Title:
Pneumatische Freistrahleinrichtungen
Kind Code:
A1


Abstract:

Eine Freistrahleinrichtung mit einem Ventil umfasst eine erste Platte 1 mit einer Flüssigkeitszuführeinheit 3, eine erste Kammer 4a, die mit der Flüssigkeitszuführeinheit 3 verbunden ist, eine Flüssigkeitsablasseinheit 5, eine zweite Kammer 4b seitlich neben der ersten Kammer 4a, die mit der Flüssigkeitsablasseinheit 5 verbunden ist und eine zwischen den Kammern ausgebildete Abtrennung 17, deren Oberseite als Dichtfläche 16 ausgebildet ist; weiterhin eine zweite Platte 2 gegenüber der ersten Platte 1, die eine Druckmittel-Zufuhr 6 im Bereich gegenüber der ersten 4a und/oder zweiten Kammer 4b einschließt, weiterhin eine flexible Membran 9 zwischen der ersten Platte 1 und zweiten Platte 2, die die erste Kammer 4a und zweite Kammer 4b bedeckt und im Bereich der Abtrennung 17 beweglich ist, zur Ausführung einer Ventilfunktion in Wechselwirkung mit der Dichtfläche 16. embedded image




Inventors:
gleich Anmelder
Application Number:
DE102017001795A
Publication Date:
08/30/2018
Filing Date:
02/24/2017
Assignee:
Büstgens, Burkhard, 79194 (DE)
International Classes:



Claims:
Freistrahleinrichtung mit einem Ventil, die folgendes umfasst:
eine erste Platte (1) mit einer Flüssigkeitszuführeinheit (3), eine erste Kammer (4a), die mit der Flüssigkeitszuführeinheit (3) verbunden ist, eine Flüssigkeitsablasseinheit (5), eine zweite Kammer 4b) seitlich neben der ersten Kammer (4a), die mit der Flüssigkeitsablasseinheit (5) verbunden ist und eine zwischen den Kammern ausgebildete Abtrennung (17), deren Oberseite als Dichtfläche (16) ausgebildet ist;
eine zweite Platte (2) gegenüber der ersten Platte (1), die eine Druckmittel-Zufuhr (6) im Bereich gegenüber der ersten (4a) und/oder zweiten Kammer (4b) einschließt,
eine flexible Membran (9) zwischen der ersten Platte (1) und zweiten Platte (2), die die erste Kammer (4a) und zweite Kammer (4b) bedeckt und im Bereich der Abtrennung (17) beweglich ist, zur Ausführung einer Ventilfunktion in Wechselwirkung mit der Dichtfläche (16).

Freistrahleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Platte (2) eine dritte Kammer (7) umfasst, die mit der Druckmittelzufuhr (6) verbunden ist und die durch die Membran (9) begrenzt wird.

Freistrahleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Kammer (7) in ihrer seitlichen Ausdehnung kleiner oder gleich der seitlichen Ausdehnung der ersten und zweiten Kammer ist.

Freistrahleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtfläche (16) im Bereich der Membran-Einspannung (21) mit dieser zusammenfällt.

Freistrahleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtfläche (16) zur Membran hin konvex, konkav oder plan geformt ist.

Freistrahleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (9) in Ihrem bewegliche Teil der im Wesentlichen rund ist.

Freistrahleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (9) in Ihrem beweglichen Teil im Wesentlichen länglich geformt ist, wobei die Ausdehnung der Membran (9) in Richtung der Abtrennung (17) in einer ersten Ausführungsform zumindest um einen Faktor 1,5 größer und in einer zweiten Ausführungsform zumindest um einen Faktor 1,5 kleiner ist als die Ausdehnung in der dazu senkrechten Richtung.

Freistrahleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein erster Flächenanteil der Membran (9), der die erste Kammer (4a) abdeckt und ein zweiter Flächenanteil der Membran (9), der die zweite Kammer (4b) abdeckt, unterscheiden.

Freistrahleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Flüssigkeitszufuhreinheit (3) Mittel zur Beaufschlagung der Flüssigkeit mit Druck enthält.

Verfahren zur Abgabe von Tropfen einer Flüssigkeit mit den folgenden Schritten:
Bereitstellen einer Freistrahleinrichtung mit einem Ventil,
- mit einer ersten Platte (1) mit einer Flüssigkeitszuführeinheit (3), einer ersten Kammer (4a), die mit der Flüssigkeitszuführeinheit (3) verbunden ist, einer Flüssigkeitsablasseinheit (5), einer zweiten Kammer (4b) seitlich neben der ersten Kammer (4a), die mit der Flüssigkeitsablasseinheit (5) verbunden ist und einer zwischen den Kammern ausgebildeten Abtrennung (17), deren Oberseite als Dichtfläche (16) ausgebildet ist,
- mit einer zweiten Platte (2) gegenüber der ersten Platte, die eine Druckmittel-Zufuhr (6) im Bereich gegenüber der ersten (4a) oder zweiten Kammer (4b) einschließt,
- mit einer flexible Membran (9) zwischen der ersten und zweiten Platte, die die erste und zweite Kammer bedeckt und im Bereich der Abtrennung beweglich ist, zur Ausführung einer Ventilfunktion in Wechselwirkung mit der Dichtfläche (16);
Durchführen eines Druckaufbaus im Druckmittel, sodass die Membran (9) auf die Dichtfläche (16) gepresst wird;
Bereitstellen der Flüssigkeit unter Druck in der Flüssigkeitszufuhreinheit (3);
Wiederholen der Schritte:
- Durchführen eines Druckabbaus im Druckmittel zum Öffnen des Ventils, wobei der Flüssigkeitsdruck die Membran (9) von der Dichtfläche (16) wegbewegt und ein Flüssigkeitsstrom sich über die Dichtfläche (16) hinweg ausbildet und Flüssigkeit durch die zweite Kammer (4b) und Flüssigkeitsablasseinheit (5) hindurch abgegeben wird,
- Durchführen eines Druckaufbaus im Druckmittel, sodass sich die Membran an die Dichtfläche (16) angelegt wird und die Flüssigkeitsverbindung zwischen der ersten und zweiten Kammer unterbricht;
Beenden der Druckbeaufschlagung in der Flüssigkeitszufuhreinheit (3).

