Title:
Nadelventil
Kind Code:
A1
Abstract:

Die Erfindung betrifft ein Nadelventil zur Steuerung eines Fluidstroms eines Beschichtungsmittels (H, SL) in einer Beschichtungsanlage, insbesondere zur Steuerung eines Stroms eines Zweikomponentengemisches aus zwei Beschichtungsmittelkomponenten (H, SL), insbesondere eines Zweikomponentenlacks aus einem Stammlack (SL) und einem Härter (H), mit einem Ventilsitz (7) und einer verschiebbaren Ventilnadel (4) mit einem Nadelschaft und einem Nadelkopf (5), wobei der Nadelkopf (5) den Ventilsitz (7) in einer Schließstellung der Ventilnadel (4) verschließt, wohingegen der Nadelkopf (5) den Ventilsitz (7) in einer Öffnungsstellung der Ventilnadel (4) freigibt. Die Erfindung sieht eine flexible Membran (18) vor, welche die Ventilnadel (4) stromaufwärts vor dem Nadelkopf (5) ringförmig und dichtend umgibt.



Inventors:
Herre, Frank (71739, Oberriexingen, DE)
Michelfelder, Manfred (71711, Steinheim, DE)
Baumann, Michael (74223, Flein, DE)
Melcher, Rainer (71720, Oberstenfeld, DE)
Buck, Thomas (74343, Sachsenheim, DE)
Application Number:
DE102015008661
Publication Date:
01/05/2017
Filing Date:
07/03/2015
Assignee:
Dürr Systems AG, 74321 (DE)
International Classes:
Attorney, Agent or Firm:
v. Bezold & Partner Patentanwälte - PartG mbB, 80799, München, DE
Claims:
1. Nadelventil zur Steuerung eines Fluidstroms eines Beschichtungsmittels (H, SL) in einer Beschichtungsanlage, insbesondere zur Steuerung eines Stroms eines Zweikomponentengemisches aus zwei Beschichtungsmittelkomponenten (H, SL), insbesondere eines Zweikomponentenlacks aus einem Stammlack (SL) und einem Härter (H), mit
a) einem Ventilsitz (7) und
b) einer verschiebbaren Ventilnadel (4) mit einem Nadelschaft und einem Nadelkopf (5),
b1) wobei der Nadelkopf (5) den Ventilsitz (7) in einer Schließstellung der Ventilnadel (4) verschließt,
b2) wohingegen der Nadelkopf (5) den Ventilsitz (7) in einer Öffnungsstellung der Ventilnadel (4) freigibt,
gekennzeichnet durch
c) eine flexible Membran (18), welche die Ventilnadel (4) stromaufwärts vor dem Nadelkopf (5) ringförmig und dichtend umgibt.

2. Nadelventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
a) dass die Ventilnadel (4) in einem Ventilraum (17) verschiebbar angeordnet ist, wobei der Ventilraum (17) zumindest abschnittsweise zylindrisch ist,
b) dass die Membran (18) mittig dichtend an dem Nadelschaft der Ventilnadel (4) befestigt ist, und
c) dass die Membran (18) mit ihrem Umfangsrand dichtend an der Innenwand des Ventilraums (17) befestigt ist.

3. Nadelventil nach Anspruch 2,
gekennzeichnet durch
a) einen Ventilantrieb (8) zum Verschieben der Ventilnadel (4), insbesondere als pneumatischer Ventilantrieb (8) mit einem Kolben (12),
b) einen Beschichtungsmitteleinlass (1, 2) zur Zuführung des Beschichtungsmittels, wobei der Beschichtungsmitteleinlass (1, 2) auf der dem Ventilantrieb (8) abgewandten Seite der Membran (18) in den Ventilraum (17) mündet, so dass die Membran (18) den Ventilantrieb (8) dem gegenüber beschichtungsmittelgefüllten Ventilraum (17) abdichtet, und
c) einen Beschichtungsmittelauslass zur Abgabe des Beschichtungsmittels, wobei der Beschichtungsmittelauslass in den Ventilsitz (7) mündet, so dass das Beschichtungsmittel in der Öffnungsstellung der Ventilnadel (4) durch den Ventilsitz (7) zu dem Beschichtungsmittelauslass strömen kann.

4. Nadelventil nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Ventilantrieb (8) folgendes aufweist:
a) einen verschiebbaren Kolben (12), der auf die Ventilnadel (4) wirkt, um die Ventilnadel (4) zu verschieben,
b) einen Steuerlufteinlass zur Zuführung einer Steuerluft, wobei die Steuerluft auf den Kolben (12) wirkt, um den Kolben (12) und damit auch die Ventilnadel (4) zu verschieben,
c) eine Ventilfeder (13), die mit einer Federkraft auf den Kolben (12) oder die Ventilnadel (4) wirkt,
d) wobei die Federkraft der Ventilfeder (13) in der Schließstellung und in der Öffnungsstellung vorzugsweise mindestens 20 N, 40 N oder 80 N und/oder höchstens 400 N, 200 N oder 100 N beträgt.

5. Nadelventil nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
a) dass die Ventilfeder (13) die Ventilnadel (4) in Richtung der Schließstellung drückt, und
b) dass die Steuerluft die Ventilnadel (4) über den Kolben (12) in Richtung der Öffnungsstellung drückt,
c) dass die Ventilfeder (13) und der Nadelkopf (5) vorzugsweise auf gegenüber liegenden Seiten des Kolbens (12) angeordnet ist,
d) dass der Kolben (12) vorzugsweise einen Kolbendurchmesser von mindestens 5 mm, 10 mm, 15 mm, 20 mm oder 25 mm aufweist, um beim Bewegen der Ventilnadel (4) in die Öffnungsstellung eine große Öffnungskraft zu erzeugen,
e) dass die Steuerluft zum Bewegen der Ventilnadel (4) in die Öffnungsstellung vorzugsweise einen Steuerluftdruck von weniger als 6 bar, insbesondere 5,5 bar, benötigt, so dass die Steuerluft aus einem üblichen 6-bar-Druckluftnetz bezogen werden kann.

