Nadelventilanordnung

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Nadelventilanordnung zur Steuerung des Flusses fließfähiger Medien gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere handelt es sich um Ventile für flüssiges Beschichtungsmaterial in einer Anlage zur serienweisen Beschichtung von Werkstücken wie beispielsweise Fahrzeugkarossen und deren Teilen, doch ist die Erfindung darauf nicht beschränkt.

Ventilanordnungen der betrachteten Gattung sind u.a. für

Flüssiglack bekannt, etwa als Farbventil für die üblichen mo- dularen Farbwechselblöcke (EP 0 979 964 Bl) oder als Funktionsventil beispielsweise für eine Dosierflüssigkeit (EP 1 250 964 Bl), wobei je nach Konstruktion die Ventilnadel entweder in der zurückgezogenen Position oder in der ausgefahrenen Position an dem Ventilsitz anliegen und dadurch das Ventil schließen kann.

In derartigen Ventilanordnungen sind Dichtungen erforderlich, die den unter dem Druck des gesteuerten Mediums stehenden Bereich der Zuführ- und Ableitungskanäle des Mediums gegen den in der Regel drucklosen Raum auf der anderen Seite der Dichtung abdichten. Zu diesem Zweck sind üblicherweise Dichtungselemente vorgesehen, die mit einer ringförmigen Dichtkante an der Ventilnadel anliegen und bei der Hubbewegung der Nadel das an ihr haftende Lackmaterial oder sonstige Medium abstreifen. Die zur Dichtung auch bei Stillstand der Ventilnadel erforderliche Anpresskraft wird beispielsweise mit Federn oder anderen elastischen Elementen oder durch zweckmäßige

Formgebung der Dichtung (ggf. mit Memory-Effekt) erzielt. Bei diesen bekannten Dichtungen besteht das Problem, dass z.B. in einem Lackmaterial enthaltene Festkörper oder Lackablagerungen an der Ventilnadel usw. zu Beschädigungen der Dichtkante führen können. Auch können bestimmte in dieser Hinsicht kritische Lackmedien wie beispielsweise die Härterkomponente von 2K-Lacken (wie Isocyanat) durch die Hubbewegung der Ventilnadel unter die Dichtkante gezogen werden und dann durch eine chemische Reaktion mit Feuchtigkeit aushärten, was ebenfalls zu Funktionsstörungen des Ventils führt. Neben unerwünschten Druckverlusten des gesteuerten Mediums und dem möglichen Eindringen des Mediums in den Nadelantrieb ist eine typische Funktionsstörung des Ventils ein Festkleben der Ventilnadel in der Dichtung.

Ausgehend von dem obengenannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Ventilanordnungen zu vermeiden und die Zuverlässigkeit der Ventilfunktion auch über längere Betriebszeiten zu verbes- sern.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Ventilanordnung gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die oben beschriebenen Probleme der bekannten Ventilanordnungen vermieden werden, wenn deren Nadeldichtung durch ein an der Nadel befestigtes Dichtungselement ersetzt wird, so dass nicht mehr eine axiale Hubbewegung der Nadel in der Dichtung stattfindet, sondern die Dichtung mit der Nadel mitbewegt wird. Infolgedessen kann das durch das Ventil gesteuerte Medium nicht mehr zwischen die Nadel und die Dichtung gelangen. Somit kann die Dichtung nicht mehr durch feste Partikel beispielsweise

von Effektlacken od. dgl . oder durch Lackablagerungen auf der Nadel beschädigt werden oder das Ventil durch Festkleben der Nadel in der Dichtung funktionsunfähig werden. Da die Medienseite der Dichtung und der auf ihrer anderen Seite befindli- che, in typischen Fällen drucklose Bereich ständig hermetisch voneinander getrennt sind, kann die Ventilfunktion auch nicht mehr durch eine Druckleckage beeinträchtigt werden.

Am sichersten werden diese Vorteile erreicht, wenn das fle- xible Dichtelement integral oder permanent beispielsweise durch Sintern oder Vulkanisation mit der Ventilnadel verbunden ist. Stattdessen kann es aber auch zweckmäßig sein, das Dichtungselement lösbar und somit auswechselbar zwischen zwei Teilen der Ventilnadel zu montieren.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform ist das Dichtungselement als parallel zu der Nadelachse biegbare allgemein scheibenförmige Membran ausgebildet, die wenig aufwändig, jedoch sehr zuverlässig ist und einfach mit einem zentralen Teil an der Ventilnadel befestigt werden kann, während sie an ihrem

Umfang an dem äußeren Gehäusekörper und/oder an dem Ventilgehäuse befestigt oder zwischen dem Gehäusekörper und dem Ventilgehäuse eingeklemmt oder eingespannt werden kann.