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Abgabe von Flüssigkeiten aus einer Freistrahleinrichtung. Als Flüssigkeiten werden hier vorzugsweise Beschichtungsmittel betrachtet, wie beispielsweise wässrige Lösungen, Farben, im speziellen Dispersionsfarben, Lacke, im speziellen Lösungsmittel - basierte Lacke, im speziellen Autolacke, Suspensionen oder Dispersion im Allgemeinen, aus Feststoffpartikeln in einer flüssigen wässrigen oder nicht-wässrigen Phase, Emulsionen, Dichtstoffe, Versiegelungen, Klebstoffe, Pasten, Gipse, Zemente, Tone, Glasuren oder Dispersionen aus Glasmehlen, Monomere, Polymere, Flüssigkeiten mit Aminosäuren, insbesondere Zellen oder deren Bestandteile.

Unter einer Freistrahleinrichtung wird eine Vorrichtung verstanden, welche über Flüssigkeitsauslass-Einheiten verfügt, aus denen Flüssigkeit in den freien Raum mit einer bestimmten Austrittsgeschwindigkeit ausgestoßen bzw. ejiziert wird (Fluidejektoren). Dabei werden definierte Mengen an Flüssigkeit auf Anforderung abgegeben, was als Drop-on-Demand (DOD) Verfahren bezeichnet wird und sowohl die Abgabe von Flüssigkeit in Form eines Flüssigkeits-Strahls von bestimmter Dauer als auch in Form von Tropfen bezeichnet. Wesentlich kennzeichnend dabei ist das Auftreten eines abrupten Strahlabrisses am Ende einer Flüssigkeitsabgabe, sodass der Strahl/Tropfen ein definiertes Volumen besitzt. Die Freistrahl-Einrichtungen der hier behandelten Gattung werden in großer Anzahl in Reihen und Spalten angeordnet und bilden auf diese Weise digital ansteuerbare Anordnungen, die auch als Dosierkopf oder Drop-on-Demand-Beschichtungskopf bezeichnet werden. Dabei wird hier in einem solchen DOD-Beschichtungskopf eine einzelne elektrisch ansteuerbare Freistrahleinrichtung als individuell ansteuerbarer Kanal bezeichnet. Die Flüssigkeitsauslass-Einheiten einer Freistrahleinrichtung kann eine oder mehrere Fluid-Auslässe enthalten, welche zueinander in einer oder mehreren Reichen angeordnet sind und zur Fläche eines zu beschichtenden Körpers hin gerichtet sind.

Pneumatische Freistrahleinrichtungen werden hier als Freistrahleinrichtungen bezeichnet, die durch pneumatische Steuerdrücke gesteuert werden. Eine solche Technologie wird in US 8,556,373 B2 (Multichannel printhead or dosing head) zum Beispiel beschrieben. Mittels eines Arrays aus pneumatischen Mikro-Pilotventilen werden pneumatische Steuerdrücke generiert, welche ihrerseits pneumatisch gesteuerte Membran-Fluidventile schalten. Auf diese Weise lassen sich selbst auf kleinstem Raum hohe Schaltleistungen erzielen. US 8,556,373 B2 schlägt dabei als Membran - Fluidventile einen Mechanismus vor, in dem eine durch den Steuerdruck bewegte Membran oder ein pneumatisch bewegter Ventilstößel das Loch eines Auslasses verschließt oder öffnet. Das Öffnen des Ventils erfolgt letztlich durch den Fluiddruck, sobald dieser größer als der Steuerdruck ist, oder, sobald der Steuerdruck den Fluiddruck unterschreitet. In DE102014013158.0 werden weitere DOD-Fluidventile, welche Membranen als Schaltelemente verwenden, beschrieben.

Da die Membranen einen runden Ventilsitz verschließen, innerhalb und außerhalb dessen sich ein Flüssigkeitspfad befindet, benötigt ein solches Ventil einen bestimmten Mindest-Membran-Durchmesser, um ausreichend große Membran-Hübe ausführen zu können. Zudem befindet sich der Ventilspalt nicht an der Stelle der größten Ventilauslenkung, was bei einer Membran konstanter Dicke in der Mitte des beweglichen Bereiches ist. Dies beschränkt jedoch den minimal möglichen Abstand zwischen zwei Kanälen.

Es kann die Dicke der Membran verringert werden, um große Membran-Hübe zu erreichen, jedoch nimmt dadurch die mechanische Belastung der Membran zu. Insbesondere ist die Membran durch das periodische Kontaktieren des Ventilsitzes einem hohe Verschleiß ausgesetzt. Als Folge verändern sich die Membran-Eigenschaften und somit die Kennlinien des Ventils über der Zeit, bis hin zum Bruch der Membran.

Aufgabe der Erfindung ist es, pneumatische Freistrahleinrichtungen so zu gestalten, dass die Membranen einem geringeren Verschleiß unterliegen und gleichzeitig in ihrer Größe verringert werden können. Damit sollen pneumatisch betriebene Freistrahl-Einrichtungen geschaffen werden, die bei kleinerer Größe eine höhere Lebensdauer besitzen

Die Aufgabe wird durch die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren gelöst.