6. Nadelventil nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
a) dass die Ventilfeder (13) die Ventilnadel (4) mit einer bestimmten Schließkraft in Richtung der Schließstellung drückt,
b) dass der pneumatische Ventilantrieb (8) bei einer pneumatischen Ansteuerung die Ventilnadel (4) mit einer bestimmten Öffnungskraft in Richtung der Öffnungsstellung drückt,
c) dass die Öffnungskraft um einen bestimmten Öffnungskraftüberschuss größer ist als die Schließkraft, um das Nadelventil öffnen zu können, wenn der Nadelkopf (5) an dem Ventilsitz (7) anhaftet,
d) dass der Öffnungskraftüberschuss vorzugsweise größer ist als 20 N, 40 N, 60 N, 80 N, 100 N, 120 N oder 130 N.

7. Nadelventil nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
a) dass die Ventilfeder (13) die Ventilnadel (4) in Richtung der Öffnungsstellung drückt, und
b) dass die Steuerluft die Ventilnadel (4) über den Kolben (12) in Richtung der Schließstellung drückt,
c) dass die Ventilfeder (13) und der Nadelkopf (5) vorzugsweise auf derselben Seite des Kolbens (12) angeordnet sind.

8. Nadelventil nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
a) dass der Beschichtungsmitteldruck an dem Beschichtungsmitteleinlass (1, 2) ab einem bestimmten Öffnungsdruck die Ventilnadel (4) über die Membran (18) aus der Schließstellung in die Öffnungsstellung drückt,
b) dass die Membran (18) vorzugsweise einen Membrandurchmesser von mindestens 3 mm, 6 mm oder 9 mm und/oder höchstens 40 mm, 20 mm oder 11 mm aufweist, insbesondere 10 mm,
c) dass der Öffnungsdruck des Beschichtungsmittels an dem Beschichtungsmitteleinlass (1, 2) vorzugsweise mindestens 8 bar, 10 bar, 12 bar oder 14 bar und/oder höchstens 22 bar, 18 bar oder 16 bar beträgt.

9. Nadelventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
a) dass sich der Ventilsitz (7) mit einem bestimmten Sitzwinkel (β) in Strömungsrichtung verengt,
b) dass sich der Nadelkopf (5) mit einem bestimmten Kopfwinkel (λ) in Strömungsrichtung verengt,
c) dass der Sitzwinkel (β) im Wesentlichen gleich dem Kopfwinkel (λ) ist,
d) dass der Sitzwinkel (β) vorzugsweise größer ist als 20°, 30° oder 35° und/oder kleiner als 70°, 60° oder 50°,
e) dass der Kopfwinkel (λ) vorzugsweise größer ist als 20°, 30° oder 35° und/oder kleiner als 70°, 60° oder 50°,

10. Nadelventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
a) dass in den Nadelkopf (5) der Ventilnadel (4) ein zusätzliches Dichtelement (6) eingesetzt ist, um den Ventilsitz (7) in der Schließstellung abzudichten, und/oder
b) dass das Dichtelement (6) aus einem anderen Material besteht als der Nadelkopf (5) der Ventilnadel (4), und/oder
c) dass das Dichtelement (6) aus einem elastischen Material besteht, und/oder
d) dass das Dichtelement (6) aus Perfluorkautschuk besteht, und/oder
e) dass das Dichtelement (6) an den Nadelkopf (5) anvulkanisiert ist, und/oder
f) dass das Dichtelement (6) ein Dichtring ist, der in eine Ringnut in dem Nadelkopf (5) eingesetzt ist, und/oder
g) dass der Nadelkopf (5) aus Titan besteht.

11. Nadelventil nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
a) dass sich der Nadelkopf (5) der Ventilnadel (4) in Strömungsrichtung im Wesentlichen konisch verjüngt,
b) dass sich der Ventilsitz (7) in Strömungsrichtung im Wesentlichen konisch verjüngt,
c) dass der Nadelkopf (5) in seiner konischen Mantelfläche eine Ringnut aufweist, in die das Dichtelement (6) eingesetzt,
d) dass die konische Mantelfläche des Nadelkopfs (5) stromaufwärts vor dem Dichtelement (6) eine ringförmig umlaufende Abstützfläche (21) bildet und sich mit der Abstützfläche (21) an dem Ventilsitz (7) abstützt,
e) dass der Nadelkopf (5) in der Abstützfläche (21) mindestens eine axial verlaufende Spülnut (22) aufweist, die in der Schließstellung der Ventilnadel (4) eine Durchleitung von Spülmittel aus dem Ventilraum (17) hin zu dem Dichtelement (6) ermöglicht,
f) dass die Spülnut (22) vorzugsweise eine Nutbreite von mindestens 1 mm und höchsten 2 mm aufweist.

