media, especially in the field of inkjet printers, see, e.g. EP 0 422 870 B1, US Pat. No. 4,509,057 and WO 2013/013983 A1.
  • drop dispensers for high and low viscosity media differ in how the dosing is controlled and how free-flying single drops are generated:
  • Dosing devices for low-viscosity media require only a very little to no pressure due to the low flow resistance in order to promote the dosing from a reservoir into the actual metering device. Consequently, it is often not necessary to actively close the outlet opening of the metering device in order to prevent the leakage of the metering medium in the inactive state. Frequently, the surface tension is sufficient to retain the medium in the exit opening.
  • highly viscous media can only be conveyed from a reservoir when pumped or pressurized fluid, e.g. Compressed air, pressure is applied to the medium.
  • pressurized fluid e.g. Compressed air
  • a pressure difference between the reservoir and metering device remains and ensures that a sufficiently high flow rate is maintained.
  • the metering is interrupted, the pressures within the overall system are equal, so that the media delivery pressure is applied directly to the discharge opening of the metering device. In an open system, this pressure ensures that the surface tension of the dosing liquid is overcome and uncontrolled medium flows out of the discharge opening of the dosing device.
  • metering devices for high-viscosity media that either the delivery pressure taken from the system or the channel from Vorratsbe container to the outlet of the metering device is actively closed when the dosage ends. If in the second case, e.g. a high-viscosity adhesive containing solid fillers are metered with a high repetition rate from a drop metering device, the metering device must contain a closure device which is fast on the one hand, but on the other hand also releases a sufficiently large passage opening, so that the filler particles can flow through unhindered.
  • low-viscosity media For the production of a single, free-flying droplet, it is generally sufficient for low-viscosity media to give a pressure pulse to the liquid to be metered, so that a drop is ejected from the outlet opening.
  • the damping of such a pressure pulse for example, a shock wave generated by a piezoelectric actuator or a gas bubble is so low that the surface tension is overcome at the outlet opening and a drop detaches.
  • the location where the pressure pulse is generated, and the outlet opening can therefore be relatively far apart.
  • this approach does not work. To separate a single drop of the dosing medium from the rest, strong cohesive forces must be overcome. A shockwave that is generated remotely in the dosing medium is damped too fast.
  • the most promising approach would be to accelerate the medium to be ejected to a high enough velocity with respect to the rest of the medium so that the kinetic momentum of the droplet can overcome the restraining forces in the medium.
  • the higher the viscosity - and thus the cohesive force - of the dosing medium the higher the impulse must be.
  • the velocity that a flowing liquid reaches in a flow channel, such as an outlet opening depends on the viscosity and the pressure difference between the ends of the channel. High viscosities therefore provide, in two respects, that high pressures must be built up at the outlet to produce a single drop: first, because the viscosity reduces the flow rate, and second, because the flow rate must be higher, the higher which are cohesive forces in the medium.
  • a valve lifter is moved up and down via an engine and a crankshaft, which at the lowest position closes an elongated cylindrical outlet opening and releases it upwards during the stroke ,
  • the rapid downward movement during the closing operation the highly viscous medium is compressed at the inlet of the outlet opening and thus generates a high pressure, which can flow out of the dosing medium with high flow velocity from the outlet, so that it comes to the formation of individual drops.
  • the valve stem thus simultaneously assumes the two described tasks of closing the metering device and building up the pressure required to produce individual drops.
  • a disadvantage of this design is that the motor continuously passes through and forms the droplets of the metering medium only with a fixed or slowly variable repetition rate. Also, the repetition rate must not be too low, since then the plunger moves too slowly and does not cause sufficient pressures. Because of the inertia of the drive thus the production of individual drops is not possible as needed. Finally, the crankshaft causes the speed of the valve tappet to have a sinusoidal course, so that the speed and therefore the compression at zero is just at the moment of closing in which the highest pressure in the medium should be built up.
  • EP 1 414 080 B1 discloses a piezoelectric actuator for a valve. Since piezoelectric ceramic elements, as used in such actuators have only small strokes, a lever system is described, which increases the stroke. However, such a system is complicated to manufacture and adjust and the gap between the outlet opening and the valve needle with the valve open is still too small for metering media with larger filler particles.
  • EP 1 437 192 A2 discloses a drop metering device which includes a pneumatically driven valve lifter.
  • the actuator includes a piston that can move within a cylinder. If compressed air is injected into the volume under the piston, the piston and the valve tappet firmly connected to it are pushed upwards, thereby opening the outlet opening of the metering device for the metering medium. If the cylinder is then vented again, a spring pushes the piston down again from the opposite side and the outlet opening is closed again.
  • the disadvantage of this solution is that the pressure chamber of the cylinder and piston is sealed by a fixedly connected to the piston seal that slides during the lifting movement along the cylinder inner wall.
  • DE 2 553 163 A1 discloses a pressure-controlled shut-off valve for blocking the flow of a cryogenic medium, in which a bellows separates the space of the cryomedium from the space of the control pressure. This valve is not suitable for dropping doses of liquids or even for dosing highly viscous liquids.
  • CH 678 754 A5 discloses a shut-off valve in a line.
  • a part of the conduit wall is formed by a bellows, which is moved to actuate the valve disposed inside.
  • the bellows is concentrically surrounded by another bellows and the actuation is done by injecting compressed air into the annular chamber between the two bellows.
  • This valve is also unsuitable for drop dosing of liquids or even for dispensing high-viscosity media. Because the contact of the bellows with the medium in the line makes the movement sluggish.
  • media such as adhesives, which cure under certain conditions, can adhere the bellows. Because of the wave or fold shape of the bellows wall, cleaning in such cases is difficult or impossible.
  • the object of the invention is therefore to provide a metering device which has an actuator which is virtually maintenance-free, can also dose highly viscous media as free-flying single drops and can also dispense mixed metering media with larger filler particles.
  • the metering device should be as compact as possible in order to be able to easily integrate it into production systems.
  • the metering device according to the invention is largely low maintenance. It can impart a high impulse and a high speed to a closing unit, such as a valve tappet, in order to dose even highly viscous media as free-flying single drops. It can reach a large stroke to dispense metered media even with larger filler particles.
  • Such a metering device comprises an outlet unit with an outlet opening, through which the metering medium is ejected in the form of individual free-flying drops.
  • a feed channel is connected, via which the metering medium is conveyed from a storage container by a pump or by applying a delivery pressure to the outlet opening.
  • the outlet opening is closed or opened by a movable closing unit, so that the flow of the metering medium through the outlet opening can be controlled by means of the movement of the closing unit.
  • the movement of the closing unit is produced by an actuator unit or an actuator which has a housing, one or more metal bellows and a force transmission element for transmitting the force to the closing unit.
  • the metal bellows are hermetically sealed on one side and tightly and firmly connected to the actuator housing on the other side.
  • Channels are provided in the actuator housing establish a connection between at least one control valve and the interior of the metal bellows. By switching the control valve, a pressurized fluid is directed into the interior of the hermetically sealed metal bellows so that the metal bellows can expand.
  • the ambient atmosphere is applied to this expansion from the outside no friction, so that the speed on the part of the actuator essentially by the pressure force, the restoring forces of the metal bellows, the internal friction of the pressurized fluid and the masses of the moving elements is determined .
  • a gas is used as the pressure fluid, so that the internal friction of the pressure fluid is minimized and the speed is increased accordingly.
  • the hermetically sealed end of the metal bellows is connected to the power transmission element, which transmits the movement and force of the pressurized metal bellows to the clamping unit. If the pressurized fluid is allowed to escape from the metal bellows via a control valve, the metal bellows retract again.
  • This return movement can be generated either by the restoring forces of the metal bellows itself or preferably by an additional spring, a return spring, which counteracts the expansion of the metal bellows supported.
  • the spring acts on the power transmission element or the closing unit such that the closing unit closes the outlet opening when the metal bellows are not under pressure.
  • the closing unit is thus arranged on that side of the outlet opening, from which the supply of the metering medium takes place. As it closes, it moves towards the outlet opening and then sits on its edge to close it. Thus it supports the ejection of a drop of the dosing medium from the outlet opening.
  • the closing movement can be assisted by an additional magnetically acting element.
  • the magnetically acting element exerts an additional force on the force transmission element.
  • this force acts in the closing direction of the closing element.
  • the force curve of the magnetically acting element is such that the force increases, the closer the closing element comes to the closed position. In this way, the magnetically acting element compensates for the release of the spring force of the return spring and thus unfolds maximum support of the pressure fluid discharge.
  • the magnetically acting element has one or more permanent magnets.
  • the magnetically acting element has one or more electromagnets.
  • the magnetically acting element has a combination of an electric and a permanent magnet, wherein the electromagnet is controlled such that the force effect of the combination only supports one or, if the electromagnet is reversed, both directions of movement of the force transmission element.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a metering device according to the invention before the beginning of the dosing
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of the metering device of FIG. 1 during the metering operation with outlet opening in the opened state
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view of the metering device of FIG. 1 and FIG. 2 after completion of the metering process
  • 4 is a schematic side sectional view of a section of an actuator unit with a larger number of metal bellows according to a variant of the metering device of FIG. 1, 4a is a schematic plan view of a power transmission element with four linearly arranged Metallbälgen according to a variant of the metering device of Fig. 1,
  • 4b is a schematic plan view of a power transmission element with three on one
  • Circular metal bellows according to a variant of the metering device of Fig. 1,
  • FIG. 4c is a schematic plan view of a power transmission element with four metal bellows arranged as a rectangle according to a further variant of the metering device of Fig. 1,
  • Fig. 6 is a schematic sectional view of a metering device with a magnetically acting element according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 7 is a schematic sectional view of a metering device with an electromagnet according to a variant of the metering device of Fig. 6,
  • exemplary embodiments which are a variant of another exemplary embodiment and to which the figures specifically show the features of the variant, correspond to this other exemplary embodiment.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a metering device 1 in the lateral sectional view.
  • the metering device has an actuator unit or an actuator with an actuator housing 2, a force transmission element 3 and at least one bellows 4 (bellows), which is hermetically sealed by a closure piece 5 at one end and at its opposite end in the longitudinal direction and tight is firmly connected to the actuator housing 2.