So wird die Aufgabe durch eine Freistrahleinrichtung mit einem Ventil gelöst, das folgendes umfasst, siehe die 1a - 1d, 2a - 2d und 3a und 3b: Eine erste Platte 1 mit einer Flüssigkeitszuführeinheit 3, eine erste Kammer 4a, die mit der Flüssigkeitszuführeinheit 3 verbunden ist, eine Flüssigkeitsablasseinheit 5, eine zweite Kammer 4b seitlich neben der ersten Kammer, die mit der Flüssigkeitsablasseinheit 5 verbunden ist und eine zwischen den Kammern ausgebildete Abtrennung 17, deren Oberseite als Dichtfläche 16 ausgebildet ist; eine zweite Platte 2 gegenüber der ersten Platte 1, die eine Druckmittel-Zufuhr 6 im Bereich gegenüber der ersten Kammer 4a und zweiten Kammer 4b einschließt, eine flexible Membran 9 zwischen der ersten Platte 1 und zweiten Platte 2, die die erste Kammer 4a und zweite Kammer 4b bedeckt und im Bereich der Abtrennung 17 beweglich ist, zur Ausführung der Ventilfunktion in Wechselwirkung mit der Dichtfläche 16. Dabei wird als Ventil eine Einheit aus Komponenten und Strukturen verstanden, die so miteinander wirken, dass sie imstande sind, einen Flüssigkeitsstrom in einem Kanalsystem zu regulieren.

In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform schließt die Freistrahleinrichtung eine dritte Kammer 7 in der zweiten Platte 2 ein, die mit der Druckmittelzufuhr 6 verbunden ist und die durch die Membran 9 begrenzt wird. Dabei kann die dritte Kammer 7 in ihrer seitlichen Ausdehnung kleiner oder gleich der seitlichen Ausdehnung der ersten Kammer 4a und zweiten Kammer 4b sein.

In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform fällt die Dichtfläche 16 im Bereich der Membran-Einspannung 21 mit dieser zusammen. Diese kann zur Membran hin konvex, konkav oder plan geformt sein. Der bewegliche Teil der Membran 9 kann verschiedene Formen annehmen, z.B. im Wesentlichen rund, länglich, wobei die Ausdehnung der Membran in Richtung der Abtrennung in einer ersten Ausführungsform zumindest um einen Faktor 1,5 beziehungsweise zumindest um einen Faktor 2,5 größer ist und in einer zweiten Ausführungsform zumindest um einen Faktor 1,5 beziehungsweise zumindest um einen Faktor 2,5 kleiner ist als die Ausdehnung in der dazu senkrechten Richtung.

Die Flächenanteile der Membran 9, die sich im Bereich der ersten und zweiten Kammer befinden, können identisch sein oder sich unterscheiden. Also unterscheiden sich ein erster Flächenanteil der Membran 9, der die erste Kammer 4a abdeckt und ein zweiter Flächenanteil der Membran 9, der die zweite Kammer 4b abdeckt voneinander, bevorzugt um einen Faktor von mindestens 1,5. Dabei kann entweder der erste Flächenanteil oder der zweite Flächenanteil der größere sein.

Erfindungsgemäß wird die Flüssigkeit bevorzugt mit Druck beaufschlagt zugeführt, somit enthält die Flüssigkeitszufuhreinheit 3 integrierte oder vorgeschaltete Mittel zur Beaufschlagung der Flüssigkeit mit Druck, wie beispielsweise Pumpen oder Dispensierkartuschen.

Das Verfahren ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn Flüssigkeiten mit enthaltenen Partikeln oder langkettigen Polymeren oder -agglomerationen durch eine Freistrahl-Einrichtung ausgestoßen werden sollen.

In Abhängigkeit von Partikelgröße und Partikelgrößen-Verteilung ist es unter gewissen Umständen möglich, dass im Zeitraum von 10 Sekunden, 30 Sekunden, einer, fünf oder zehn Minuten nach dem Schießen eines Ventils weiterhin die flüssige Phase einer Partikel- haltigen Flüssigkeit durch den geschlossenen Ventilspalt an dort eingeklemmten Partikeln vorbei fließt. Dies führt zu dem Nebeneffekt einer Eindickung der partikelhaltigen Flüssigkeit im Vorlauf unmittelbar vor dem Ventilspalt, sodass sich dort eine Partikel-Anreicherung, hier im Folgenden als Konglomerat bezeichnet, bilden kann, das das Ventil unwiederbringlich verstopft, falls es eine kritische Größe D_krit annehmen kann, ab der es den Ventilspalt im Zustand des geöffneten Ventils nicht mehr passieren kann. Die kritische Größe für ein Konglomerat kann beispielsweise anhand der Größe des Ventilspaltes im geöffneten bemessen werden, diese soll hier charakteristischerweise der Höhe des Ventilspaltes entsprechen.

Gemessen ab dem Schließen des Ventils unter fortgesetzter Druckbeaufschlagung bildet sich ein Konglomerat mit der Größe D_krit nach einer kritischen Zeit T_krit. Es liegt die Aufgabe darin zu verhindern, dass sich ein Konglomerat von einer kritischer Größe D_krit vor dem Ventilspalt ausbilden kann, die in der Größenordnung des Ventilspaltes des geöffneten Ventils liegt. Erfindungsgemäß durch eine Prozess-Ablaufsteuerung unter Einbeziehung einer elektronischen Prozess-Steuerungseinrichtung mit einer Steuerungs-Software gelöst. Bleibt die Flüssigkeit Druck-beaufschlagt, so wird nach längstens einer Zeit T_krit, gerechnet ab dem Zeitpunkt des Schließens des Ventils, das Ventil wieder geöffnet. Dabei löst sich das bis dahin auf der Ventil-Vorlauf-Seite in Kammer 4a gebildete Konglomerat ab, falls es an einer Innenfläche des Ventils anhaftet, und gelangt über den Ventilspalt des geöffneten Ventils hinweg in den Ventil-Nachlauf in Kammer 4b. Von dort gelangt es Druck-gefördert durch die Flüssigkeits-Ablasseinrichtung 5 hinaus, beispielsweise hinein in einen Abfallbehälter oder in die Umgebung, jeweils an einer Stelle außerhalb des Beschichtungsbereiches der Oberfläche des zu beschichtenden Objektes.