Bei einer anderen Ausführungsform ist das Dichtungselement dagegen als Balgelement ausgebildet, das relativ große Hubbewegungen der Ventilnadel ermöglicht.

Nadelventile mit fest mit der Ventilnadel verbundenen Membra- nen sind an sich schon bekannt. Die erfindungsgemäße Ventilanordnung hat dem gegenüber aber verschiedene insbesondere in Lackieranlagen wichtige Vorteile wie z.B. die Möglichkeit, dass das Ventil mit relativ geringem Luftdruck zuverlässig betätigt werden kann, u.a. weil die Membran von der bei-

spielsweise pneumatischen oder elektrischen Antriebsvorrichtung getrennt ist. Ferner ermöglicht die Erfindung einen relativ großen Nadelhub, so dass sich bei geöffnetem Ventil ein entsprechend großer freier Strömungsquerschnitt des durch das Ventil gesteuerten Mediums ergibt. Außerdem ermöglicht die erfindungsgemäße Ventilanordnung eine einfache Schaltstel- lungsanzeige und eine einfache Leckageüberwachung.

Als besonders vorteilhaft erweist sich die Erfindung bei Ver- wendung der Ventilanordnung für die Steuerung der Härterkomponente von 2K-Lacken oder für die Steuerung anderer Lackmedien für die Beschichtung von Werkstücken. Allgemeiner eignet sich die Erfindung aber für alle Ventilanordnungen, bei denen es auf eine sichere und zuverlässige Abdichtung eines von dem gesteuerten Medium durchströmten Raumes ankommt.

An den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 einen Axialschnitt durch die Ventilanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine für die Ventilanordnung gemäß Fig. 1 geeignete Ausführungsform des Dichtungselements; und

Fig. 3 ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die in Fig. 1 dargestellte Ventilanordnung besteht im Wesentlichen aus einem Nadelventil 1, dessen allgemein zylindri- sches Ventilgehäuse 2 in einen äußeren Gehäusekörper 3 geschraubt ist. In dem inneren Ventilgehäuse 2 ist axial verschiebbar die Ventilnadel 4 gelagert, die von einer automatisch steuerbaren Antriebseinrichtung mit einem pneumatischen Kolbenantrieb 5 und einer Spiralfeder 6 in ihre öffnungs- und

Schließstellungen bewegt wird. In der dargestellten ausgefahrenen Schließstellung liegt das konische Endteil 7 der Ventilnadel 4 an der den Ventilsitz bildenden Innenwand 8 eines ersten Medienleitungskanals 10 an, der durch das geschlossene Ventil von einem zweiten Medienleitungskanal 11 getrennt bzw. bei geöffnetem Ventil mit ihm verbunden werden soll, so dass das unter positivem oder in anderen Fällen negativem Druck stehende Medium aus dem einen Leitungskanal in den anderen Leitungskanal fließen kann. Die automatisch ein- und aus- schaltbare Steuerluft zum öffnen bzw. Schließen des Ventils wird durch den Steueranschluss 12 zugeführt. Durch eine Bohrung 13 kann der an die axial innere Seite des Ventilgehäuses 2 angrenzende Bereich der Ventilanordnung entlüftet werden.

Soweit sie bis hier beschrieben wurde, entspricht die dargestellte Ventilanordnung dem Stand der Technik, so dass keine weiteren Erläuterungen erforderlich sind. Während jedoch bei entsprechenden bekannten Ventilen zwischen dem an das innere Ventilgehäuse 2 angrenzenden Bereich und der an den Leitungs- kanal 10 des Ventilsitzes (8) angrenzenden Innenfläche des äußeren Gehäusekörpers 3 ein an der Ventilnadel gleitend anliegender Dichtungsring vorgesehen ist, dient stattdessen erfindungsgemäß als Dichtung eine in der Draufsicht im Wesentlichen scheibenförmige Dichtungsmembran 15 der dargestellten Form, die eine von der Ventilnadel 4 durchsetzte Zentrale