12. Nadelventil nach einem der Ansprüche 10 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
a) dass der Nadelkopf (5) einen starren Anschlag (21) aufweist und sich in der Schließstellung mit dem Anschlag (21) an dem Ventilsitz (7) abstützt, insbesondere mit der ringförmig umlaufenden konischen Abstützfläche (21), und
b) dass das Dichtelement (6) in dem Nadelkopf (5) in der Schließstellung der Ventilnadel (4) einem Druck ausgesetzt ist, der unabhängig ist von der auf die Ventilnadel (4) wirkenden Schließkraft, da sich der Nadelkopf (5) mit seinem starren Anschlag (21) an dem Ventilsitz (7) abstützt.

13. Nadelventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
a) dass die Ventilnadel (4) durch keine zusätzliche Dichtung abgedichtet ist, insbesondere nicht durch eine Dichtlippe, die an der Mantelfläche des Nadelschafts dichtend anliegt, und/oder
b) dass der Härter (H) Isocyanat enthält, und/oder
c) dass der Nadelschaft der Ventilnadel (4) einen Durchmesser aufweist, der größer ist als 2 mm, 3 mm oder 4 mm und/oder kleiner als 10 mm, 6 mm oder 5 mm, und/oder
d) dass die Ventilnadel (4) einen maximalen Nadelhub von weniger als 3 mm, 2,5 mm, 2 mm oder 1,6 mm aufweist.

14. Beschichtungsanlage mit mindestens einem Nadelventil zur Steuerung eines Stroms eines Beschichtungsmittels, insbesondere zur Steuerung eines Fluidstroms eines Zweikomponentengemisches aus zwei Beschichtungsmittelkomponenten (H, SL), insbesondere eines Zweikomponentenlacks aus einem Stammlack (SL) und einem Härter (H), wobei das Nadelventil vorzugsweise in einem der folgenden Bauteile der Beschichtungsanlage angeordnet ist:
a) einem Rotationszerstäuber,
b) einem Zweikomponentenmischer zur Mischung der beiden Beschichtungsmittelkomponenten,
c) einem Zweikomponentenabsperrventil zur Absperrung oder Freigabe des Zweikomponentengemisches.

Description:

Die Erfindung betrifft ein Nadelventil zur Steuerung eines Fluidstroms eines Beschichtungsmittels in einer Beschichtungsanlage, insbesondere zur Steuerung eines Stroms eines Zweikomponentengemisches aus zwei Beschichtungsmittelkomponenten (z. B. Stammlack und Härter).

Aus dem Stand der Technik sind Zweikomponentenlacke (2K-Lacke) bekannt, die aus zwei Komponenten bestehen, nämlich einem Härter (z. B. Isocyanat) und einem Stammlack. Bei der Förderung derartiger 2K-Lacke in einer Lackieranlage kommen als Absperrventile üblicherweise Nadelventile zum Einsatz, die eine verschiebbare Ventilnadel aufweisen. Die Ventilnadel verläuft hierbei durch einen Ventilraum, der im Betrieb mit dem 2K-Lack gefüllt ist, wobei der Ventilraum gegenüber dem auf die Ventilnadel wirkenden Ventilantrieb durch einen Dichtungsring abgedichtet ist. Der Dichtungsring schleift dabei mit seiner Innenseite auf der äußeren Mantelfläche der Ventilnadel und liegt mit seinem äußeren Umfang an der Innenwand des Ventilraums an.

Problematisch hierbei ist die Tatsache, dass der Härter (z. B. Isocyanat) in der Regel mit Wasser reagiert und dann aushärtet. Hierbei reichen bereits geringste Mengen Wasser aus, um den Aushärtungsprozess zu starten, sodass beispielsweise die normale Luftfeuchtigkeit bereits zum Aushärten führt. Dies ist problematisch, weil der 2K-Lack oder der verwendete Härter sehr kriechfähig und niederviskos ist und deshalb den Dichtring um die Ventilnadel unterwandern kann, sodass der 2K-Lack bzw. der Härter aus dem lackgefüllten Ventilraum in den Bereich des Ventilantriebs austreten kann. Dies kann insbesondere bei längeren Stillstandszeiten (z. B. an Wochenenden) zu einem unerwünschten Aushärten des 2K-Lacks bzw. des Härters führen. Beispielsweise kann der ausgehärtete 2K-Lack die Ventilnadel im Ventilsitz festkleben. Darüber hinaus kann der 2K-Lack an der Ventilnadel anhaften und dann im ausgehärteten Zustand den umgebenden Dichtring beschädigen, was zu einer Undichtigkeit führt. Weiterhin können ausgehärtete Ablagerungen im Ventilsitz dazu führen, dass das Ventil nicht mehr schließt. Ferner können Aushärtungen dazu führen, dass das Ventil langsamer schließt.

Besonders problematisch ist ein Ventilversagen, wenn das Ventil nicht mehr öffnen kann, da es dann stromaufwärts vor dem Ventil zu einer Überdruckstörung kommen kann, die im Extremfall zu einem Bersten der Zuleitungsschläuche führen kann, wodurch 2K-Lack bzw. Härter austreten kann, was dann erhebliche Stillstandszeiten für Reinigungs- und Reparaturarbeiten nach sich zieht.

Ein weiteres Problem besteht darin, dass in den heute üblichen 2K-Lacken oftmals abrasive Nano-Partikel enthalten sind, die zu einem vorzeitigen Verschleiß der Nadelabdichtung durch den Dichtring führen.

Schließlich kann es im Bereich der Nadelspitze zu einer chemischen Reaktion zwischen dem Medium (2K-Lack bzw. Härter) einerseits und dem Werkstoff der Nadelspitze bzw. des Ventilsitzes kommen, was ebenfalls zu einer Verklebung führen kann, wodurch das Ventil nicht mehr öffnen kann.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein entsprechend verbessertes Nadelventil zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Nadelventil gemäß dem Hauptanspruch gelöst.

Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, den mediengefüllten Ventilraum nicht oder zumindest nicht nur durch einen schleifenden Dichtring abzudichten, wie es bei dem eingangs beschriebenen Stand der Technik der Fall ist. Vielmehr sieht die Erfindung eine flexible Membran vor, welche die verschiebbare Ventilnadel stromaufwärts vor dem Nadelkopf ringförmig und dichtend umgibt.

Die Erfindung besteht also im Wesentlichen aus einem verbesserten Nadelventil zur Steuerung eines Fluidstroms eines Beschichtungsmittels in einer Beschichtungsanlage. Besonders eignet sich das erfindungsgemäße Nadelventil zur Steuerung eines Stroms eines Zweikomponentengemisches, das aus zwei Beschichtungsmittelkomponenten besteht, wie beispielsweise einem Stammlack und einem Härter (z. B. Isocyanat). Das erfindungsgemäße Nadelventil eignet sich jedoch auch zur Steuerung eines Stroms eines einzelnen Beschichtungsmittels, wie beispielsweise eines Härters (z. B. Isocyanat). Darüber hinaus eignet sich das erfindungsgemäße Nadelventil auch allgemein zur Steuerung von Fluidströmen von Beschichtungsmitteln (z. B. Lack) oder sonstigen Betriebsmitteln (z. B. Spülmittel) in einer Beschichtungsanlage.

Das erfindungsgemäße Nadelventil weist zunächst in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik einen Ventilsitz und eine verschiebbare Ventilnadel mit einem Nadelschaft und einem Nadelkopf auf. Die Ventilnadel ist hierbei zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung verschiebbar. In der Schließstellung verschließt der Nadelkopf der Ventilnadel den Ventilsitz und sperrt dadurch den Fluidstrom. In der Öffnungsstellung ist die Ventilnadel dagegen von dem Nadelkopf abgehoben und gibt dadurch den Fluidstrom frei.

Zwischen der Öffnungsstellung und der Schließstellung können in einer Erfindungsvariante verschiedene Zwischenstellungen der Ventilnadel kontinuierlich eingestellt werden, um den Fluidstrom nicht nur qualitativ (auf/zu) zu steuern, sondern auch quantitativ, d. h. mit einem einstellbaren Strömungswiderstand. In einer anderen Erfindungsvariante steuert das Nadelventil den Fluidstrom dagegen nur qualitativ, indem der Fluidstrom entweder freigegeben oder gesperrt wird.

Die Erfindung sieht nun vor, dass der die Ventilnadel umgebende und im Betrieb mediengefüllte Ventilraum durch eine flexible Membran abgedichtet wird, welche die Ventilnadel stromaufwärts vor dem Nadelkopf ringförmig und dichtend umgibt. Die flexible Membran verhindert zuverlässig, dass Beschichtungsmittel (z. B. Härter) aus dem mediengefüllten Ventilraum in Richtung des Ventilantriebs austritt und dort aushärtet.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Ventilnadel in dem Ventilraum verschiebbar angeordnet, wobei der Ventilraum zumindest abschnittsweise zylindrisch ist. Die Membran liegt dann an ihrer Mitte vorzugsweise dichtend an dem Nadelschaft der Ventilnadel an und ist an dem Nadelschaft der Ventilnadel befestigt. Dies bedeutet, dass die Membran nicht an der Ventilnadel schleift, sondern die Verschiebebewegung der Ventilnadel zwischen der Öffnungsstellung und der Schließstellung mitmacht. Dies bedeutet, dass eine Verschiebung der Ventilnadel zu einer entsprechenden axialen Auslenkung der Membran führt. Umgekehrt führt auch eine axiale Auslenkung der Membran, beispielsweise aufgrund einer einseitigen Druckbeaufschlagung der Membran, zu einer entsprechenden Verschiebung der Ventilnadel. An ihrem Umfangsrand ist die Membran dagegen dichtend an der Innenwand des Ventilraums befestigt. Die Membran ermöglicht also mittig einen axialen Hub, der mindestens so groß ist, wie der axiale Abstand zwischen der Schließstellung und der Öffnungsstellung der Ventilnadel, damit die Membran die Bewegung der Ventilnadel nicht behindert.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Nadelventil einen Ventilantrieb zum Verschieben der Ventilnadel auf, wobei der Ventilantrieb beispielsweise als pneumatischer Ventilantrieb mit einem Kolben ausgebildet sein kann, was an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist und deshalb nicht näher beschrieben werden muss.

Darüber hinaus weist das erfindungsgemäße Nadelventil vorzugsweise einen Beschichtungsmitteleinlass auf, um das Beschichtungsmittel (z. B. 2K-Lack oder Härter) zuzuführen, wobei der Beschichtungsmitteleinlass vorzugsweise auf der dem Ventilantrieb abgewandten Seite der Membran in den Ventilraum mündet, sodass die Membran den Ventilantrieb gegenüber dem beschichtungsmittelgefüllten Ventilraum abdichtet.

Weiterhin enthält das erfindungsgemäße Nadelventil vorzugsweise einen Beschichtungsmittelauslass, um das Beschichtungsmittel abzugeben, wobei der Beschichtungsmittelauslass vorzugsweise in den Ventilsitz mündet, sodass das Beschichtungsmittel in der Öffnungsstellung der Ventilnadel durch den Ventilsitz zu dem Beschichtungsmittelauslass strömen kann.