Im Falle eines mehrkanaligen Drop-on-Demand Beschichtungskopfes, umfassend mehrere Freistrahl-Einrichtungen der beschriebenen Gattung, deren Flüssigkeitszuführeinheiten 3 gemeinsamen mit Druck beaufschlagt werden, ist durch die Prozess-Steuerungseinrichtung sicherzustellen, dass das Ventil jeder einzelnen Freistrahl-Eirichtung vom Zeitpunkt seines jeweiligen Schließens an längstens nach einer Zeit T_krit zum Herausspülen des Konglomerates zu öffnen ist.

Dies hat zur Konsequenz, dass bei der Beschichtung von Flächen mit partikelhaltigen Flüssigkeiten mit einem Drop-on-Demand Applikationskopf, welcher mehrere Freistrahleinrichtungen mit Ventilen umfasst, spätestens nach einer Zeit T_krit ab dem Schließzeitpunkt des am längsten geschlossenen Ventils der Applikationsvorgang insgesamt unterbrochen werden muss und ein Spülvorgang durchgeführt werden muss. Ein Spülvorgang umfasst dabei das ein- oder mehrmalige Öffnen der Ventile ein oder mehrerer erfinderischer Freistrahleinrichtungen, dabei zumindest das betroffene Ventil umfassend. Durch ein mehrmaliges Öffnen kann bewirkt werden, dass an Innenstrukturen des Ventils anhaftendes Konglomerat schrittweise abgelöst und durch das geöffnete Ventil aus der Freistrahleinrichtung heraus gefördert werden kann. Das Unterbrechen des Applikationsvorgang es erfolgt vorzugsweise dann, wenn sich der Drop-on-Demand Applikationskopf in einer Park- oder Reinigungsposition befindet oder dort zu diesem Zweck hinbewegt wurde und vorzugsweise außerhalb des Applikationsbereiches, wo die Flüssigkeit in ein Abfall-Reservoir einer Reinigungseinheit abgegeben werden kann. Alternativ kann das Abfall-Reservoir mit dem Drop-on-Demand Applikationskopf mitgeführt werden und zur Durchführung eines Spülvorganges vor die Auslässe 5 positioniert werden, um durch die Auslässe 5 hindurch gespültes Konglomerat aufzufangen.

Unterstützend bei der Ablösung des Konglomerates von den Innenstrukturen des Ventils (Kammer 4a, Membrane 9) wirkt hier zusätzlich die Bewegung der Membrane 9 oder sich mit dieser mit bewegender Schließ- oder Dichtelemente 13 beim mechanischen Schlagen auf die Dichtfläche 16 des Ventilsitzes.

Wie beschrieben ist bei Unterbrechen oder Abschließen eines Applikationsvorganges spätestens nach der Zeit T_krit ein Spülvorgang durchzuführen und anschließend die Druckbeaufschlagung wegzunehmen oder es ist spätestens nach der Zeit T_krit die Druckbeaufschlagung wegzunehmen und der nächste Applikationsvorgang durch Einschalten der Druckbeaufschlagung und Durchführen eines Spülvorganges zu starten.

Die erfindungsgemäße Freistrahleinrichtung dient der kontaktlosen Abgabe von Tropfen oder Strahlen von Flüssigkeiten, die eine Viskosität von 1mPas bis 2 Pas mit Newtonschem, strukturviskosem oder thixotropen Verhalten. Vornehmlich werden Flüssigkeitstropfen der Volumina von 0,5 Nanoliter bis 5 Milliliter mit einer Frequenz von 1 Hz bis 10.000 Hz bei Ventil-Öffnungszeiten zwischen 0,05 ms und 5 ms, Flüssigkeitsdrücken von 0,5 bar bis 25 bar durch Flüssigkeits-Abgabeöffnungen (5) mit einem Querschnitt von 0,1 mm bis 5 mm abgegeben.

Die Freistrahleinrichtung ist für eine breite Vielfalt von Flüssigkeiten und Anwendungen geeignet. Beispiele für Flüssigkeiten sind Dispersionsfarben und - lacke, Lösungsmittellacke, UV-Lacke, Glasuren, Klebstoffe, Schmierstoffe, Dichtstoffe sowie jede Art von funktionellen Materialien. Erwähnt werden soll auch die Verwendbarkeit der erfindungsgemäßen Freistrahleinrichtung im Bereich der generativen Fertigung. Hier betrachtete Flüssigkeiten können Partikel enthalten bis zu einer mittleren Durchschnittsgröße von 0,1 mm. Weiterhin sollen Baumaterialien wie Gipse oder Zemente als Flüssigkeiten einbezogen werden.

  • 1a bis 1d illustrieren eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Freistrahleinrichtung: In 1a mit einem Ventil in der geschlossenen Position und 1b dasselbe in geöffneter Position. 1d zeigt die Freistrahleinrichtung in der Ansicht von oben und Fig. Dieselbe in einer Schnitt-Ansicht A - A von rechts.
  • Die 2a bis 2d illustrieren weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Freistrahleinrichtung nach 1a bis 1d. Dabei ist jeweils links und in der Mitte das Ventil eine Schnittdarstellung von rechts dargestellt und jeweils rechts in der Ansicht von oben. Jeweils links ist das Ventil in geöffneter Stellung, in der Mitte in geschlossener Stellung dargestellt.
  • Die 3a und 3b illustrieren eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Freistrahleinrichtung nach Fig. 1a bis 1d, jedoch mit länglich ausgebildeter Abtrennung 17.
  • 4 und 5 illustrieren erfinderische Varianten für die Ausführung von Ventileinheiten von Freistrahleinrichtungen, welche eine Ventil-Bohrung und zusätzliche Schließelemente zwischen einer Membran und Ventilbohrung enthalten.
  • 6 und 7 illustrieren erfinderische Varianten für die Ausführung von Ventileinheiten von Freistrahleinrichtungen, welche eine Ventil-Bohrung und Ausformungen der Membran 9 enthalten, die als Schließelemente dienen in funktioneller Korrespondenz mit einer Ventilbohrung. In 8 dient eine Membran von besonderer funktioneller Ausprägung selbst als Schließelement für eine Ventilbohrung.