öffnung haben und am Rand dieser öffnung mit der Ventilnadel über ihren gesamten Umfang beispielsweise durch Sintern oder Vulkanisieren fest verbunden sein kann. Der sich radial an die zentrale öffnung anschließende axial gewölbte Teil 16 der Membran, dessen Scheitelpunkt axial von der Ebene (oder ggf. von axial gegeneinander versetzten Ebenen) der Zentralen öffnung und des Umfangs der Membran vorspringt, ermöglicht deren Biegung bei den Hubbewegungen der Ventilnadel und ist darstellungsgemäß in dem Innenraum 18 der Ventilanordnung ange-

ordnet, der zwischen der Unterseite des Ventilgehäuses 2 und der angrenzend an den Leitungskanal 10 quer zu der Nadelachse verlaufenden Innenfläche 19 des Gehäusekörpers 3 gebildet ist. Die axiale Höhe des Innenraums 18 ist entsprechend dem Hub der Ventilnadel zwischen ihren öffnungs- und Schließstellungen bemessen, so dass die erforderlichen Bewegungen der Dichtungsmembran 15 möglich sind. An ihrem z.B. kreisförmigen Umfang kann die Dichtungsmembran 15 zur Befestigung an dem Gehäusekörper 3 darstellungsgemäß zwischen dessen Innenfläche 19 und einem sich beispielsweise an dem Ventilgehäuse 2 abstützenden Haltering 20 eingespannt sein, der bei dem dargestellten Beispiel den Innenraum 18 konzentrisch zu der Nadelachse umschließt. Durch den Haltering 20 kann eine Bohrung führen, die den Innenraum 18 mit der Entlüftungsbohrung 13 verbindet. Der Haltering könnte sich auch an einer entsprechenden Stirnfläche des Gehäusekörpers abstützen und die Membran gegen eine gegenüberliegende Stirnfläche des Ventilgehäuses drücken.

Die Ventilnadel wird in die öffnungsstellung durch Beaufschlagung ihres Flanschteils 22 durch die Druckluft gedrückt, die von dem Steueranschluss 12 her auf die der Membran zugewandte Rückseite des Flanschteils 22 gelangt. Der Druckraum an der genannten Rückseite des Flanschteils 22 ist gegen den die Membran 15 enthaltenden Innenraum 18 durch das gleitend an der Ventilnadel 4 anliegende Druckdichtungselement 23 abgedichtet. Den Umfang des Flanschteils 22 umschließt das e- benfalls mit der Ventilnadel bewegbare Gleitdichtungselement 24.

Der auf die Dichtungsmembran 15 wirkende Druck des von dem ventilgesteuerten Mediums wie z.B. eines Beschichtungsmateri- als in den Leitungskanälen 10, 11 beaufschlagt die Ventilnadel 4 in öffnungsrichtung, während die Ventilnadel von der an

dem Flanschteil 22 auf dessen Vorderseite angreifenden Druckfeder 6 in die Schließstellung gedrückt wird.

Zur axialen Führung der Ventilnadel 4 in dem Ventilgehäuse 2 kann neben den erwähnten Dichtungselementen 23 und 24 auch die bei 25 dargestellte Lagerbuchse dienen, in der ein mit der Ventilnadel 4 und mit dem Steueranschluss 12 fest verbundener zylindrischer Ringkörper 26 gleitet.

Da der Druckluft-Steueranschluss 12 beim öffnen und Schließen zusammen mit der Ventilnadel 4 verschoben wird, kann die axiale Stellung des Steueranschlusses 12 vorteilhaft auf einfache Weise von außen sichtbar die Schaltstellung des Ventils anzeigen .

Für die Ventilnadel 4 und für die Membran 15 können verschiedene Werkstoffe zweckmäßig sein. Die Ventilnadel kann beispielsweise aus Stahl (insbesondere VA) oder einem Titanwerkstoff oder auch aus Keramik bestehen. Insbesondere in diesen Fällen kann die Membran zweckmäßig aus einem Elastomerkunststoff wie EPDM, FKM und FFKM oder aus einem Thermoplast wie PEE-UHMW, PTFE oder Moldflon (einem spritzfähigen PTFE) bestehen. Die Membran kann aber auch aus Metall bestehen, beispielsweise aus VA im Fall einer VA-Nadel. Auch Kombinati- onen aus verschiedenen Kunststoffen oder aus einem Kunststoff mit beispielsweise textilen Verstärkungen sind für die Membran verwendbar.