  • bellows 4 bellows
  • the power transmission element 3 is a Traverse, which connects the end pieces 5 of the bellows 4 together.
  • channels 6 which connect the interior of the bellows 4 with a (not shown) valve. This valve is designed to direct a pressurized fluid into the interior of the bellows 4 as needed.
  • a valve stem or a valve needle 10 is connected as a closing unit, which is movable in the longitudinal direction and protrudes down between the bellows 4 in a feed unit 9 for the metering 14.
  • the feed unit 9 contains a channel 11, via which the metering medium 14 is conveyed from a storage container 13 to an outlet unit 15 or nozzle with an outlet opening 16, which has the shape of a short channel (outlet channel 16) passing through the wall of the outlet unit 15 passes.
  • valve needle 10 protrudes into the channel 11, immersed in the dosing and presses in the lower starting position with its tip against the inlet of the outlet 16 and thus closes the metering device 1.
  • the next step in the dosing process is the filling of the bellows 4 with the pressurized fluid, so that the state shown in Fig. 2 is achieved.
  • both liquids and gases are considered as pressurized fluid.
  • Liquid, less compressible pressure fluids have the advantage that only small volumes would have to flow in or out in order to build up a high pressure in the interior of the bellows 4.
  • the internal friction of the pressurized fluid should be as low as possible. Therefore, gaseous pressurized fluids such as air, nitrogen, carbon dioxide, hydrogen or other gases are preferable.
  • a static sealing element or a welding, gluing or similar ensures that the bellows 4 are tightly connected to the actuator housing 2 and there is no loss of pressure fluid at this junction.
  • the end piece 5 at the other end of the respective bellows 4 is also by an additional sealing element or a weld, gluing o.ä. tightly and firmly connected to the bellows 4. All these Seals are loaded purely statically and in particular are not subjected to any rubbing or sliding load during operation.
  • the bellows 4 should each be designed so that the radially outward force causes only a small radial extent and consequent increase in volume of the bellows 4 and substantially only by the force on the end piece 5 a desired increase in length of the bellows 4 along the longitudinal axis takes place.
  • this is achieved by making the bellows 4 of a preferably inelastic material, e.g.
  • the walls of the bellows 4 should be as thin as possible, so that a deformation along the axis is as little resistance as possible. Even if metal such as e.g. Stainless steel is the preferred material for the bellows 4 and therefore the term metal bellows is possible, it should be noted that other materials such. Plastics come into question, especially if by additional constructive measures such. Stiffening rings made of the same material as the wall or a combination of different materials outside or inside of the ribs of the bellows 4 a radial stabilization is made.
  • the bellows 4 can withstand proper dimensioning of a very high number of load changes, which is equal to a virtually unlimited life of the actuator.
  • the travel ranges which can typically be achieved are at the same dynamics and size but many times greater than the achievable with a piezoelectric actuator with leverage strokes.
  • the outer space of the bellows 4 is connected to the ambient atmosphere, which may possibly also be a vacuum or an overpressure compared to normal atmosphere. Due to the largely constant ambient pressure and the gaseous environment, the end pieces 5 of the metal bellows 4 exert on the force transmission element 3 a defined force which ensures largely friction-free elongation of the metal bellows 4 along their axis.
  • the termination pieces 5 may e.g. be firmly connected by a screw or a material connection with the power transmission element 3.
  • devices 7 such as e.g. Springs (return springs) are present, which exert a counter force to the force transmission element 3 to the bellows 4, also extends a non-positive connection of the end piece 5 and the power transmission element.
  • valve needle 10 Due to the elongation of the bellows 4 and the resulting displacement of the force transmission element 3, the valve needle 10 is retracted (lifted) in the longitudinal direction and releases the outlet channel 16 of the outlet unit 15 for the discharge of the metering medium 14.
  • the last phase of the dosing process is shown in FIG.
  • the pressurized fluid flows rapidly from the interior of the bellows 4.
  • the fluid valve that accomplishes the emptying of the bellows 4 a 3-way valve, the also controls the filling.
  • separate fluid valves for filling and emptying are also conceivable. In order to allow the emptying process to take place quickly and thus rapidly reduce the pressure forces in the bellows 4, the fluid valves should have typical switching times in the lower millisecond range.
  • the bellows 4 go back to their original length, so that the power transmission element 3 and the valve needle 10 again reach the starting position shown in FIG.
  • the tip of the valve needle 10 performs a fast forward movement, by means of which the dosing medium 14 is compressed in the region of the outlet opening 16 and the dosing medium 14 accelerated in the outlet channel by the build-up dynamic pressure and finally as free flying drop 57 is expelled from the outlet opening 16.
  • the tip of the valve needle 10 resides in the interior of the outlet unit 15 in its seat on the edge of the outlet opening 16 and closes it as shown in FIG. 1, so that no further dosing medium 14 can flow out until the next metering stroke.
  • the actuator contains no sliding sealing elements in the metering device 1 just described, it works in contrast to the prior art friction and wear, which ensures a long life and high speeds of the valve needle 10.
  • the arrangement shown in Fig. 1-3 of two bellows 4 arranged symmetrically about the attachment point of the valve needle 10 on the power transmission element 3 is advantageous in order to keep the lateral extent of the metering device 1 as small as possible.
  • the introduction of force from point-symmetrical directions from the bellows 4 to the attachment point of the valve needle 10 ensures that no bending moment is exerted on the valve needle 10, which would result in additional friction and wear for the valve needle 10.
  • a direct comparison of the metal bellows 4 and the return springs 7 as shown in Fig. 1-3 is not mandatory.
  • any other arrangement of metal bellows and return springs can be selected as long as the introduction of force takes place in each case symmetrically about said attachment point. That it is e.g. also possible to provide two bellows a return spring against.
  • FIG. 4 shows by way of example a section of an actuator housing 2 with a linear arrangement of four bellows 4.
  • the associated plan view of the force transmission element 3 and the bellows 4 can be found in FIG. 4a. Without enlarging the lateral extent of the metering device is so compared to the arrangement in Fig. 1-3, the double actuator power available.
  • FIGS. 4b and 4c show further symmetrical arrangements of a plurality of bellows 4, here three or four bellows 4 around the point of attachment of the valve needle 10 to the force transmission element 3.
  • the arrangement is point-symmetrical or two-fold (FIGS. 4a and 4c), triple (FIG. 4b) or generally multiple rotationally symmetrical about the attachment point.
  • the attachment point is located in Focus of the forces exerted by the bellows (4) when filled with the same pressure fluid to the power transmission element.
  • a metering device can advantageously also be constructed with metal bellows 4 with other than circular cross sections.
  • Bellows with rectangular or circular segment-shaped cross-sections conceivable to optimize the ratio between effective area and space.
  • sectional views in Fig. 1-3 are not to be understood as meaning that two separate, equal sized metal bellows are shown with different axes, but the same sectional view also applies to a variant with two concentric bellows of different diameters , between which an annular pressure space is formed.
  • the power transmission element 3 also does not have to be completely free to move. It is also conceivable that the force transmission element 3 is designed as a lever, which on one side via a joint, e.g. a non-sliding solid joint, is connected to the actuator housing 2 and is moved on the other side of one or more Metallbälgen 4. Depending on whether an amplification of the stroke or an amplification of the force acting on the valve needle 10 is to be achieved, the point of attachment of the valve needle 10 may be arranged on the force transmission element 3, viewed from the joint, beyond the metal bellows 4 or between metal bellows 4 and joint.
  • a joint e.g. a non-sliding solid joint
  • the closing unit 10 for the outlet opening 16 does not necessarily have to have the illustrated needle shape. It is also conceivable to use a pressure piece which only traces the contour of the outlet unit 15 in the region of the outlet opening 16.
  • the interior of the bladders 4 can be filled with pressurized fluid for actuating the metering device, while the outer space of the bladders 4 remains essentially at constant pressure, in particular at atmospheric pressure.
  • the outer space of the bellows 4 can be filled with pressurized fluid in order to actuate the metering device, while the interior space remains essentially at constant pressure.
  • the pressure fluid is passed through corresponding passages in the actuator housing alternately in the interior of the bellows 4 and in the outer space to move the valve needle 10 back and forth.
  • This variant can achieve particularly fast opening and closing operations even with high-viscosity metering media and large stroke of the valve needle 10 and is also advantageous to accelerate the closing process and the tearing of a drop from the outlet opening 16 of the outlet 15 by the pulse of the valve needle 10 during the closing process to favor.
  • valve needle 10 in a drop metering device In order for the valve needle 10 in a drop metering device to generate the highest possible back pressure in the metering medium at the outlet opening 16, it is necessary for the valve needle to be as close as possible to the edge of the outlet opening 16 at the moment of impact has high speed. If the closing operation as described above accomplished by a mechanical spring 7 such as a screw or a plate spring, then this has the advantage that the outlet opening 16 of the metering device is closed without applied pressure fluid, but has the disadvantage that the Spring force is the lowest even when the closing position is reached.
  • a mechanical spring 7 such as a screw or a plate spring
  • FIG. 5 shows the force-displacement characteristic curve 72 of a magnet which is attracted by a ferromagnetic body or another magnet.
  • the attracting force becomes greater the more the magnet of zeroing, i. approaches its contact with the ferromagnetic body or other magnet.
  • the characteristic of the magnet thus shows the reverse slope of the characteristic of a mechanical spring.
  • the zero positions of the characteristic curves do not have to match.
  • the zero position of the magnetic characteristic 72 i. the point where the magnet and ferromagnetic body touch, and the point at which the spring is fully relaxed, may and may need to be different. In the characteristic diagram, this means that the characteristic curves 71 and 72 are horizontally shifted from one another and consequently a correspondingly different sum characteristic 73 results.
  • Fig. 6 shows an embodiment of a corresponding metering device 1, which has a magnet 98 as a magnetically acting element.
  • an actuator 84 is connected, which may be as described above metal bellows 4 or other pneumatically or electrically operated actuator.
  • the power transmission element 3 is again connected, with which the valve needle 10 is connected, which opens or closes the outlet opening 16 of the outlet unit 15 depending on the position of the force transmission element 3.