Es wurde bereits vorstehend erwähnt, dass das erfindungsgemäße Nadelventil einen Ventilantrieb aufweisen kann, um die Ventilnadel zu verschieben. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst dieser Ventilantrieb einen verschiebbaren Kolben, der auf die Ventilnadel wirkt, um die Ventilnadel zu verschieben. Der Kolben wird vorzugsweise pneumatisch angetrieben. Hierzu weist das Nadelventil vorzugsweise einen Steuerlufteinlass auf, um Steuerluft zuzuführen, wobei die Steuerluft auf den Kolben wirkt, um den Kolben und damit auch die Ventilnadel zu verschieben.

Ferner umfasst das erfindungsgemäße Nadelventil vorzugsweise eine Ventilfeder, die mit einer Federkraft auf den Kolben oder die Ventilnadel wirkt. Die Ventilfeder einerseits und die Steuerluft andererseits wirken hierbei vorzugsweise in entgegengesetzte Richtungen.

Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Federkraft der Ventilfeder vorzugsweise mindestens 20 N, 40 N oder mindestens 80 N und/oder höchstens 400 N, 200 N oder 100 N beträgt, was vorzugsweise sowohl für die Schließstellung als auch für die Öffnungsstellung der Ventilfeder gilt.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung drückt die Ventilfeder die Ventilnadel in Richtung der Schließstellung, wohingegen die Steuerluft die Ventilnadel über den Kolben in Richtung der Öffnungsstellung drückt. Die Ventilfeder und der Nadelkopf sind dabei vorzugsweise auf gegenüberliegenden Seiten des Kolbens angeordnet.

Hierbei ist zu erwähnen, dass der Kolben vorzugsweise einen relativ großen Kolbendurchmesser aufweist, um beim Bewegen der Ventilnadel in die Öffnungsstellung eine möglichst große Öffnungskraft zu erzeugen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Öffnungskraft abhängt von der effektiven Kolbenfläche und damit auch vom Kolbendurchmesser und von dem pneumatischen Druck der Steuerluft. Der Kolben weist deshalb vorzugsweise einen Kolbendurchmesser von mindestens 5 mm, 10 mm, 15 mm, 20 mm oder sogar 25 mm auf. Vorzugsweise ist der Kolbendurchmesser so groß, dass sich mit einem üblichen Steuerluftdruck von weniger als 6 bar eine ausreichend große Öffnungskraft realisieren lässt. Dies ist sinnvoll, weil in Lackieranlagen meist ohnehin übliche 6-bar-Druckluftnetze zur Verfügung stehen, die dann auch zur Ansteuerung des erfindungsgemäßen Nadelventils verwendet werden können. Auf diese Weise kann also auf ein separates Druckluftnetz zur Ansteuerung des Nadelventils verzichtet werden.

Es wurde bereits vorstehend erwähnt, die Ventilfeder die Ventilnadel vorzugsweise in Richtung der Schließstellung drückt und zwar mit einer bestimmten Schließkraft. Der pneumatische Ventilantrieb drückt die Ventilnadel dagegen bei einer pneumatischen Ansteuerung mit einer bestimmten Öffnungskraft in Richtung der Öffnungsstellung. Hierbei sollte die Öffnungskraft des pneumatischen Ventilantriebs um einen bestimmten Öffnungskraftüberschuss größer sein als die Schließkraft, um das Nadelventil sicher öffnen zu können, wenn der Nadelkopf an dem Ventilsitz anhaftet. Das Nadelventil ist deshalb vorzugsweise so ausgelegt, dass der Öffnungskraftüberschuss größer ist als 20 N, 40 N, 60 N, 80 N, 100 N, 120 N oder sogar 130 N.

Es besteht jedoch alternativ auch die Möglichkeit, dass die Ventilfeder die Ventilnadel in Richtung der Öffnungsstellung drückt. Die Steuerluft drückt die Ventilnadel dann vorzugsweise in Richtung der Schließstellung. Bei dieser Erfindungsvariante sind die Ventilfeder und der Nadelkopf vorzugsweise auf derselben Seite des Kolbens angeordnet.

Bei der Beschreibung des Standes der Technik wurde eingangs bereits auf die Gefahr hingewiesen, dass die Beschichtungsmittelschläuche stromaufwärts vor dem Nadelventil bei einer Überdruckstörung auch durch Fehlbedienung oder Fehlinterpretation der Überdruckstörung bersten können, wodurch 2K-Lack oder Härter austreten können, was dann zu längeren Stillstandszeiten führt, da der ausgetretene 2K-Lack bzw. der ausgetretene Härter aushärtet. Nach dem Bersten kommt es zu keiner weiteren Überdruckstörung. Wenn die Bediener die Anlage wieder in Gang setzen, dann tritt ein Teil oder Großteil der Lackiermenge aus dem geborstenen Schlauch aus und flutet z. B. den gesamten Handachsbereich. Meist wird der Fehler dann erst entdeckt, wenn schon mehrere Liter ausgetreten sind und es zu anderen weiteren Störungen kommt, z. B. Drehzahlstörung, da die Turbinenabluft durch den Lack nicht mehr entweichen kann. Das erfindungsgemäße Nadelventil weist deshalb vorzugsweise eine Überdruckfunktion auf, die beim Überschreiten eines bestimmten Öffnungsdrucks an dem Beschichtungsmitteleinlass zum automatischen Öffnen des Ventils führt. Hierzu drückt das in dem Ventilraum befindliche Beschichtungsmittel gegen die Membran, wodurch die Membran und damit auch die Ventilnadel aus der Schließstellung in die Öffnungsstellung gedrückt wird, wenn der Beschichtungsmitteldruck ausreichend groß ist, um die entgegen gerichtete Kraft der Ventilfeder zu überwinden. Die Membran weist deshalb vorzugsweise einen Membrandurchmesser von mindestens 3 mm, 6 mm oder 9 mm und/oder höchstens 40 mm, 20 mm oder 11 mm auf. Der Öffnungsdruck des Beschichtungsmittels an dem Beschichtungsmitteleinlass beträgt dann vorzugsweise mindestens 8 bar, 10 bar, 12 bar oder mindestens 14 bar und/oder höchstens 22 bar, 18 bar oder 16 bar. Die Schließkraft der Feder muss also so an den gewünschten Öffnungsdruck und den effektiven Querschnitt der Membran angepasst werden, dass der Beschichtungsmitteldruck in dem Ventilraum beim Überschreiten des gewünschten Öffnungsdrucks die Membran und damit auch die Ventilnadel aus der Schließstellung in die Öffnungsstellung drückt.