Eine Freistrahleinrichtung gemäß den 1a bis 3b enthält eine erste Platte 1 mit einer Flüssigkeitszuführeinheit 3, einer ersten Kammer 4a, die mit der Flüssigkeitszuführeinheit 3 verbunden ist, eine Flüssigkeitsablasseinheit 5, eine zweite Kammer 4b seitlich neben der ersten Kammer 4a, die mit der Flüssigkeitsablasseinheit 5 verbunden ist und eine zwischen den Kammern ausgebildete Abtrennung 17, deren Oberseite als Dichtfläche 16 ausgebildet ist. Sie enthält weiterhin eine zweite Platte 2 gegenüber der ersten Platte 1, die eine Druckmittel-Zufuhr 6 im Bereich gegenüber der ersten 4a oder zweiten Kammer 4b einschließt. Dabei wird als Bereich der ersten 4a oder zweiten Kammer 4b der Bereich verstanden, der sich in der Ansicht von oben im Wesentlichen innerhalb der Konturen der beiden Kammern einschließlich der Abtrennung 17 befindet. Die Druckmittel-Zufuhr 6 kann dabei senkrecht oder parallel zur Ebene der zweiten Platte 2 verlaufen. Weiterhin kann die zweite Platte 2 dritte Kammer 7 enthalten, die zur ersten Platte 1 hingerichtet ist, mit der Druckmittelzufuhr 6 verbunden und sich lateral im Bereich der ersten Kammer 4a und zweiten Kammer 4b befindet.

Weiterhin befindet sich eine flexible Membran 9 zwischen der ersten und zweiten Platte, die die erste Kammer 4a und zweite Kammer 4b bedeckt und im Bereich der Abtrennung 17 beweglich ist. Die Membran 9 ist konfiguriert, eine Ventilfunktion in Wechselwirkung mit der Dichtfläche 16 auf dem Steg 17 auszuführen. Diese Ventilfunktion beinhaltet eine geschlossene Ventilstellung, bei der die Membran 9 mit der Dichtfläche 16 in Kontakt ist und auf diese Weise die Kammern 4a und 4b fluidisch getrennt sind und eine geöffnete Ventilstellung, bei der die Membran 9 nicht mit der Dichtfläche 16 in Kontakt ist und sich zwischen Membran 9 und Dichtfläche 16 ein Ventilspalt 19 auftut. Die Dichtfläche 16 kann von konstanter oder variabler Breite sein. Der Ventilspalt 19 des geöffneten Ventils, siehe Fig. 2a, hat bei erfindungsgemäßen Freistrahl-Einrichtungen nach 1 bis 3 eine nicht-konstante Spalthöhe und mündet an seinen Seiten in der Ebene der Membran-Einspannung 20, siehe Fig. 1a, wo er die Höhe 0 hat. Auch die Dichtfläche 16 mündet an ihren seitlichen Enden in die Ebene der Membran-Einspannung 20 ein, siehe 1, bzw. fällt mit dieser zusammen, sodass im geschlossenen Zustand eine Abdichtung bis an den Rand der Dichtfläche 16 mittels Membran 9 erfolgt.

Als eine Membran 9 wird eine Flüssigkeits-undurchlässige dünne elastische Folie verstanden, welche die beidseitig anliegenden Fluide oder Medien voneinander trennt und besteht vorzugsweise aus einem Elastomer. Beispiele sind Naturkautschuk oder Synthesekautschuk wie SBR (Styrol-Butadien-Kautschuk), IIR (Butylkautschuk), EPDM (Äthylen-Propylen-Dien-Kautschuk)/ EPM (Athylen-Propylen-Kautschuk), CR (Chloroprenkautschuk), CSM (Chlorsulfonyl-Polyäthylen-Kautschuk), NBR (Acrylnitril-Butadien-Kautschuk), HNBR (Hydrierter Nitrilkautschuk), PUR (Polyurethan), SI/MVQ (Silikonkautschuk), FVMQ (Fluor-Silikon-Kautschuk), FPM/FKM (Fluor-Kautschuk), weiterhin TPE (thermoplastische Elastomere), in denen elastische Polymerketten in thermoplastisches Material eingebunden sind, wie z.B. Copolyester, Polyether-Block-Amide, TPU, TPO/TPV, Styrol-Block-Colpolymere und weitere. Neben Elastomeren kommen als Membran-Material auch Hochleistungskunststoffe wir PI (Polyimid) oder PTFE (Teflon), PFE, FPA oder PEEK in dünnen Dicken in Frage und dünne Metallfolien, weiterhin Komposite/Laminate aus mehreren Materialien mit/ohne Faserverstärkung.

Typische Abmessungen für eine Membran 9 sind Durchmesser von 0,5mm bis 1,5mm, wenn es sich um eine Freistrahleinrichtung mit einem Mikroventil handelt, 1,5 mm bis 5 mm, wenn es sich um eine Freistrahleinrichtung mit einem Miniaturventil handelt. Es sind auch größere Abmessungen möglich, Anwendungen sind dann beispielsweise die generische Fertigung und Verwendung von Baumaterialien. Die Abmessungen der übrigen Komponenten werden durch die Membrangröße bestimmt.

Zum Betrieb der erfindungsgemäßen Freistrahleinrichtung nach 1 bis 3 werden folgende Schritte durchgeführt: Die Beaufschlagung der Membran 9 mit einem Steuerdruck, sodass die Membran 9 auf die Dichtfläche 16 in ihre Ausgangsposition gedrückt wird. Sodann die Beaufschlagung der Flüssigkeit in der Flüssigkeitszufuhreinheit 3 mit einem Flüssigkeitsdruck, der höher als der Umgebungsdruck ist. Sodann die Reduzierung des Druckes in der Druckmittel-Zufuhr 6, beispielsweise durch einen Entlüftungsvorgang. Dabei hebt der Flüssigkeitsdruck die Membran 9 von der Dichtfläche 16 der Abtrennung 17 und es öffnet sich ein Ventilspalt 19. Angetrieben durch den Flüssigkeitsdruck strömt Flüssigkeit von der Kammer 4a in die Kammer 4b und hinaus durch die Flüssigkeits-Abgabeöffnung 5. Zum Ende der Öffnungszeit, welche je nach Aufgabe zwischen 0,05ms und 5ms liegt (auch höhere Werte bei quasikontinuierlichem Strahl), wird der Druck in der Druckmittel-Zufuhr 6 erneut aufgebaut, sodass sich die Membran 9 an die Dichtfläche 16 anlegt.