  • springs 7 restoring spring
  • a magnet 98 is connected, which serves as an anchor serving as an anchor member connected to the force transmission element ferromagnetic element or magnet 99 or, if the force transmission element 3 consists of a ferromagnetic material, the armature serving as an element 3 directly opposite so that both dress and support the spring force.
  • the force-displacement characteristic curve of the springs 7 does not select an area from the zero point, but only a certain section by biasing the respective spring, so that a minimum spring force is not undershot even in the closed position.
  • FIG. 7 shows such an arrangement in which an electromagnet 118 shown here in an annular manner is connected to the actuator housing 2.
  • a ferromagnetic material can be used, which then act only attractive forces, or a permanent magnet, so that the electromagnet 118 depending on polarity attractive or repulsive forces on the counterpart 99th exercises.
  • the advantage of such a structure is that both the opening and the closing stroke of the force transmission element 3 and the valve needle 10 connected to it can be accelerated by means of a corresponding polarity of the electromagnet 118.
  • FIG. 6 also applies here.
  • the metering device comprises the outlet unit 15 with the outlet opening 16, through which the metering medium flows out of the metering device, the channel 11 for feeding the metering medium from a reservoir to the outlet unit, the movable closing unit 10, whose one end closes the outlet opening in a first position and in a second position releasing the connection between the channel for supplying the metering medium and the outlet opening of the outlet unit, and an actuator unit with the actuator, which moves the closing unit back and forth between the two said positions, wherein:
  • the actuator unit includes a housing 2 in a fixed spatial relationship with the outlet unit,
  • the actuator unit includes an active expansion element 4 having one end communicating with the closing unit and the other end communicating with the housing and extending through the supply of energy in a direction not perpendicular to the closing unit,
  • the actuator unit includes a spring element 7, which is in communication with the housing and the closing unit and whose force acts counter to the non-perpendicular to the closing unit expansion of the active expansion element, and
  • the actuator unit additionally includes a magnetically acting element 98, 99, 118, which is in communication with the housing and the closing unit and whose magnetic force has a component parallel to the extension direction of the active expansion element.
  • the magnetically acting element includes a permanent magnet.
  • a component of the magnetic force of the magnetically acting element counteracts the expansion of the active expansion element 4 and decreases the further the active expansion element expands in the direction not perpendicular to the closing unit.
  • the magnetically acting element may also include an electromagnet.
  • the electromagnet is energized variable in time and the polar direction of the current supply is chosen so that its force effect contains a component parallel to the opening stroke and / or the closing stroke of the expansion element 4.

Landscapes

  • Coating Apparatus (AREA)
  • Loading And Unloading Of Fuel Tanks Or Ships (AREA)

Abstract

Dosiervorrichtung zur Abgabe eines flüssigen Dosiermediums, mit einer Auslassöffnung (16) zur Abgabe des Dosiermediums von der Dosiereinheit, einer beweglichen Schließeinheit (10) zum Schließen und Freigeben der Auslassöffnung, und einem Aktor (2, 3, 4, 7, 84) zum Bewegen der Schließeinheit zwischen Stellungen, in denen sie die Auslassöffnung schließt beziehungsweise freigibt. Der Aktor umfasst einen mit der Schließeinheit gekoppelten Balg (4), der sich streckt oder verkürzt, wenn mittels eines Druckfluids eine Druckdifferenz zwischen seinem Innen- und Außenraum angelegt wird, um die Schließeinheit schnell und mit großem Hub zwischen den genannten Stellungen zu bewegen. Die Dosiereinheit eignet sich auch für relativ hochviskose Dosiermedien und ist weitgehend wartungsfrei.

Description

Dosiervorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Dosiervorrichtung, insbesondere eine Dosiervorrichtung mit hoher Lebensdauer zur Abgabe von frei fliegenden Tropfen von nieder- bis hochviskosen flüssigen Medien.
Die genaue Dosierung flüssiger Medien ist eine Aufgabe, mit der sich viele Felder der Technik konfrontiert sehen. Die Spanne reicht von Tintendruckanwendungen über die Bereiche Medizin, Pharmazie und Biochemie, in denen es meist um die Abgabe wässriger oder anderer niederviskoser Medien geht, bis zur Dosierung von hochviskosen Medien wie Dicht- und Klebstoffen.
Dem allgemeinen Trend zur Miniaturisierung folgend müssen Dosiervorrichtungen immer kleinere Mengen präzise abgeben können. Um die häufig außerdem geforderten höheren Durchsatzraten zu erreichen, wird in vielen Fällen eine berührungslose Tropfendosierung eingesetzt, durch die der Zeitaufwand für ein Verfahren der Dosiervorrichtung zum Absetzen der dosierten Flüssigkeit entfällt. Dosiervorrichtungen, die die zu dosierende Flüssigkeitsmenge als frei fliegenden Tropfen abgeben, sind für niederviskose Medien speziell im Bereich der Tintenstrahldrucker bekannt, siehe z.B. EP 0 422 870 B1 , US 4 509 057 und WO 2013/013983 A1.
Allerdings unterscheiden sich Tropfen-Dosiervorrichtungen für hoch- und für niederviskose Medien in der Art und Weise wie der Dosiervorgang kontrolliert wird und wie frei fliegende Einzeltropfen erzeugt werden:
Dosiervorrichtungen für niederviskose Medien benötigen wegen des geringen Strömungswiderstands nur einen sehr geringen bis gar keinen Druck, um das Dosiermedium aus einem Vorratsbehälter in die eigentliche Dosiervorrichtung zu fördern. Folglich ist es vielfach nicht notwendig, die Austrittsöffnung der Dosiervorrichtung aktiv zu verschließen, um das Austreten des Dosiermediums im inaktiven Zustand zu verhindern. Häufig reicht die Oberflächenspannung aus, um das Medium in der Austrittsöffnung zurück zu halten.
Hochviskose Medien dagegen können nur dann aus einem Vorratsbehälter gefördert werden, wenn durch eine Pumpe oder durch das Anlegen eines Druckfluids, wie z.B. Druckluft, Druck auf das Medium aufgebracht wird. Solange das Medium ausdosiert und aus dem Vorratsbehälter nachgefördert wird, bleibt eine Druckdifferenz zwischen Vorratsbehälter und Dosiervorrichtung bestehen und sorgt dafür, dass ein ausreichend hoher Durchfluss aufrecht erhalten bleibt. Wird die Dosierung allerdings unterbrochen, gleichen sich die Drücke innerhalb des Gesamtsystems an, so dass unmittelbar an der Austrittsöffnung der Dosiervorrichtung der Medienförderdruck anliegt. In einem offenen System sorgt dieser Druck dafür, dass die Oberflächenspannung der Dosierflüssigkeit überwunden wird und unkontrolliert Medium aus der Austrittsöffnung der Dosiervorrichtung ausfließt. Daher ist es bei Dosiervorrichtungen für hochviskose Medien unumgänglich, dass entweder der Förderdruck vom System genommen oder der Kanal vom Vorratsbe hälter zur Austrittsöffnung der Dosiervorrichtung aktiv verschlossen wird, sobald die Dosierung endet. Soll im zweiten Fall z.B. ein hochviskoser Klebstoff, der feste Füllstoffe enthält, mit einer hohen Wiederholrate aus einer Tropfen-Dosiervorrichtung dosiert werden, muss die Dosiervorrichtung eine Verschlussvorrichtung enthalten, die einerseits schnell ist, andererseits aber auch eine hinreichend große Durchlassöffnung freigibt, damit die Füllstoffpartikel ungehindert hindurchströmen können.
Für die Erzeugung eines einzelnen, frei fliegenden Tropfens reicht es bei niederviskosen Medien in der Regel aus, einen Druckimpuls auf die zu dosierende Flüssigkeit zu geben, damit ein Tropfen aus der Austrittsöffnung ausgestoßen wird. Die Dämpfung eines solchen Druckimpulses, z.B. einer durch einen Piezoaktor oder eine Gasblase erzeugten Schockwelle ist so gering, dass die Oberflächenspannung an der Austrittsöffnung überwunden wird und sich ein Tropfen ablöst. Der Ort, wo der Druckimpuls erzeugt wird, und die Austrittsöffnung können daher auch relativ weit voneinander entfernt sein. Bei hochviskosen Medien funktioniert dieser Ansatz nicht. Um einen einzelnen Tropfen des Dosiermediums vom Rest abzutrennen, müssen starke kohäsive Kräfte überwunden werden. Eine Schockwelle, die entfernt im Dosiermedium erzeugt wird, wird dazu viel zu schnell gedämpft. Der erfolgversprechendste Ansatz wäre, das auszustoßende Medium auf eine ausreichend hohe Geschwindigkeit gegenüber dem Rest des Mediums zu beschleunigen, damit der kinetische Impuls des Tropfens die rückhaltenden Kräfte im Medium überwinden kann. Dabei gilt, dass der Impuls umso höher sein muss, je höher die Viskosität - und damit die kohäsive Kraft - des Dosiermediums ist. Die Geschwindigkeit, die eine strömende Flüssigkeit in einem Strömungskanal, wie ihn eine Auslassöffnung darstellt, erreicht, hängt dabei von der Viskosität und der Druckdifferenz zwischen den Enden des Kanals ab. Hohe Viskositäten sorgen daher in zweierlei Hinsicht dafür, dass hohe Drücke an der Auslassöffnung aufgebaut werden müssen, um einen einzelnen Tropfen zu erzeugen: zum einen, weil die Viskosität die Strömungsgeschwindigkeit reduziert, und zum anderen, weil die Strömungsgeschwindigkeit umso höher ausfallen muss, je höher die kohäsiven Kräfte im Medium sind.