Weiterhin ist zu erwähnen, dass sich der Ventilsitz vorzugsweise mit einem bestimmten Sitzwinkel in Strömungsrichtung verengt, wie sich auch der Nadelkopf vorzugsweise mit einem bestimmten Kopfwinkel in Strömungsrichtung verengt. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Sitzwinkel im Wesentlichen gleich dem Kopfwinkel. Beispielsweise kann der Sitzwinkel im Bereich von 35°–50° liegen, wie auch der Kopfwinkel vorzugsweise im Bereich von 35°–50° liegt, was eine optimale Abdichtung gewährleistet. Ein größerer Kopfwinkel verbessert hierbei den Durchfluss des Mediums bei den mit geringen Nadelhüben (ca. 1,5 mm anstelle von 3 mm bei herkömmlichen Nadelventilen) ausgestatteten erfindungsgemäßen Nadelventilen mit einer zusätzlichen Membran.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Nadelkopf der Ventilnadel ein zusätzliches Dichtelement eingesetzt, um den Ventilsitz in der Schließstellung abzudichten. Dieses zusätzliche Dichtelement kann aus einem anderen Material bestehen als der Nadelkopf der Ventilnadel, wobei vorzugsweise ein elastisches Material zum Einsatz kommt, wie beispielsweise FFKM (Perfluorkautschuk). Beispielsweise kann das zusätzliche Dichtelement an dem Nadelkopf anvulkanisiert sein. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass das Dichtelement in den Nadelkopf eingesetzt ist, beispielsweise in eine Ringnut in dem Nadelkopf. Der Nadelkopf selbst kann hierbei beispielsweise aus Titan oder aus einer Titanlegierung bestehen, damit der Nadelkopf gegenüber chemisch aggressiven Härtern von 2K-Lacken widerstandsfähig ist.

Es wurde bereits vorstehend kurz erwähnt, dass sich der Nadelkopf und der Ventilsitz vorzugsweise in Strömungsrichtung im Wesentlichen konisch verjüngen. Hierbei kann der Nadelkopf eine Ringnut aufweisen, in die das bereits vorstehend kurz erwähnte Dichtungselement eingesetzt sein kann. Hierbei kann das Problem auftreten, dass die auf die Ventilnadel wirkende Schließkraft vollständig von dem Dichtelement aufgenommen wird, was dann zu einer mechanischen Überlastung und Beschädigung des Dichtelements führen kann. Dies kann dadurch verhindert werden, dass der Nadelkopf einen starren Anschlag aufweist und sich in der Schließstellung mit dem Anschlag an dem Ventilsitz abstützt. Beim Schließen des Ventils wird das Dichtelement in dem Nadelkopf also nur so weit auf Druck beansprucht, bis die Ventilnadel mit ihrem Anschlag an dem Ventilsitz anliegt. Auf diese Weise wird die Kompression des Dichtelements in dem Nadelkopf beim Schließen des Ventils begrenzt, was der Lebensdauer des Dichtelements zuträglich ist.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird dieser Anschlag durch eine ringförmig umlaufenden Abstützfläche gebildet, die in der konischen Mantelfläche des Nadelkopfs stromaufwärts vor dem Dichtelement liegt. Hierbei kann das Problem bestehen, dass das Dichtelement den Bereich des Nadelkopfs stromabwärts hinter dem Dichtelement abdichtet, sodass dieser Bereich bei einem Spülvorgang nicht von dem Spülmittel erreichbar ist. Dieses Problem kann im Rahmen der Erfindung dadurch gelöst werden, dass die Abstützfläche mindestens eine axial verlaufende Spülnut aufweist, durch die Spülmittel in axialer Richtung aus dem Ventilraum in den Bereich stromabwärts hinter dem Dichtelement eintreten kann. Beispielsweise kann eine solche Spülnut eine Nutbreite von 1 mm–2 mm aufweisen.

Im Rahmen der Erfindung besteht die Möglichkeit, dass die den Ventilraum abdichtende flexible Membran den Dichtring ersetzt, der bei herkömmlichen Nadelventilen vorhanden ist. Es besteht jedoch im Rahmen der Erfindung auch die Möglichkeit, dass zusätzlich zu der flexiblen Membran zur Abdichtung auch ein herkömmlicher Dichtring vorhanden ist, der die Ventilnadel ringförmig umgibt und schleifend auf der Mantelfläche der Ventilnadel anliegt.

Der Nadelschaft der Ventilnadel weist vorzugsweise einen Durchmesser auf, der im Bereich von 2 mm–10 mm, 3 mm–6 mm oder 4 mm–5 mm liegen kann. Der maximale Nadelhub der Ventilnadel ist dagegen vorzugsweise kleiner als 3 mm, 2,5 mm, 2 mm oder sogar kleiner als 1,6 mm.