Somit enthält Verfahren zur Abgabe von Tropfen einer Flüssigkeit die folgenden Schritte: Das Bereitstellen einer Freistrahleinrichtung mit einem erfindungsgemäßen Ventil. Das Durchführen eines Druckaufbaus im Druckmittel und die Beaufschlagung der Flüssigkeit mit Druck und Zuführen der Flüssigkeit zur Flüssigkeitszufuhreinheit 3. Dabei werden die Drücke so gewählt, dass in einem Ausgangszustand die Differenz der Druckkräfte auf der ersten Seite der Membran, die dem Druckmittel zugewandt ist und der Druckkräfte auf der zweiten Seite der Membran, die der ersten Kammer 4a und zweiten Kammer 4b zugewandt ist, eine Kraft ergeben, die die Membran 9 insgesamt auf die Dichtfläche 16 presst, sodass das Ventil geschlossen ist. Sodann werden die folgenden Schritte wiederholt: Das Durchführen eines zeitlich begrenzten Druckabbaus im Druckmittel zum Öffnen des Ventils, wobei der Flüssigkeitsdruck die Membran von der Dichtfläche wegbewegt und ein Flüssigkeitsstrom sich über die Dichtfläche hinweg ausbildet und Flüssigkeit durch die zweite Kammer und Flüssigkeitsablasseinheit hindurch abgegeben wird, dann das Durchführen eines Druckaufbaus im Druckmittel, sodass die Membran 9 an die Dichtfläche 16 angelegt wird und die Flüssigkeitsverbindung zwischen der ersten und zweiten Kammer unterbricht. Nach dem Beenden dieser wiederholt auszuführenden Schritte folgt das Beenden der Druckbeaufschlagung in der Flüssigkeit und optional das Beenden der Druck-Beaufschlagung des für das Druckmittel.

Unterschiedliche Ausführungsformen sind in den 1 bis 3 illustriert und werden im Folgenden beschrieben:

In 1a bis 1d ist eine Ausführungsform dargestellt, in der die Membran 9 eine runde Form aufweist. Der Rand der Membran-Einspannung begrenzt den frei beweglichen Teil der Membran und ist ebenfalls rund. Die Dritte Kammer 7 hat beispielsweise die Form eines Kugelsegmentes und ist so dimensioniert, dass die Membran 9 im geöffneten Zustand des Ventils möglichst an der Innenfläche der Dritten Kammer 7 anliegt. Auf diese Weise kann einer Überdehnung der Membran durch den Flüssigkeitsdruck im Zustand des geöffneten Ventils entgegengewirkt werden.

Eine Flüssigkeits-Ablasseinheit 5 besteht dabei aus einer oder mehreren Düsen. Wie in der Schnitt-Ansicht in 1c erkennbar ist, hat die Dichtfläche 16 der Abtrennung 17 ebenfalls eine runde Form und mündet seitlich auf dem Niveau der Membran-Einspannung. Diese abgebildeten runden Formen gewährleisten eine hohe Spaltweite im Zustand des geöffneten Ventils bei geringer Belastung der Membran 9. In diesem Beispiel ist die Dichtfläche 16 zur Membran 9 hin nach unten, also konkav ausgebildet.

Die in 2a skizzierte Ausführungsform verfügt über eine längliche Form der ersten Kammer 4a. Somit unterscheiden sich die Flächenanteile der Membran 9, die sich im Bereich der ersten und zweiten Kammer befinden. Ebenso ist eine Anordnung bestehend aus zwei erfindungsgemäßen Freistrahl-Einrichtungen skizziert stellvertretend für einen Drop-on-Demand Applikationskopf basierend auf einer Vielzahl von diesen. Ein weiterer Unterschied der Ausführungsformen der 2a bis 2d ist, ist dass die Abtrennungen 17 zwischen erster und zweiter Kammer nicht aus dem Material der ersten Platte herausgearbeitet sind wie im Falle des Ausführungsbeispiels von Fig. 1a bis 1d, sondern dass die Abtrennungen 17 als Einsatzteil separat gefertigt sind und in Platte 1 eingepasst bzw. eingeklebt werden. Dies ist besonders bei einer linearen Anordnung einer Vielzahl von Freistrahleinrichtungen fertigungstechnisch günstig. Die Flüssigkeits-Ablasseinheiten 5 befinden sich am Boden der Kammer 4b und münden in die Umgebung. Jeweils rechts in der 2a bis 2d befinden sich die Flüssigkeitszufuhreinheiten 3, die im Falle eines Drop-on-Demand Applikationskopfes mehr als eine Freistrahleinrichtung gleichzeitig mit Flüssigkeit versorgen.

Die Ausführungsform in 2b unterscheidet sich von der in 2a darin, dass die Dritte Kammer 7 zum Einen senkrechte Wände aufweist und zum Anderen, dass die laterale Ausdehnung der Dritten Kammer 7 kleiner ist als die der korrespondierenden ersten und zweiten Kammer 4a und 4b. Wesentlich ist, dass auch der Rand der Membran-Einspannung lateral bis an die Stelle der senkrechten Wände in der Dritten Kammer 7 heranreicht.

In 2c ist die Dichtfläche 16 plan geformt und in 2d ist die Dritte Kammer 7 plan ausgeführt bzw. nicht existent.