Ein Ansatz zur Lösung dieser Probleme findet sich in GB 1 055 267. In der darin offenbarten Dosiervorrichtung wird über einen Motor und eine Kurbelwelle ein Ventilstößel auf und ab beweg, der im untersten Lagepunkt eine länglich zylindrische Auslassöffnung verschließt und diese beim Hub nach oben frei gibt. Durch die schnelle Abwärtsbewegung beim Schließvorgang wird das hochviskose Medium am Eintritt der Auslassöffnung komprimiert und so ein hoher Druck erzeugt, der das Dosiermedium mit hoher Strömungsgeschwindigkeit aus der Auslassöffnung ausströmen lässt, so dass es zur Bildung einzelner Tropfen kommt. Der Ventilstößel übernimmt damit gleichzeitig die beiden beschriebenen Aufgaben, die Dosiervorrichtung zu verschließen und den erforderlichen Druck aufzubauen, um einzelne Tropfen zu erzeugen. Nachteilig bei dieser Ausführung ist jedoch, dass der Motor kontinuierlich durchläuft und die Tropfen des Dosiermediums nur mit einer festen bzw. langsam variierbaren Wiederholrate bildet. Auch darf die Wiederholrate nicht zu gering sein, da sich der Stößel dann zu langsam bewegt und keine ausreichenden Drücke bewirkt. Wegen der Trägheit des Antriebs ist somit die Erzeugung einzelner Tropfen nach Bedarf nicht möglich. Schließlich bewirkt die Kurbelwelle, dass die Geschwindigkeit des Ventilstößels einen sinusförmigen Verlauf aufweist, so dass die Geschwindigkeit und damit die Kompression gerade im Moment des Verschließens, in dem der höchste Druck im Medium aufgebaut werden sollte, bei Null ist.
Auf demselben Grundprinzip basieren weitere Lösungen für Tropfen- Dosiervorrichtungen, die aber an Stelle der motorbetriebenen Kurbelwelle andere Aktoren verwenden.
So offenbart EP 1 414 080 B1 einen piezoelektrischen Aktor für ein Ventil. Da piezoelektrische Keramikelemente, wie sie in solchen Aktoren verwendet werden nur geringe Hübe aufweisen, wird ein Hebelsystem beschrieben, das den Hub vergrößert. Ein solches System ist jedoch aufwändig herzustellen und zu justieren und der Spalt zwischen Auslassöffnung und Ventilnadel bei geöffnetem Ventil ist für Dosiermedien mit größeren Füllstoffpartikeln dennoch zu klein.
In EP 1 437 192 A2 ist eine Tropfen-Dosiervorrichtung offenbart, die einen pneumatisch angetriebenen Ventilstößel beinhaltet. Der Aktor enthält einen Kolben, der sich innerhalb eines Zylinders bewegen kann. Wird Druckluft in das Volumen unter dem Kolben eingeblasen, wird der Kolben und der mit ihm fest verbundene Ventilstößel nach oben gedrückt und dadurch die Auslassöffnung der Dosiervorrichtung für das Dosiermedium geöffnet. Wird anschließend der Zylinder wieder entlüftet, drückt eine Feder den Kolben von der entgegengesetzten Seite wieder nach unten und die Auslassöffnung wird wieder verschlossen. Nachteilig bei dieser Lösung ist jedoch, dass der Druckraum aus Zylinder und Kolben durch eine mit dem Kolben fest verbundene Dichtung abgedichtet ist, die während der Hubbewegung an der Zylinderinnenwand entlang gleitet. Diese Gleitbewegung erzeugt Reibung, die die Geschwindigkeit des Kolbens und damit des Ventilstößels verringert und zum Verschleiß der Dichtung führt, die dann in regelmäßigen Zyklen ausgetauscht werden muss, was unerwünschte Stillstandszeiten der Dosiervorrichtung und Wartungskosten zur Folge hat. Für die Beschleunigung des Ventilstößels ist weiterhin nachteilig, dass die Rückführbewegung durch eine Druckfeder vermittelt wird, deren Kraft nachlässt, je näher der Ventil Stößel der Schließposition kommt. D.h. gerade im Moment des höchsten nötigen Druckaufbaues an der Auslassöffnung ist die Federunterstützung am geringsten und die Geschwindigkeit des Ventilstößels unzureichend. Auch US 6 715 506 B1 und DE 43 34 082 A1 zeigen Dosiervorrichtungen mit Druckluft-beaufschlagten Kolben.
DE 199 40 055 C1 und US 4 803 393 offenbaren Kraftstoff-Einspritzventile mit piezoelektrischen Aktoren, die jeweils mittels eines Faltenbalgs gegen den Angriff des piezoelektrischen Elements durch den Kraftstoff abgedichtet sind. Wegen der erwähnten Nachteile piezoelektrischer Aktoren sind solche Ventile zur Dosierung hochviskoser Medien oder solcher Medien mit Füllstoffpartikeln ungeeignet.
DE 2 553 163 A1 offenbart ein druckgesteuertes Absperrventil zum Sperren des Durchflusses eines Kryomediums, in dem ein Faltenbalg den Raum des Kryomediums vom Raum des Steuerdrucks trennt. Dieses Ventil eignet sich nicht zur Tropfendosierung von Flüssigkeiten oder gar zur Dosierung hochviskoser Flüssigkeiten.
CH 678 754 A5 offenbart ein Absperrventil in einer Leitung. Ein Teil der Leitungswandung ist von einem Balg gebildet, der zur Betätigung des im Inneren angeordneten Ventils bewegt wird. In einer Variante ist der Balg konzentrisch von einem weiteren Balg umgeben und die Betätigung geschieht durch Einpressen von Druckluft in die ringförmige Kammer zwischen den beiden Bälgen. Auch dieses Ventil ist zur Tropfendosierung von Flüssigkeiten oder gar zur Dosierung hochviskoser Medien ungeeignet. Denn der Kontakt der Bälge mit dem Medium in der Leitung macht die Bewegung träge. Außerdem können Medien wie Klebstoffe, die unter bestimmten Bedingungen aushärten, die Bälge verkleben. Wegen der Wellen- oder Faltenform der Balgwand ist eine Reinigung in solchen Fällen schwierig oder völlig unmöglich.
In einer vollautomatisierten industriellen Fertigung ist es wünschenswert, den Wartungsaufwand auf ein Minimum zu reduzieren. Gleichzeitig ist es wünschenswert, die Viskositätsobergrenze der dosierbaren Medien nach oben zu setzten, damit die Vorteile einer berührungslosen Tropfendosierung für ein möglichst breites Spektrum zu dosierender Medien (Dosiermedien) einschließlich Klebstoffen nutzbar werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Dosiervorrichtung bereit zu stellen, die über einen Aktor verfügt, der praktisch wartungsfrei ist, auch höchstviskose Medien als frei fliegende Einzeltropfen dosieren kann und auch mit größeren Füllstoffpartikeln versetzte Dosiermedien ausbringen kann. Vorzugsweise sollte die Dosiervorrichtung möglichst kompakt sein, um sie leicht in Fertigungsanlagen integrieren zu können.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Dosiervorrichtung. Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung ist weitgehend wartungsarm. Sie kann einer Schließeinheit wie beispielsweise einem Ventilstößel einen hohen Impuls und eine hohe Geschwindigkeit verleihen, um auch hochviskose Medien als frei fliegende Einzeltropfen zu dosieren. Sie kann einen großen Hub erreichen, um auch mit größeren Füllstoffpartikeln versetzte Dosiermedien auszubringen.
Eine Ausgestaltung der Erfindung löst das obige Problem, indem sie einen Aktor verwendet, der vollständig auf gleitende Dichtelemente verzichtet. Eine solche Dosiervorrichtung umfasst eine Auslasseinheit mit einer Auslassöffnung, durch die das Dosiermedium in Form von einzelnen frei fliegenden Tropfen ausgestoßen wird. Mit dieser Auslasseinheit ist ein Zuführkanal verbunden, über den das Dosiermedium aus einem Vorratsbehälter durch eine Pumpe oder durch Anlegen eines Förderdrucks zur Auslassöffnung gefördert wird. Auf der Seite des Zuführkanals wird die Auslassöffnung durch eine bewegliche Schließeinheit verschlossen bzw. geöffnet, so dass der Fluss des Dosiermediums durch die Auslassöffnung mittels der Bewegung der Schließeinheit gesteuert werden kann. Die Bewegung der Schließeinheit wird durch eine Aktoreinheit bzw. einen Aktor erzeugt, die ein Gehäuse, einen oder mehrere Metallbälge und ein Kraftübertragungselement zur Übertragung der Kraft auf die Schließeinheit aufweist. Die Metallbälge sind auf einer Seite hermetisch abgeschlossen und auf der anderen Seite dicht und fest mit dem Aktorgehäuse verbunden. Im Aktorgehäuse sind Kanäle vorgesehen, die eine Verbindung zwischen mindestens einem Steuerventil und dem Inneren der Metallbälge herstellen. Durch Schalten des Steuerventils wird ein Druckfluid in das Innere der hermetisch abgeschlossenen Metallbälge geleitet, so dass sich die Metallbälge ausdehnen können. Da außen an den Metallbälgen die Umgebungsatmosphäre anliegt, entsteht bei dieser Ausdehnung von außen keine Reibung, so dass die Geschwindigkeit auf Seiten des Aktors im Wesentlichen durch die Druckkraft, die Rückstellkräfte der Metallbälge, die innere Reibung des Druckfluids und die Massen der bewegten Elemente bestimmt wird. Vorzugsweise wird als Druckfluid ein Gas eingesetzt, so dass die innere Reibung des Druckfluids minimiert und die Geschwindigkeit entsprechend erhöht wird. Das hermetisch dichte Ende der Metallbälge ist mit dem Kraftübertragungseiement verbunden, das die Bewegung und die Kraft der mit Druck beaufschlagten Metallbälge auf die Schließeinheit überträgt. Lässt man das Druckfluid über ein Steuerventil wieder aus den Metallbälgen entweichen, ziehen sich die Metallbälge wieder zusammen. Diese Rückbewegung kann entweder durch die Rückstellkräfte der Metallbälge selbst erzeugt werden oder vorzugsweise durch eine zusätzliche Feder, eine Rückstellfeder, die der Ausdehnung der Metallbälge entgegen wirkt, unterstützt werden. Vorzugsweise wirkt die Feder so auf das Kraftübertragungselement oder die Schließeinheit, dass die Schließeinheit die Auslassöffnung verschließt, wenn die Metallbälge nicht unter Druck stehen.