Schließlich ist noch zu erwähnen, dass die Erfindung nicht nur Schutz beansprucht für das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Nadelventil als einzelnes Bauteil. Vielmehr beansprucht die Erfindung auch Schutz für eine komplette Beschichtungsanlage mit mindestens einem solchen Nadelventil, wobei das Nadelventil beispielsweise in einem Rotationszerstäuber, in einem Zweikomponentenmischer oder in einem Zweikomponentenabsperrventil angeordnet sein kann.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1A eine Querschnittsansicht durch ein erfindungsgemäßes Zweikomponentenabsperrventil in einer Schließstellung,

1B die Querschnittsansicht aus 1A in einer Öffnungsstellung des Zweikomponentenabsperrventils,

2 eine Querschnittsansicht durch einen Ventilantrieb des Zweikomponentenabsperrventils gemäß den 1A und 1B,

3 eine schematische Darstellung eines konischen Nadelkopfs mit einem konischen Ventilsitz.

Die 1A und 1B, 2 und 3 zeigen verschieden Ansichten eines Zweikomponentenabsperrventils, das in einer Lackieranlage eingesetzt werden kann, um einen Härter H (z. B. Isocyanat) und einen Stammlack SL zusammenzuführen, wobei die Strömung des Stammlacks SL und die Strömung des Härters H getrennt gesteuert werden kann.

Das Zweikomponentenabsperrventil weist zur Zuführung des Härters H einen Härter-Anschluss 1 und zur Zuführung des Stammlacks SL einen Stammlack-Anschluss 2 auf. Der Härter H und der Stammlack SL werden in dem Zweikomponentenabsperrventil zusammengeführt und dann als vorläufige Mischung an einem Auslass 3 ausgegeben. Üblicherweise gelangt der Stammlack SL dann zusammen mit dem Härter H in einen Mischer (z. B. Gittermischer, Wendelmischer), der den Stammlack SL gründlich mit dem Härter H mischt.

Die Strömung des Härters H von dem Härter-Anschluss 1 zu dem Auslass 3 wird hierbei durch ein Nadelventil gesteuert, das in den Zeichnungen gemäß den 1A und 1B in der oberen Hälfte dargestellt ist. Die Strömung des Stammlacks SL von dem Stammlack-Anschluss 2 zu dem Auslass 3 wird in gleicher Weise durch ein weiteres Nadelventil gesteuert, das in den Zeichnungen gemäß den 1A und 1B in der unteren Hälfte abgebildet ist. Die beiden Nadelventile für den Stammlack SL und den Härter H sind in gleicher Weise aufgebaut und funktionieren gleich, sodass zur Vermeidung von Wiederholungen im Folgenden nur das in den Zeichnungen obere Nadelventil beschrieben wird, das die Strömung des Härters H von dem Härter-Anschluss 1 zu dem Auslass 3 steuert.

Das Nadelventil weist eine verschiebbare Ventilnadel 4 auf, wobei ein Nadelkopf 5 auf das distale Ende der Ventilnadel 4 aufgeschraubt ist. Der Nadelkopf 5 besteht hierbei aus Titan und verjüngt sich zu seinem Ende hin konisch, wobei in der konisch zulaufenden Mantelfläche des Nadelkopfs 5 eine Ringnut angeordnet ist, in die ein Dichtring 6 aus FFKM (Perfluorkautschuk) eingesetzt ist.

In der Schließstellung gemäß 1A liegt der Nadelkopf 5 mit dem Dichtring 6 an einem Ventilsitz 7 dichtend an, wobei sich der Ventilsitz 7 ebenfalls konisch verjüngt und in den Auslass 3 mündet.

In der Öffnungsstellung gemäß 1B ist der Nadelkopf 5 dagegen von dem Ventilsitz 7 abgehoben und gibt dadurch die Strömung durch den Ventilsitz 7 zu dem Auslass 3 frei.

Die Einstellung der Schließstellung bzw. der Öffnungsstellung erfolgt hierbei durch einen Ventilantrieb 8, der in 2 detailliert dargestellt ist und pneumatisch arbeitet.

So weist der pneumatische Ventilantrieb einen äußeren Gehäuseeinsatz 9 auf, der in einen Gehäusekörper 10 des Zweikomponentenabsperrventils eingeschraubt ist.

In den äußeren Gehäuseeinsatz 9 ist wiederum ein innerer Gehäuseeinsatz 11 eingeschraubt.

In dem pneumatischen Ventilantrieb 8 ist ein Kolben 12 verschiebbar angeordnet, wobei der Kolben 12 von einer Ventilfeder 13 in Richtung der Schließstellung gemäß 1A vorgespannt wird. Die Ventilfeder 13 stützt sich hierbei an dem äußeren Gehäuseeinsatz 9 ab und drückt an ihrem gegenüberliegenden Ende gegen den Kolben 12, um diesen in die Schließstellung zu drücken. Der Kolben 12 ist hierbei über einen Kolbeneinsatz 14 mit der Ventilnadel 4 verbunden, sodass der Kolben 12 auf die Ventilnadel 4 und damit auch auf den Nadelkopf wirkt.

Der Kolben 12 ist hierbei von einem Dichtring 15 umgeben, der in dem Ringspalt zwischen dem Kolben 12 einerseits und der Innenwand des inneren Gehäuseeinsatzes 11 angeordnet ist und bei einer Bewegung des Kolbens 12 an der Innenwand des inneren Gehäuseeinsatzes 11 schleift.