Das konische Endteil 7 der Ventilnadel 4 besteht zweckmäßig aus einem anderen Werkstoff als die Ventilnadel selbst, beispielsweise aus Kunststoff wie PA, POM oder PE, und kann zweckmäßig in das freie Ende der Ventilnadel eingeschraubt sein .

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der eine scheibenförmige Membran 15' aus Elastomerwerkstoff durch Vulkanisation mit einer metallischen Ventilnadel 4 verbunden ist. Der Vulkanisationsverbund ist bei 28 erkennbar. Bei 29 ist die Verschraubung des konischen Endteils 7, also der vorzugsweise aus Kunststoff bestehenden Nadelspitze in der Ventilnadel 4 dargestellt.

In Fig. 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem das fest mit der Ventilnadel 4' verbundene Dichtungselement aus einem flexiblen Faltenbalg 30 besteht. Der Faltenbalg 30 hat mindestens einen, vorzugsweise aber mehrere z.B. darstellungsgemäß am radial äußeren Ende gerundete Wellenabschnitte 31, die an ihrem radial inneren Ende an der Ventilnadel anliegen können. Der Faltenbalg ist mit seiner der Nadelspitze 7' zugewandten, mit einer zentralen öffnung versehenen Endwand 32 an der Ventilnadel 4 befestigt, beispielsweise ähnlich wie die Membran des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 oder Fig. 2 oder darstellungsgemäß durch Einklemmen zwischen dem offenen Ende der Nadel 4 und der eingeschraubten Nadelspitze 7' . An seinem zu der Endwand 32 axial entgegengesetzten Ende geht der Faltenbalg 30 darstellungsgemäß in einen ihm angeformten radialen Flanschteil 34 über, der axial etwas dicker sein kann als die Wellenab- schnitte 31 und zwischen einem in den Gehäusekörper 3 eingesetzten Haltering 20 und einen bei 2 angedeuteten Teil des inneren Ventilgehäuses eingeklemmt sein kann, beispielsweise umgekehrt ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Auch der Gehäusekörper 3 ist nur schematisch ohne seine Leitungskanäle dargestellt.

Gemäß einem besonderen Merkmal kann dem Faltenbalg 30 darstellungsgemäß an der dem eigentlichen Balgteil abgewandten Seite des Flanschteils 34 eine gleitend an der Ventilnadel 4

anliegende Druckdichtung 35 angeformt sein, die den Innenraum des die Antriebseinrichtung enthaltenden inneren Ventilgehäuses gegen den auf der entgegengesetzten Seite des Balgelements herrschenden Materialdruck in dem das Balgelement ent- haltenden Raum 18' abdichtet, und deren Funktion insoweit dem Dichtungselement 23 in Fig. 1 entspricht.

Der Faltenbalg 30 kann aus Kunststoff bestehen, beispielsweise aus ähnlichen Werkstoffen wie die Membran des Ausführungs- beispiels nach Fig. 1 und Fig. 2, oder auch aus Metall. Er ermöglicht problemlos relativ große Hubbewegungen der Ventilnadel 4, in typischen Fällen beispielsweise etwa 2 mm bei einer axialen Länge des Faltenbalgs von etwa 10 mm. Bei der öffnungsbewegung der Ventilnadel bewegt sich der der Nadel- spitze 7' zugewandte Teil des Faltenbalgs mit der Nadel, während der Flanschteil 34 ortsfest ist und die Nadel in der e- benfalls ortsfesten Druckdichtung 35 gleitet. In anderer Hinsicht kann das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 dem nach Fig. 1 entsprechen.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel kann im Rahmen der Erfindung in verschiedener Hinsicht abgewandelt werden. Insbesondere könnte ein der Form und/oder Funktion der Membran 15 entsprechendes Dichtungselement auch in einer Ventilkonstruk- tion beispielsweise gemäß der eingangs erwähnten EP 0 979 964 Bl eingesetzt werden, bei der die Ventilnadel nicht in ihrer ausgefahrenen, sondern in der zurückgezogenen Position schließt. Ferner könnte statt des pneumatischen Kolbenantriebs 5 auf der den Leitungskanälen abgewandten Seite der Membran auch eine andere Antriebseinrichtung für die Ventilnadel vorgesehen sein wie z.B. ein elektromagnetischer Antrieb .