In 3a und 3b ist eine Ausführungsform dargestellt, die nahegelegt wird, wenn ein minimaler Kanalabstand gewünscht wird oder ein besonders hoher Flüssigkeitsdurchsatz mit Tropfengrößen im Mikroliter-Bereich. So verfügt ein Drop-on-Demand Applikationskopf mehrere erfindungsgemäße Freistrahleinheiten, die im Abstand von 0,5mm bis 2 mm angeordnet sind. Die erfindungsgemäßen Ausführungsformen verfügen über eine in einer Richtung länglich ausgeführte Membrane und einer länglich ausgebildeten Abtrennung 17 mit Dichtfläche 16. Die Kammern 4a und 4b sind schmal und länglich ausgebildet, sodass die Membran 9 in Ihrer Mitte im Wesentlichen eine eindimensional gekrümmte Form annimmt. Der sich im Zustand des geöffneten Ventils ausbildende Ventilspalt ist ebenfalls länglich und weis eine große Öffnungsfläche auf. Dadurch bleibt die Strömungs-Restriktion im Ventilspalt klein, was den Ausstoß großer Tropfen-Volumina bei kleinstem Platzbedarf entgegen kommt. Das Seitenverhältnis a zu b der Membran 9 kann beispielsweise 1 zu 1,5 bis 1 zu 5 betragen, dabei wird beispielsweise bei dem Maß a von 0,5 mm bis 1,5 mm ausgegangen, wenn es sich um eine Freistrahleinrichtung mit einem Mikroventil handelt, und von 1,5 mm bis 5 mm, wenn es sich um eine Freistrahleinrichtung mit einem Miniaturventil handelt. Neben der dargestellten annähernd rechteckigen Form sind besonders auch ovale Formen, bezogen auf den Rand der Membran-Einspannung 21 günstig. In diesem Fall bedeutet a zu b das Verhältnis aus der Nebenachse zur Hauptachse.

In 4 ist eine weitere Ausführungsform zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe skizziert. Im Falle von Flüssigen mit abrasiven Partikeln, oder wenn besonders hohe Standzeiten erreicht werden sollen, dann ist es anzustreben, dass an der Stelle eines Ventilsitzes oder einer Dichtfläche 16 die Beanspruchung der Membran durch hochresistente Schließ-Elemente 13 reduziert wird und damit die Lebensdauer vergrößert wird. In der Ausführungsform nach 4 befindet sich zwischen Membran 9 und einer runden Öffnung 15 der ersten Kammer 4a als zusätzliches Schließelement eine Kugel 13. Diese ist lose gelagert und kann sich drehen, wodurch über lange Zeit hinweg eine gleichmäßige geringe Abnutzung erreicht wird. Die Kugel 13 wird lose in Position gehalten durch eine zusätzliche Struktur, die als Kugelkäfig 18 fungiert. Die Dichtfläche 16 befindet sich in einer Ventilplatte 14, die die Abtrennung 17 zwischen erster 4a und zweiter 4b Kammer darstellt und deren Oberfläche auf der Seite der zweiten Kammer 4B parallel zur Membran 9 ausgerichtet ist. Dichtfläche 16 kann beispielsweise als umlaufende Phase in der Öffnung 15 ausgeführt sein.

Somit wird die erfindungsgemäße Aufgabe weiterhin gelöst durch Freistrahl-Einrichtungen, die zwischen Membran 9 und einer Ventilöffnung 16 ein bewegliches Dichtelement 13 aufweisen, das in Wechselwirkung mit einer Dichtfläche 16 an der Ventilöffnung 15 eine Ventil-Funktion etabliert und das durch die Membran 9 aktuiert wird. Durch Anwendung der erfinderischen Lehre kann eine Reduktion der Abmessungen des Ventils um mindestens 2/3 der Ausgangsgröße bei unverändertem Durchfluss erreicht werden, ohne dass Membranen geringerer Dicke verwendet werden müssen.

In der dargestellten Ausführung ist die Membran mit einem Abstand zu der Ventilöffnung hin angebracht und es befindet sich ein Schließ-Element 15 dazwischen, welches auf einer Seite die Ventilöffnung 15 verschließt und auf der anderen Seite mit der Membran 9 in Kontakt steht. Das Schließ-Element 15 kann mit der Membran 9 fest verbunden oder in die Membran 9 teilweise eingefasst sein, wie in 5 beispielhaft dargestellt. Das Schließ-Element 15 kann außer der dargestellten Kugel auch ein Zylinder, ein Kegel, ein Torus oder von beliebiger Form sein und aus Materialen wie Stahl (rostfrei), Glas, Keramik (Silicium-Nitrid, Silicium-Karbid, Al2O3 usw.), Kunststoffen (PEEK, POM, PI, PMMA, PC, PTFE, usw.), oder aus Elastomeren mit vorzugsweise großer Shore- Härte sein. Grundsätzlich sollte das Verschluss-Element möglichst leicht sein und kann auch als Hohlkörper ausgebildet sein, wie z.B. Hohlkugeln.

In 5 ist weiterhin angedeutet, dass Membran 9 nicht als eine durchgehende flache Membran 9 wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen ausgeführt ist, sondern hergestellt ist und einen umlaufenden Klemmbereich 23 enthält, mit dem die Membran 9 zwischen zwei Gehäuseplatten eingeklemmt wird. Der Klemmbereich 23 dient weiterhin der lateralen Justierung und Ausrichtung der Form-Membran 9 in Relation zur Öffnung 15.

Das Ausführungsbeispiel in 6 stellt eine Weiterentwicklung des Ausführungsbeispiels von 5 dar, insofern, dass hier das Schließ-Element 15 und Membran 9 eine Einheit, ein integriertes Verschluss-Element 11 bilden, und aus einem Stück durch Prägeprozesse oder andere Formgebungsverfahren hergestellt werden. Dargestellt sind weiterhin Ausformungen 24 für die Justage des Membranteils 9 relativ zur Ventilöffnung 15. Ist das Verschluss-Element 15 wie 6 dargestellt eben an der Unterseite ausgeführt, so befindet sich die korrespondierende Dichtfläche 16 auf der Fläche der Ventilplatte 14 in einem schmalen Bereich von typisch 0,1-0,2 mm um die Ventilöffnung 15 herum.