Darüber hinaus ist ein weiterer Dichtring 16 vorgesehen, der schleifend auf der Mantelfläche der verschiebbaren Ventilnadel 4 anliegt und dadurch eine weitere Abdichtung bewirkt.

Die Ventilnadel 4 verläuft hierbei teilweise durch einen Ventilraum 17, der im Betrieb mit dem jeweiligen Fluid (Härter H bzw. Stammlack SL) gefüllt ist.

Zwischen dem Ventilantrieb 8 und dem mediengefüllten Ventilraum 17 ist hierbei eine flexible Membran 18 als Dichtelement vorgesehen, um den Ventilraum 17 gegenüber dem Ventilantrieb 8 abzudichten. Die flexible Membran 18 ist mit ihrem äußeren Umfangsrand an dem unteren Ende der inneren Gehäuseeinsatzes 11 dichtend befestigt und weist mittig eine Bohrung auf, durch die die Ventilnadel 4 hindurchgeführt ist. Die Membran 18 ist hierbei fluiddicht und fest mit der Ventilnadel 4 verbunden. Zum einen macht die Membran 18 also die Verschiebebewegung der Ventilnadel 4 zwischen der Schließstellung und der Öffnungsstellung mit. Zum anderen dichtet die Membran 4 aber auch den mediengefüllten Ventilraum 17 gegenüber dem Ventilantrieb 8 ab, wobei keine Schleifbewegung wie bei einem Dichtring erforderlich ist, sodass auch nicht die Gefahr besteht, dass der niederviskose und kriechfähige Härter H in den Ventilantrieb 8 eindringen kann.

Der eigentliche Antrieb erfolgt hierbei durch Steuerluft, die in einen Steuerluftraum 19 unterhalb des Kolbens 12 eingeleitet werden kann, wobei die Steuerluft in dem Steuerluftraum 19 dann den Kolben 12 nach oben drückt. Die Zuführung der Steuerluft in den Steuerluftraum 19 erfolgt hierbei über einen Steuerluftanschluss 20.

Die Steuerluft kann hierbei aus einem herkömmlichen 6-bar-Druckluftnetz bereitgestellt werden, das in Lackieranlagen meist ohnehin zur Verfügung steht. Dies bietet den Vorteil, dass auf eine separate Druckluftversorgung verzichtet werden kann. Der Kolben 12 weist hierbei einen relativ großen effektiven Durchmesser auf, sodass die auf den Kolben wirkende Steuerluft eine relativ große Öffnungskraft erzeugt. Diese Öffnungskraft ist bei einer Druckluftbeaufschlagung durch die Steuerluft um einen bestimmten Öffnungskraftüberschuss größer als die Schließkraft, die die Ventilfeder13 auf den Kolben 12 ausübt. Dieser Öffnungskraftüberschuss liegt in diesem konkreten Ausführungsbeispiel im Bereich von 57,4 N bis 136 N im Vergleich zu einem Öffnungskraftüberschuss von nur 15 N bei einem herkömmlichen Nadelventil. Dies ermöglicht ein „Losreißen” des Nadelkopfs 5 von dem Ventilsitz 7 auch dann, wenn der Nadelkopf 5 an dem Ventilsitz 7 anhaftet.

Aus 3 ist weiterhin ersichtlich, dass sich der Nadelkopf 5 mit einem Kopfwinkel λ = 35°–50° in Strömungsrichtung verjüngt, wie sich auch der Ventilsitz 7 mit einem Sitzwinkel β = 35°–50° in Strömungsrichtung konisch verjüngt.

Die konische Mantelfläche des Nadelkopfs 5 stromaufwärts vor dem Dichtring 6 bildet hierbei eine Abstützfläche 21, die sich in der Schließstellung gemäß 1A an dem Ventilsitz 7 abstützt. Die Abstützfläche 21 bildet hierbei einen Anschlag für die Axialbewegung des Nadelkopfes 5 in die Schließstellung. Dadurch wird eine übermäßige Kompression des Dichtrings 6 verhindert, was der Lebensdauer des Dichtrings 6 zuträglich ist.

Die Abstützfläche 21 ist hierbei durch mehrere axial verlaufende Spülnuten 22 unterbrochen, die über den Umfang des Nadelkopfs 5 verteilt angeordnet sind. Die Spülnuten 22 ermöglichen in der Schließstellung gemäß 1A, dass Spülmittel von dem Härter-Anschluss 1 bzw. dem Stammlack-Anschluss 2 auch den Bereich stromabwärts hinter der Abstützfläche 21 erreichen kann.

Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den jeweils in Bezug genommenen Ansprüchen. Beispielsweise kann ein erfindungsgemäßes Nadelventil auch ohne eine flexible Membran realisiert werden, aber mit den zusätzlichen Merkmalen aus den Unteransprüchen oder aus der Beschreibung.

Bezugszeichenliste

1
Härter-Anschluss
2
Stammlack-Anschluss
3
Auslass
4
Ventilnadel
5
Nadelkopf
6
Dichtring
7
Ventilsitz
8
Ventilantrieb
9
Äußerer Gehäuseeinsatz
10
Gehäusekörper des Zweikomponentenabsperrventils
11
Innerer Gehäuseeinsatz
12
Kolben
13
Ventilfeder
14
Kolbeneinsatz
15
Dichtring um den Kolben
16
Dichtring um die Ventilnadel
17
Ventilraum
18
Membran
19
Steuerluftraum
20
Steuerluftanschluss
21
Abstützfläche
22
Spülnut
λ
Kopfwinkel
β
Sitzwinkel
H
Härter
SL
Stammlack
2K
Zweikomponentenlack