Vorteilhafterweise ist die Schließeinheit also auf derjenigen Seite der Auslassöffnung angeordnet, von der die Zufuhr des Dosiermediums erfolgt. Beim Schließvorgang bewegt sie sich auf die Auslassöffnung zu und sitzt dann auf deren Rand auf, um sie zu verschließen. Damit unterstützt sie den Ausstoß eines Tropfens des Dosiermediums aus der Auslassöffnung.
Da die Ausstoßgeschwindigkeit des Dosiermediums umso höher ist, je größer der Impuls ist, den die Schließeinheit beim Schließvorgang auf die Auslassöffnung ausübt, kann die Schließbewegung durch ein zusätzliches magnetisch wirkendes Element unterstützt werden. In einer Ausgestaltung der Dosiervorrichtung, die im Wesentlichen der obigen entspricht und bevorzugt, aber nicht notwendigerweise, mit Druckfluid beaufschlagte Metallbälge als bewegungserzeugende Aktoren sowie eine Rückstellfeder enthält, übt das magnetisch wirkende Element eine zusätzliche Kraft auf das Kraftübertragungselement aus. Vorzugsweise wirkt diese Kraft in Schließrichtung des Schließelements. Vorzugsweise ist der Kraftverlauf des magnetisch wirkenden Elements so, dass die Kraft ansteigt, je näher das Schließelement der Schließposition kommt. Auf diese Weise kompensiert das magnetisch wirkende Element das Nachlassen der Federkraft der Rückstellfeder und entfaltet so maximale Unterstützung des Druckfluidausstoßes.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das magnetisch wirkende Element einen oder mehrere Permanentmagneten auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das magnetisch wirkende Element einen oder mehrere Elektromagneten auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das magnetisch wirkende Element eine Kombination aus einem Elektro- und einem Permanentmagneten auf, wobei der Elektromagnet so angesteuert wird, dass die Kraftwirkung der Kombination jeweils nur eine, oder bei Umpolung des Elektromagneten beide Bewegungsrichtungen des Kraftübertragungselements unterstützt.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung vor Beginn des Dosiervorgangs,
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht der Dosiervorrichtung von Fig. 1 während des Dosiervorgangs mit Auslassöffnung in geöffnetem Zustand,
Fig. 3 eine schematische Schnittansicht der Dosiervorrichtung von Fig. 1 und Fig. 2 nach Abschluss des Dosiervorgangs,
Fig. 4 schematisch eine seitliche Schnittansicht eines Ausschnitts einer Aktoreinheit mit einer größeren Anzahl Metallbälge gemäß einer Variante der Dosiervorrichtung von Fig. 1 , Fig. 4a eine schematische Aufsicht auf ein Kraftübertragungselement mit vier linear angeordneten Metallbälgen gemäß einer Variante der Dosiervorrichtung von Fig. 1 ,
Fig. 4b eine schematische Aufsicht auf ein Kraftübertragungselement mit drei auf einem
Kreis angeordneten Metallbälgen gemäß einer Variante der Dosiervorrichtung von Fig. 1 ,
Fig. 4c eine schematische Aufsicht auf ein Kraftübertragungselement mit vier als Rechteck angeordneten Metallbälgen gemäß einer weiteren Variante der Dosiervorrichtung von Fig. 1 ,
Fig. 5 die Weg-Kraft-Kennlinien einer Spiralfeder und eines Permanentmagneten,
Fig. 6 eine schematische Schnittansicht einer Dosiervorrichtung mit einem magnetisch wirkenden Element nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
Fig. 7 eine schematische Schnittansicht einer Dosiervorrichtung mit einem Elektromagneten gemäß einer Variante der Dosiervorrichtung von Fig. 6,
Gleiche Elemente in den Figuren sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Ausführungsbeispiele, die eine Variante eines anderen Ausführungsbeispiels sind und zu denen die Figuren speziell die Merkmale der Variante zeigen, entsprechen im Übrigen diesem anderen Ausführungsbeispiel.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Dosiervorrichtung 1 in der seitlichen Schnittansicht. Die Dosiervorrichtung weist eine Aktoreinheit bzw. einen Aktor mit einem Aktorgehäuse 2, einem Kraftübertragungselement 3 und mindestens einem Balg 4 (Faltenbalg) auf, der durch ein Abschlussstück 5 an seinem einen Ende hermetisch dicht verschlossen ist und an seinem in Längsrichtung gegenüberliegenden anderen Ende dicht und fest mit dem Aktorgehäuse 2 verbunden ist. In der Figur sind zwei solche Bälge 4 dargestellt und das Kraftübertragungselement 3 stellt eine Traverse dar, die die Abschlussstücke 5 der Bälge 4 miteinander verbindet. In dem Aktorgehäuse 2 befinden sich Kanäle 6, die das Innere der Bälge 4 mit einem (nicht dargestellten) Ventil verbinden. Dieses Ventil ist dazu ausgelegt, bei Bedarf ein Druckfluid in das Innere der Bälge 4 zu leiten.
Solange die Bälge 4 nicht mit dem Druckfluid befüllt sind, befindet sich das Kraftübertragungselement 3 in der unteren Ausgangslage, wie in Fig. 1 dargestellt. Mit dem Kraftübertragungselement 3 ist ein Ventilstößel bzw. eine Ventilnadel 10 als Schließeinheit verbunden, die in Längsrichtung beweglich ist und zwischen den Bälgen 4 nach unten in eine Zuführeinheit 9 für das Dosiermedium 14 ragt. Die Zuführeinheit 9 enthält einen Kanal 11 , über den das Dosiermedium 14 aus einem Vorratsbehälter 13 zu einer Ausiasseinheit 15 bzw. Düse mit einer Auslassöffnung 16 gefördert wird, die die Form eines kurzen Kanals (Auslasskanal 16) aufweist, der durch die Wand der Auslasseinheit 15 hindurchtritt. Die Ventilnadel 10 ragt in den Kanal 11 , taucht dabei in das Dosiermedium ein und drückt in der unteren Ausgangslage mit ihrer Spitze gegen den Eingang des Auslasskanals 16 und verschließt so die Dosiervorrichtung 1. Ein Dichtelement 12 zwischen Zuführeinheit 9 und Aktorgehäuse 2, das die Ventilnadel 10 umschließt, dichtet dabei den Kanal 11 der Zuführeinheit 9, der das Dosiermedium 14 enthält, gegen das Aktorgehäuse 2 ab. Da die Ventilnadel 10 verhältnismäßig dünn ist, ist die Reibung bei Bewegung der Ventilnadei 10 gegenüber dem Dichtelement 12 gering.
Der nächste Schritt im Dosiervorgang ist das Befüllen der Bälge 4 mit dem Druckfluid, so dass der in Fig. 2 dargestellt Zustand erreicht wird.
Als Druckfluid kommen grundsätzlich sowohl Flüssigkeiten als auch Gase in Betracht. Flüssige, wenig kompressibie Druckfluide haben den Vorteil, dass nur kleine Volumina ein- bzw. ausströmen müssten, um einen hohen Druck im Inneren der Bälge 4 aufzubauen. Um die Druckbeaufschlagung bzw. Entlastung der Bälge so schnell wie möglich durchführen zu können, sollte allerdings die innere Reibung des Druckfluids so gering wie möglich sein. Daher sind gasförmige Druckfluide wie Luft, Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserstoff oder andere Gase zu bevorzugen.
Ein statisches Dichtelement oder eine Verschweißung, Verklebung o.ä. stellt sicher, dass die Bälge 4 dicht mit dem Aktorgehäuse 2 verbunden sind und es zu keinen Verlusten des Druckfluids an dieser Verbindungsstelle kommt. Das Abschlussstück 5 am anderen Ende des jeweiligen Balgs 4 ist ebenfalls durch ein zusätzliches Dichtelement oder eine Verschweißung, Verklebung o.ä. dicht und fest mit dem Balg 4 verbunden. Alle diese Dichtungen sind rein statisch belastet und unterliegen insbesondere keiner reibenden oder gleitenden Belastung im Betrieb.
Sobald zwischen Innen- und Außenraum der Bälge 4 ein positiver Differenzdruck herrscht, entsteht eine resultierende radial nach außen wirkende Kraftkomponente auf die Wandungen der Bälge 4 sowie eine Kraftkomponente in Richtung der Längsachse der Bälge 4 auf das Abschlussstück 5. Um einen möglichst großen Wirkungsgrad des Aktors zu erreichen, sollte der Balg 4 jeweils so ausgelegt sein, dass die radial nach außen wirkende Kraft nur eine geringe radiale Ausdehnung und dadurch bedingte Volumenzunahme der Bälge 4 bewirkt und im Wesentlichen nur durch die Kraft auf das Abschlussstück 5 eine gewünschte Längenzunahme des Balges 4 entlang der Längsachse erfolgt. Vorzugsweise wird dies erreicht, indem die Bälge 4 aus einem möglichst inelastischen Material wie z.B. einem Metall gefertigt werden, das einer radialen Ausdehnung entgegen wirkt. Gleichzeitig sollten die Wandungen der Bälge 4 möglichst dünn sein, damit einer Verformung entlang der Achse möglichst wenig Widerstand entgegen gesetzt wird. Auch wenn Metall wie z.B. Edelstahl das bevorzugte Material für die Bälge 4 ist und daher auch die Bezeichnung Metalibalg möglich ist, sei darauf hingewiesen, dass auch andere Materialien wie z.B. Kunststoffe in Frage kommen, insbesondere dann, wenn durch zusätzliche konstruktive Maßnahmen wie z.B. Versteifungsringe aus demselben Material wie der Wandung oder einer Kombination verschiedener Materialien außen oder innen an den Rippen der Bälge 4 eine radiale Stabilisierung vorgenommen wird.
Solange der Hub der Bälge 4 nicht zu groß wird, können die Bälge bei richtiger Dimensionierung einer sehr hohen Zahl von Lastwechseln standhalten, was einer nahezu unbegrenzten Lebensdauer des Aktors gleich kommt. Trotz dieser Hubbegrenzung sind die typischerweise erreichbaren Stellwege bei gleicher Dynamik und Baugröße aber um ein Vielfaches größer als die mit einem piezoelektrischen Aktor mit Hebelübersetzung erreichbaren Hübe.