Damit die Membran 9 bei möglichst kleiner Größe eine hohe Auslenkbarkeit hat, kann diese Sicken 12 in der Nähe ihrer Einspannung 10 aufweisen, siehe 7. Diese können durch Prägung, Tiefziehen oder Form-Spritzen hergestellt werden und sind vorzugsweise ringförmig konzentrisch um die Achse der Ventilöffnung herum ausgeformt. Dargestellt ist auch eine durchgängige Prägung einer Membran konstanter Dicke.

Anstelle die Membran 9 mit Sicken 12 auszustatten, um eine hohe Auslenkung zu erzielen, kann die Verwendung einer stark elastischen Membran 9 oder einer Polymer- oder Elastomer-Membrane 9, die in einer Richtung in Richtung der Dichtfläche 16 ausgebeult ist, auch zielführend sein, um eine Ventilwirkung in Korrespondenz mit Ventilplatte 14, Dichtfläche 16 und Ventilöffnung 15 darzustellen. Dieser Fall ist in 8 erläuternd dargestellt. Eine entsprechende Membran 9 kann dabei auch eine bi-stabile Arbeitsweise aufweisen, deren erster stabiler Zustand dadurch gekennzeichnet ist, dass die Membran 9 in Form einer zur Ventilöffnung 15 hin-gerichteten Beule diese verschließt, siehe 8, links, und deren zweiter stabiler Zustand dadurch gekennzeichnet ist, dass sich die Membran 9 in Form einer von der Ventilöffnung 15 weg-gerichteten Beule einen besonders breiten Ventilspalt 19 auftut, siehe 8, rechts.

Es sei angemerkt, dass erfindungsgemäße Freistrahleinrichtungen auch aus Kombinationen der beschriebenen und in den Figuren skizzierten Ausführungsformen bestehen können. So würde eine Kombination einer Freistrahleinrichtung nach 4, welche ein bewegliches, ins besondere freibewegliches Schließ-Element 13, insbesondere als Kugel ausgeführt ist, mit einer Membran 9 mit integriertem Verschluss-Element 11, wie in 6 dargestellt ist, kombiniert werden können. In diesem Falle hätte das integrierte Verschluss-Element 11 die Funktion einer Verstärkung der Membran 9 im Bereich der Kontaktstelle zur Kugel 13, welche eine verbesserte Kraftkonzentration auf das frei bewegliche Schließelement 13 bewirken würde.

In allen Freistrahl- Einrichtungen kann prinzipiell die Strömungsrichtung und die Rollen von Flüssigkeits-Zuführeinheit 3 und Flüssigkeitsablasseinheit 5 vertauscht sein. Eine Flüssigkeits-Ablasseinheit 5 kann prinzipiell aus mehreren Düsen oder Öffnungen bestehen. Ein Drop-on-Demand Applikationskopf aus erfindungsgemäßen Freistrahl- Einrichtungen kann so eine Vielzahl von Düsen und Öffnungen in einer Matrixanordnung aus mindestens einer Reihe bestehen.

Erfindungsgemäß kann weiterhin in den Ausführungsformen gem. 4 bis 8 zwischen der Ebene der Einspannung der Membran 10 und der Dichtfläche 16 am Ende des Ventilöffnung 15 eine Distanz D bestehen, sodass mittels des Steuerdrucks erst die Membran um die Distanz D ausgelenkt werden muss, um die Ventilöffnung 15 zu verschließen.

Weiterhin können sich die Flüssigkeits-Ablasseinheit 5 und FlüssigkeitsZufuhreinheit 3 innerhalb eines gemeinsamen Bauteils, beispielsweise in der ersten Platte 1 befinden.

Zum Betrieb der erfindungsgemäßen Freistrahleinrichtung werden folgende Schritte durchgeführt: Die Beaufschlagung der Membran 9 mit einem Steuerdruck aus der Druckmittel-Zufuhr 6, sodass die Membran 9 auf die Ventilöffnung 15 am Ende der Flüssigkeits-Zuführeinheit 3 in ihre Ausgangsposition gedrückt wird, dann die Beaufschlagung der Flüssigkeit mit einem Flüssigkeitsdruck in der Flüssigkeitszuführeinheit 3, dann die Reduzierung des Steuerdruckes durch Belüften der Druckmittel- Zufuhr, sodass die Membran 9 durch den Flüssigkeitsdruck an der Stelle der Membran 9 ausgelenkt wird und von der Ventilöffnung 15, insbesondere der Dichtfläche 16 am Ende der Ventilöffnung 15 abhebt und so eine Flüssigkeitspassage, den Ventilspalt, freigibt, durch die Flüssigkeit unter Druck fliest und durch die Flüssigkeitsablasseinrichtung 5 ausgestoßen wird, dann die Erhöhung des Steuerdrucks in der Druckmittelzufuhr, sodass die Membran 9 wieder in ihre Ausgangsposition bewegt wird, dabei angrenzende Flüssigkeit verdrängt, sodass es zu einem Flüssigkeits-Ausstoß durch die Flüssigkeitsablasseinrichtung 5 kommt.

Weiterhin kann der Steuerdruck für das Verschließen der Ventilöffnung 15 höchstens um 0,3 bar vom Flüssigkeitsdruck abweichen. Es wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Freistrahleinrichtung so betrieben wird, dass bei einem Durchmesser der Flüssigkeitsablasseinrichtungen 5 von 0,1 mm bis 0.6 mm die Austrittgeschwindigkeit der Flüssigkeit 3 m/s bis 12 m/s beträgt.

Weiterhin wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Freistrahleinrichtung so betrieben wird, dass bei einem Durchmesser der Flüssigkeitsablasseinrichtungen 5 von 0,5 mm bis 6 mm die Austrittgeschwindigkeit der Flüssigkeit 0,5 m/s bis 6 m/s beträgt.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • US 8556373 B2 [0003]
  • DE 102014013158 [0003]