Der Außenraum der Bälge 4 ist mit der Umgebungsatmosphäre verbunden, die ggf. auch ein Vakuum oder ein Überdruck gegenüber Normalatmosphäre sein kann. Durch den weitgehend konstanten Umgebungsdruck und die gasförmige Umgebung üben die Abschlussstücke 5 der Metallbälge 4 auf das Kraftübertragungselement 3 eine definierte Kraft aus, die für eine weitgehend reibungsfreie Längung der Metallbälge 4 entlang ihrer Achse sorgt.
Die Abschlusstücke 5 können z.B. durch eine Verschraubung oder eine stoffschlüssige Verbindung fest mit dem Kraftübertragungselement 3 verbunden sein. Wenn allerdings wie in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel Vorrichtungen 7 wie z.B. Federn (Rückstellfedern) vorhanden sind, die auf das Kraftübertragungselement 3 eine Gegenkraft zu der der Bälge 4 ausüben, reicht auch eine kraftschlüssige Verbindung von Abschlussstück 5 und Kraftübertragungselement 3.
Durch die Längung der Bälge 4 und die daraus resultierende Verschiebung des Kraftübertragungselements 3 wird die Ventilnadel 10 in Längsrichtung zurückgezogen (angehoben) und gibt den Auslasskanal 16 der Auslasseinheit 15 für den Austritt des Dosiermediums 14 frei.
Die letzte Phase des Dosiervorganges ist in Fig. 3 dargestellt. Über die Kanäle 6 im Aktorgehäuse 2 und ein (nicht dargestelltes) Fluidventil strömt das Druckfluid rasch aus dem Inneren der Bälge 4. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Fluidventil, das die Entleerung der Bälge 4 bewerkstelligt, um ein 3-Wege-Ventil, das auch die Befüllung steuert. Allerdings sind auch separate Fluidventile für Befüllung und Entleerung denkbar. Um den Entleerungsvorgang rasch stattfinden zu lassen und damit die Druckkräfte in den Bälgen 4 schnell abzubauen, sollten die Fluidventile typische Schaltzeiten im unteren Millisekundenbereich aufweisen. Prinzipiell durch die Federwirkung der Bälge 4 allein, besser aber durch die Kraft der zusätzlich wirkenden Federn 7 fahren die Bälge 4 wieder auf ihre Ausgangslänge zurück, so dass auch das Kraftübertragungselement 3 und die Ventilnadel 10 wieder die in Fig. 1 dargestellte Ausgangsposition erreichen. Dabei führt die Spitze der Ventilnadel 10 eine schnelle Vorwärtsbewegung aus, mittels der das Dosiermedium 14 im Bereich der Auslassöffnung 16 komprimiert und das Dosiermedium 14 im Auslasskanal durch den sich aufbauenden Staudruck beschleunigt und schließlich als frei fliegender Tropfen 57 aus der Auslassöffnung 16 ausgestoßen wird. Am Ende der Schließbewegung sitzt die Spitze der Ventilnadel 10 im Inneren der Auslasseinheit 15 wieder auf ihrem Sitz am Rand der Auslassöffnung 16 auf und schließt diese wie in Fig. 1 gezeigt ab, so dass bis zum nächsten Dosierhub kein weiteres Dosiermedium 14 ausfließen kann.
Da der Aktor in der gerade beschriebenen Dosiervorrichtung 1 keine gleitenden Dichtelemente enthält, arbeitet er im Unterschied zum Stand der Technik reibungs- und verschleißfrei, was für eine hohe Lebensdauer und hohe Geschwindigkeiten der Ventilnadel 10 sorgt.
Da außerdem die Bälge 4 nicht direkt in Kontakt mit dem Dosiermedium 14 kommen und somit die Druckräume für das Dosiermedium 14 und für die Fluide im Inneren und Äußeren der Bälge 4 konsequent von einander getrennt sind, ist die Kraft, die das Kraftübertragungselement 3 auf die Ventilnadel 10 bringt, und damit das dynamische Verhalten des Aktors im Unterschied zum Stand der Technik unabhängig vom Druck des Dosiermediums 14. Eine Dämpfung der Aktorbewegung durch hochviskose Dosiermedien tritt kaum auf. Mit der Trennung der Druckräume und der zugehörigen Viskositätsregime können somit die Verhältnisse zwischen treibenden und bremsenden Kräften optimiert werden, da für die Metallbälge 4 große Wirkquerschnitte bei geringer Reibung und für die Ventilnadel 10 kleine Querschnitte bei großer viskoser Reibung gewählt werden können. Dadurch werden die eingangs genannten hohen Geschwindigkeiten zur Dosierung von frei fliegenden Tropfen erreicht.
Zudem wird eine Kontamination der Aktorbälge mit dem Dosiermedium vermieden, was vorteilhaft ist, da bei Medien wie Klebstoffen, die ggf. auch in der Dosiervorrichtung teilweise aushärten können, eine Reinigung z.B. der Hinterschnitte der Bälge nahezu unmöglich wäre.
Die in Fig. 1-3 gezeigte Anordnung von zwei symmetrisch um den Befestigungspunkt der Ventilnadel 10 am Kraftübertragungselement 3 angeordneten Bälgen 4 ist günstig, um die seitliche Ausdehnung der Dosiervorrichtung 1 so klein wie möglich zu halten. Zudem sorgt die Krafteinleitung aus zueinander punktsymmetrischen Richtungen von den Bälgen 4 zum Befestigungspunkt der Ventiinadel 10 dafür, dass kein Biegemoment auf die Ventilnadel 10 ausgeübt wird, was zusätzliche Reibung und Verschleiß für die Ventilnadel 10 zur Folge hätte. Eine direkte Gegenüberstellung der Metallbälge 4 und der Rückstellfedern 7 wie in Fig. 1-3 dargestellt ist dagegen nicht zwingend notwendig. Genauso kann jede andere Anordnung von Metallbälgen und Rückstellfedern gewählt werden, solange die Krafteinleitung jeweils symmetrisch um den genannten Befestigungspunkt erfolgt. D.h. es ist z.B. auch möglich, zwei Metallbälgen eine Rückstellfeder gegenüber zu stellen.
Um die beschleunigenden Kräfte auf die Ventilnadel 10 zu erhöhen, ist es notwendig, die wirksamen Kräfte der Metallbälge 4 zu erhöhen. Dies kann entweder durch eine Erhöhung des Drucks des Druckfluids erreicht werden, der aber natürliche Grenzen durch die Stabilität des Metallbalgs gesetzt sind, oder durch eine Vergrößerung der wirksamen Querschnittsfläche. Eine große Querschnittsfläche kann von einem oder wenigen großen Bälgen oder mehreren kleineren Bälgen 4 bereitgestellt werden. Mehrere kleinere Bälge 4 weisen gegenüber einem oder wenigen größeren den Vorteil auf, dass sie kompakt um den Befestigungspunkt der Ventilnadel 10 am Kraftübertragungselement 3 herum angeordnet sein können. Auch ist der Krümmungsradius der Wandung kleinerer Bälge gering und damit ihre Steifigkeit gegenüber unerwünschter radialer Ausdehnung verhältnismäßig groß. Entsprechende Varianten des Ausführungsbeispiels werden im Folgenden anhand der Figuren 4 bis 4c beschrieben.
Fig. 4 zeigt exemplarisch einen Ausschnitt eines Aktorgehäuses 2 mit einer linearen Anordnung von vier Bälgen 4. Die zugehörige Aufsicht auf das Kraftübertragungselement 3 und die Bälge 4 findet sich in Fig. 4a. Ohne die seitliche Ausdehnung der Dosiervorrichtung zu vergrößern ist damit gegenüber der Anordnung in Fig. 1-3 die doppelte Aktorkraft verfügbar. Die Figuren 4b und 4c zeigen weitere symmetrische Anordnungen mehrerer Bälge 4, hier drei bzw. vier Bälge 4 um den Befestigungspunkt der Ventilnadel 10 am Kraftübertragungselement 3 herum. Bei Ansicht von oben ist die Anordnung punktsymmetrisch oder zweifach (Fig. 4a und 4c), dreifach (Fig. 4b) oder allgemein mehrfach rotationssymmetrisch um den Befestigungspunkt. Der Befestigungspunkt liegt im Schwerpunkt der Kräfte, die die Bälge (4) bei Befüllung mit dem gleichen Druckfluid auf das Kraftübertragungselement ausüben.
Auch wenn in der bisherigen Beschreibung aus Gründen der einfacheren Herstellbarkeit immer Bälge 4 mit runden Querschnitten vorrausgesetzt wurden, sei ausdrücklich darauf verwiesen, dass eine erfindungsgemäße Dosiervorrichtung vorteilhafterweise auch mit Metallbälgen 4 mit anderen als kreisförmigen Querschnitten aufgebaut werden kann. So sind z.B. Bälge mit rechteckigen oder kreissegmentförmigen Querschnitten denkbar, um das Verhältnis zwischen Wirkfläche und Bauraum zu optimieren. Ebenso sei auch erwähnt, dass die Schnittdarstellungen in Fig. 1-3 nicht nur dahin gehend zu verstehen sind, dass zwei getrennte, gleich große Metallbälge mit unterschiedlichen Achsen dargestellt sind, sondern die gleiche Schnittdarstellung gilt auch für eine Variante mit zwei konzentrischen Bälgen unterschiedlichen Durchmessers, zwischen denen ein ringförmiger Druckraum ausgebildet ist.
Weiters sei auch erwähnt, dass im Rahmen dieser Erfindung Anordnungen zum Einsatz kommen können, in denen die Achsen der Metallbälge 4 untereinander und /oder zur Achse der Ventilnadel 10 nicht parallel stehen. So ist es z.B. denkbar, die Metallbälge 4 schräg zur Achse der Ventilnadel 10 zu stellen, um eine seitliche Stabilisierung des Kraftübertragungselements 3 zu erreichen.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung muss das Kraftübertragungselement 3 auch nicht vollständig frei beweglich sein. Denkbar ist auch, dass das Kraftübertragungselement 3 als Hebel ausgebildet ist, der auf einer Seite über ein Gelenk, z.B. ein nicht gleitendes Festkörpergelenk, mit dem Aktorgehäuse 2 verbunden ist und auf der anderen Seite von einem oder mehreren Metallbälgen 4 bewegt wird. Abhängig davon, ob eine Verstärkung des Hubs oder eine Verstärkung der auf die Ventilnadel 10 wirksamen Kraft erreicht werden soll, kann der Befestigungspunkt der Ventilnadel 10 am Kraftübertragungselement 3, vom Gelenk aus betrachtet, jenseits des Metallbalgs 4 oder zwischen Metallbalg 4 und Gelenk angeordnet sein.
Schließlich muss auch die Schließeinheit 10 für die Auslassöffnung 16 nicht zwangsläufig die dargestellte Nadelform haben. Denkbar ist auch die Verwendung eines Druckstückes, das nur im Bereich der Auslassöffnung 16 die Kontur der Auslasseinheit 15 nachzeichnet.
Auch wenn die obige Beschreibung davon ausgegangen ist, dass die Auslassöffnung 16 durch das Befüllen der Bälge 4 mit dem Druckfluid geöffnet und durch deren Entleeren wieder geschlossen wird, so ist auch die umgekehrte Anordnung von Balg 4 und Rückstellelement 7 denkbar. Nachteilig ist in diesem Fall zwar, dass die Auslassöffnung 16 der Dosiervorrichtung ohne anliegendes Druckfluid geöffnet ist, dafür kann aber mit einem zeitlich variablen Druck des Druckfluids während des Schließvorganges die Kraftentwicklung und damit die Beschleunigung der Ventilnadei 10 beeinflusst werden. Insbesondere kann durch kurzzeitiges Anlegen eines erhöhten Druckfluiddrucks der Schließvorgang beschleunigt werden.
Wie zuvor beschrieben kann der Innenraum der Bälge 4 zur Betätigung der Dosiervorrichtung mit Druckfluid befüllt werden, während der Außenraum der Bälge 4 im Wesentlichen auf konstantem Druck, vor allem auf Atmosphärendruck verbleibt. In einer anderen Variante kann umgekehrt jedoch auch innerhalb des Aktorgehäuses 2 der Außenraum der Bälge 4 mit Druckfluid befüllt werden, um die Dosiervorrichtung zu betätigen, während der Innenraum im Wesentlichen auf konstantem Druck verbleibt. Jedoch ist auch eine Variante möglich, bei der das Druckfluid durch entsprechende Durchlässe im Aktorgehäuse wechselweise in den Innenraum der Bälge 4 und in den Außenraum geleitet wird, um die Ventilnadel 10 hin und her zu bewegen. Diese Variante kann besonders schnelle Öffnungs- und Schließvorgänge auch bei hochviskosen Dosiermedien und großem Hub der Ventilnadel 10 erzielen und ist auch vorteilhaft, um den Schließvorgang zu beschleunigen und durch den Impuls der Ventilnadel 10 beim Schließvorgang das Abreißen eines Tropfens von der Auslassöffnung 16 der Auslasseinheit 15 zu begünstigen.
Damit die Ventilnadel 10 in einer Tropfen-Dosiervorrichtung einen möglichst hohen Staudruck im Dosiermedium an der Auslassöffnung 16 erzeugt, ist es notwendig, dass die Ventilnadel im Moment des Auftreffens auf den Rand der Auslassöffnung 16 eine möglichst hohe Geschwindigkeit besitzt. Wird der Schließvorgang wie weiter oben beschrieben durch eine mechanische Feder 7 wie z.B. eine Schrauben- oder eine Tellerfeder bewerkstelligt, dann hat das zwar den Vorteil, dass die Auslassöffnung 16 der Dosiervorrichtung ohne anliegendes Druckfluid geschlossen wird, ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, dass die Federkraft gerade dann am geringsten ist, wenn die Schließposition erreicht wird.
Dieser Zusammenhang wird aus der in Fig. 5 dargestellten Kraft-Weg-Kennlinie 71 einer Feder ersichtlich. Je mehr die Feder dem unbelasteten Zustand entgegen strebt, desto geringer wird die zugehörige Kraftwirkung. Dabei ist zu beachten, dass die Auslenkung und die Kraft einer Feder in entgegen gesetzte Richtungen wirken.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das eine Variante der zuvor erläuterten Ausführungsbeispiele ist, kann dieser Nachteil der Feder 7 kompensiert bzw. sogar überkompensiert werden, indem zusätzlich zu oder sogar komplett an Stelle der mechanischen Feder 7 ein magnetisch wirkendes Element eingebaut wird. Ais Beispiel ist in Fig. 5 die Kraft-Weg-Kennlinie 72 eines Magneten dargestellt, der von einem ferromagnetischen Körper bzw. einem anderen Magneten angezogen wird. Die anziehende Kraft wird umso größer, je mehr sich der Magnet der Nullstellung, d.h. seinem Kontakt mit dem ferromagnetischen Körper bzw. anderen Magneten annähert. Analoges gilt für die abstoßenden Kräfte von zwei Magneten, deren gleiche Pole einander gegenüber stehen. Die Kennlinie des Magneten zeigt damit die umgekehrte Steigung der Kennlinie einer mechanischen Feder. Kombiniert man daher eine mechanische Feder mit einem Magneten, erhält man den kombinierten Kraft-Weg-Verlauf 73, der eine deutlich konstantere Kraft zeigt bzw. auf eine Tropfen-Dosiervorrichtung bezogen sogar gegen Ende des Schließvorganges durch die Wirkung des Magneten in besonders vorteilhafter Weise die höchsten beschleunigenden Kräfte aufweisen kann. In der praktischen Anwendung müssen die Nulllagen der Kennlinien nicht übereinstimmen. Die Nulllage der Magnetkennlinie 72, d.h. der Punkt an dem sich Magnet und ferromagnetischer Körper berühren, und der Punkt, an dem die Feder völlig entspannt sind, können und müssen ggf. unterschiedlich sein. Im Kennliniendiagramm bedeutet das, dass die Kennlinien 71 und 72 horizontal gegeneinander verschoben sind und sich folglich eine entsprechend andere Summenkennlinie 73 ergibt.
Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer entsprechenden Dosiervorrichtung 1 , die als magnetisch wirkendes Element einen Magneten 98 aufweist. Mit dem Aktorgehäuse 2 ist ein Aktor 84 verbunden, der ein wie oben beschriebener Metallbalg 4 oder anderer pneumatisch oder elektrisch betriebener Aktor sein kann. Mit dem Aktor 84 ist wieder das Kraftübertragungselement 3 verbunden, mit dem die Ventilnadel 10 verbunden ist, die je nach Position des Kraftübertragungselements 3 die Auslassöffnung 16 der Auslasseinheit 15 öffnet bzw. verschließt. Durch Aktivierung des Aktors 84 wird die Auslassöffnung 16 geöffnet, beim anschließenden Deaktivieren des Aktors 84 sorgen Federn 7 (Rückstellfeder) dafür, dass das Kraftübertragungselement 3 und mit ihm die Ventilnadel 10 in die Ausgangslage zurück gebracht werden. Zusätzlich ist mit dem Aktorgehäuse 2 ein Magnet 98 verbunden, der einem als Anker dienenden Gegenstück wie einem mit dem Kraftübertragungselement verbundenen ferromagnetischen Element oder Magneten 99 bzw., wenn das Kraftübertragungselement 3 aus einem ferromagnetischen Material besteht, dem als Anker dienenden Kraftübertragungselement 3 direkt gegenüber steht, so dass sich beide anziehen und die Federkraft unterstützen. Typischerweise wird von der Kraft-Weg-Kennlinie der Federn 7 nicht ein Bereich vom Nullpunkt an gewählt, sondern durch Vorspannung der jeweiligen Feder nur ein bestimmter Abschnitt, so dass eine minimale Federkraft auch in der Schließposition nicht unterschritten wird. Entsprechend kann über die Wahl eines Mindestabstands zwischen Magnet 98 und ferromagnetischem Element 99 im Schiießzustand und des maximalen Hubs des Kraftübertragungselements 3 ein Bereich der Kraft-Weg-Kennlinie so gewählt, werden, dass sich in der Kombination von Feder 7 und Magnet 98 der gewünschte Gesamtkraftveriauf einstellt, bei dem die das Kraftübertragungselement 3 zur Schließposition treibende Kraft kurz vor Erreichen der Schließposition ansteigt. Die maximale Kraftwirkung des Magneten 98 und des ferromagnetischen Elements 99 wird zwar erreicht, wenn beide in der Schließposition in direktem Kontakt stehen. Dennoch sollen der Magnet 98 und das ferromagnetische Element 99 beim Schließvorgang nicht auf Anschlag fahren, sondern auch in der Schließposition einen kleinen Spalt zwischen sich freilassen, da sonst die Ventilnadel 10 die Auslassöffnung 16 nicht mehr dicht verschließt. Beim Anheben des Kraftübertragungselements 3 nimmt die anziehende Kraft zwischen Magnet 98 und ferromagnetischem Element 99 bzw. Anker ab und steigt beim nachfolgenden Schließvorgang wieder an, je mehr sich das Kraftübertragungselement 3 der Schließposition nähert.
Wenn die Hübe des Kraftübertragungselements 3 gering sind, kann sogar vollständig auf eine Feder 7 als Rückstellelement verzichtet werden, da dann die kurzreichweitigen magnetischen Kräfte allein ausreichen, um die Ausgangslage wieder herzustellen.
Wenn nur Permanentmagnete 98 verwendet werden, bedeutet das, dass der Aktor 84 beim Öffnungshub auch die Magnetkraft überwinden muss. Günstiger ist es daher, wenn an Stelle des Permanentmagneten 98 ein Elektromagnet 118 verwendet wird, der beim Öffnungshub ausgeschaltet ist und nur beim Schließhub aktiv ist.
Fig. 7 zeigt eine solche Anordnung, bei der ein hier ringförmig dargestellter Elektromagnet 118 mit dem Aktorgehäuse 2 verbunden ist. Für dessen Gegenstück 99, das fest mit dem Kraftübertragungselement 3 verbunden ist, kann entweder ein ferromagnetisches Material verwendet werden, das dann nur anziehende Kräfte wirken lässt, oder ein Permanentmagnet, so dass der Elektromagnet 118 je nach Polung anziehende oder abstoßende Kräfte auf das Gegenstück 99 ausübt. Der Vorteil eines solchen Aufbaus ist, dass durch entsprechende Polung des Elektromagneten 118 sowohl der öffnungs- als auch der Schließhub des Kraftübertragungselements 3 und der mit ihm verbundenen Ventilnadel 10 beschleunigt werden können. Im Übrigen gilt das zu Figur 6 Gesagte auch hier.
Die bevorzugten Ausführungsbeispiele weisen also folgende Aspekte auf:
Die Dosiervorrichtung umfasst die Auslasseinheit 15 mit der Auslassöffnung 16, durch die das Dosiermedium aus der Dosiervorrichtung strömt, den Kanal 11 zur Zuführung des Dosiermediums aus einem Vorratsbehälter zur Auslasseinheit, die bewegliche Schließeinheit 10, deren eines Ende in einer ersten Position die Auslassöffnung verschließt und in einer zweiten Position die Verbindung zwischen dem Kanal zur Zuführung des Dosiermediums und der Auslassöffnung der Auslasseinheit freigibt, und eine Aktoreinheit mit dem Aktor, die die Schließeinheit zwischen den beiden genannten Positionen hin und her bewegt, wobei:
die Aktoreinheit ein Gehäuse 2 beinhaltet, das mit der Auslasseinheit in einer festen räumlichen Beziehung steht,
die Aktoreinheit ein aktives Ausdehnungselement 4 beinhaltet, dessen eines Ende mit der Schließeinheit in Verbindung steht und dessen anderes Ende mit dem Gehäuse in Verbindung steht und das sich durch die Zufuhr von Energie in einer zur Schließeinheit nicht senkrechten Richtung ausdehnt,
die Aktoreinheit ein Federelement 7 beinhaltet, das mit dem Gehäuse und der Schließeinheit in Verbindung steht und dessen Kraftwirkung der zur Schließeinheit nicht senkrechten Ausdehnung des aktiven Ausdehnungselements entgegen wirkt, und
die Aktoreinheit zusätzlich ein magnetisch wirkendes Element 98, 99, 118 beinhaltet, das mit dem Gehäuse und der Schließeinheit in Verbindung steht und dessen magnetische Kraftwirkung eine Komponente parallel zur Ausdehnungsrichtung des aktiven Ausdehnungselements besitzt.
Vorteilhafterweise beinhaltet das magnetisch wirkende Element einen Permanentmagneten.
Eine Komponente der magnetischen Kraft des magnetisch wirkenden Elements wirkt der Ausdehnung des aktiven Ausdehnungselements 4entgegen und lässt nach, je weiter sich das aktive Ausdehnungselement in der zur Schließeinheit nicht senkrechten Richtung ausdehnt.
Das magnetisch wirkende Element kann auch einen Elektromagneten beinhalten. Der Elektromagnet wird zeitlich variabel bestromt und die Polrichtung der Bestromung wird so gewählt, dass seine Kraftwirkung eine Komponente parallel zum öffungshub und/oder zum Schließhub des Ausdehnungselements 4 enthält.
Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele sind miteinander kombinierbar.

Claims

Patentansprüche
1. Dosiervorrichtung zur Abgabe eines flüssigen Dosiermediums, umfassend:
eine Auslasseinheit (15) mit einer Auslassöffnung (16) zur Abgabe des Dosiermediums von der Dosiervorrichtung,
eine bewegliche Schließeinheit (10), die Stellungen zum Schließen und Freigeben der Auslassöffnung einnehmen kann, und
einen Aktor (2, 3, 4, 7, 84) mit einem Aktorgehäuse (2), einem darin angeordneten Balg (4), dessen eines Ende dicht mit dem Aktorgehäuse verbunden ist und dessen anderes Ende mittels eines mit der Schließeinheit verbundenen beweglichen Abschlussstücks (5) hermetisch dicht verschlossen ist, sowie mit einem Durchläse (6) im Aktorgehäuse, durch den mittels eines Druckfluids eine Druckdifferenz zwischen dem Innen- und dem Außenraum des Balgs angelegt werden kann, wodurch sich der Balg (4) streckt oder verkürzt und das Abschlussstück sowie die Schließeinheit zwischen den genannten Stellungen hin und her bewegt,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Aktorgehäuse (2) den Balg (4) so abschließt, dass sein Innen- und sein Außenraum von dem Dosiermedium freigehalten werden, und
sich die Schließeinheit ausgehend von ihrer Verbindung mit dem Abschlussstück (5) durch ein Dichtelement (12) hindurch aus dem Aktorgehäuse hinaus zur Auslassöffnung (16) der Auslasseinheit (15) hin erstreckt.
2. Dosiervorrichtung nach Anspruch 1 , wobei:
der Balg (4) einer von mehreren nebeneinander angeordneten Bälgen (4) des Aktors ist, deren eines Ende jeweils dicht mit dem Aktorgehäuse verbunden und deren anderes Ende jeweils mitteis eines beweglichen Abschlussstücks (5) hermetisch dicht verschlossen ist,
die Abschlussstücke (5) der Bälge (4) mittels eines Kraftübertragungselements (3) miteinander verbunden sind, und
die Schließeinheit (10) am Schwerpunkt der von den Bälgen (4) auf das Kraftübertragungselement (3) ausgeübten Kräfte an diesem befestigt ist.
3. Dosiervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Bälge (4) um die Befestigung der Schließeinheit (10) am Kraftübertragungselement (3) herum angeordnet sind und sich die Schließeinheit (10) im Außenraum der Bälge zwischen den Bälgen befindet.
4. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei
der Aktor eine Feder (7) beinhaltet, die mit dem Aktorgehäuse (2) in Verbindung steht und so angeordnet ist, dass ihre Federkraft der Bewegung der Schließeinheit (10) in die Stellung zur Freigabe der Auslassöffnung (16) entgegen wirkt.
5. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei
der Durchläse (6) mit dem Inneren des jeweiligen Balgs (4) verbunden ist und der Balg (4) die Schließeinheit (10) in die Stellung zum Freigeben der Auslassöffnung (16) bewegt, wenn er mit dem Druckfluid befüllt wird.
6. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei
ein erster Durchlass (6) im Aktorgehäuse (2) mit dem Inneren des jeweiligen Balgs (4) und ein zweiter Durchlass im Aktorgehäuse (2) mit dem Außenraum des Balgs innerhalb des Aktorgehäuses verbunden ist, so dass sich der Balg (4) entsprechend der Druckdifferenz zwischen einem durch den ersten Durchlass geleiteten ersten Druckfluid und einem durch den zweiten Durchlass geleiteten zweiten Druckfluid streckt oder verkürzt und die Schließeinheit (10) zwischen den genannten Stellungen hin und her bewegt.
7. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Aktor einen Magneten (98, 118) enthält, der eine Kraft ausübt, die die Bewegung der Schließeinheit (10) in die Stellung zum Schließen der Auslassöffnung (16) unterstützt.
8. Dosiervorrichtung zur Abgabe eines flüssigen Dosiermediums, umfassend:
eine Auslassöffnung (16) zur Abgabe des Dosiermediums von der Dosiervorrichtung, eine bewegliche Schließeinheit (10) zum Schließen und Freigeben der Auslassöffnung, und
einen Aktor (2, 3, 4, 7, 84) zum Bewegen der Schließeinheit zwischen Stellungen, in denen sie die Auslassöffnung schließt beziehungsweise freigibt,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Aktor zusätzlich zu einem Antrieb (4, 7), der auf die Schließeinheit eine erste Betätigungskraft ausübt, einen Magneten (98, 118) umfasst, der eine zweite Kraft zum Bewegen der Schließeinheit in Richtung zum Schließen der Auslassöffnung ausübt,
9. Dosiervorrichtung nach Anspruch 8, wobei
der Antrieb einen von einem Druckfluid beaufschlagten Balg (4) und/oder eine von der Kraft des Magneten unterstützte Rückstellfeder (7) umfasst.
10. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der Magnet ein Permanentmagnet (98) ist.
11. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die genannte Kraft des Magneten (98) eine Anziehungskraft des Magneten ist.
12. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11 , wobei die genannte Kraft des Magneten (98) eine Kraft ist, die dieser auf einen Anker (99) ausübt, und vom Magneten und Anker einer unbeweglich an der Dosiervorrichtung befestigt und der andere mit der beweglichen Schließeinheit ( 0) verbunden ist.
13. Verfahren zur Abgabe eines flüssigen Dosiermediums aus einer Dosiervorrichtung, die eine Auslasseinheit mit einer Auslassöffnung, einen Kanal zur Zuführung des Dosiermediums aus einem Vorratsbehälter zur Auslasseinheit, eine bewegliche Schließeinheit und eine Aktoreinheit umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens ein in der Aktoreinheit enthaltener Metallbalg mit einem hermetisch dicht geschlossenen Ende und einem anderen Ende, das mit einem zur Aktoreinheit gehörenden Gehäuse dicht verbunden ist, über einen Kanal in besagtem Gehäuse mit einem Druckfluid befüllt wird, wodurch sich der Metallbalg in einer zur Bewegungsrichtung der Schließeinheit nicht senkrechten Richtung ausdehnt und damit ein Kraftübertragungselement bewegt, das mit dem hermetisch dichten Ende des Metallbalgs verbunden ist und an dem die Schließeinheit befestigt ist, wodurch die Schließeinheit die Auslassöffnung in der Auslasseinheit freigibt und das Dosiermedium aus der Auslasseinheit ausströmen kann, und nach einer vorgegebenen Zeit das Druckfluid aus dem Metallbalg wieder entlassen wird, wodurch der Metallbalg wieder seine Ausgangslänge einnimmt und das mit ihm verbundene Kraftübertragungselement und die daran befestigte Schließeinheit in die Ausgangsposition zurückgeführt wird, wodurch die Auslassöffnung der Auslasseinheit verschlossen wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Schließeinheit so schnell wieder in die Ausgangsposition zurückgeführt wird, dass das ausgetretene Dosiermedium einen so hohen Impuls erhält, dass es als freier Tropfen von der Auslassöffnung abreißt.
15. Vorrichtung oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Merkmal nach einem der anderen vorhergehenden Ansprüche.
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