Verkleinerte Magnetventil-Baugröße bei konstanten Durchflusswerten

Miniaturisierung bringt mehr

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01.07.2011 Magnetventile haben sich in den langen Jahren ihrer Existenz langsam aber beständig weiterentwickelt und sich neue Anwendungsfelder erschlossen. Sie sind heute ein zentraler Bestandteil in der Steuerung von Fluiden in unterschiedlichen Einsatzgebieten. Jüngere Anwendungsbereiche sind besonders aufgrund von Bauraumreduzierung und hoher Leistung neben der chemischen Industrie die Lifesciences sowie die Umweltanalytik.

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Entscheider-Facts Für Anlagenbauer


  • In der chemischen Industrie geht der Trend immer mehr in Richtung Miniaturisierung. Zum Verkleinern chemischer Produktionsanlagen gewinnt die Mikroverfahrenstechnik zunehmend an Bedeutung.
  • Durch ein optimiertes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen wird bei den Magnetventilen die Wärme in Mikrokanälen schneller nach außen abgeführt, die Prozesse sind dadurch leichter beherrschbar.
  • Bei Analyse- und Laborgeräten können kleine Geräte mit geringem internen Volumen dabei helfen, Kosten zu sparen.
  • Bei den Ventilen lassen sich je nach Anforderung unterschiedliche Materialien verwenden, fluidische Schnittstellen definieren oder anwenderspezifische Montagevarianten auswählen.

Vor 17 Jahren kam das mediengetrennte Ventil Typ 0127 mit druckausgeglichener, langlebiger und gut spülbarer Wippentechnologie für den Bereich kleiner Magnetventile für Lifescience-Applikationen auf den Markt. Heute ist mit der neuen Antriebstechnologie Twinpower eine deutliche Bauraumreduzierung ohne Leistungseinbußen möglich. Die Typen 6624 und 6626 bieten in Verbindung mit der weiter optimierten Wippentechnologie hohe Durchflusswerte auf kleinem Bauraum.

Moderne Labor- und Analysegeräte werden heute in vielen unterschiedlichen Bereichen, zum Beispiel der klinischen Chemie, der Untersuchung von Lebensmitteln oder der Umweltanalytik, eingesetzt. Die Untersuchung der Probe, des sogenannten Analyts, erfolgt dabei qualitativ und/oder quantitativ. Das Ergebnis solcher Analysen, beispielsweise bei der medizinischen Blutanalyse, bildet dabei einen wesentlichen Bestandteil für das Stellen von Diagnosen. In der Umweltanalytik kommen sie beispielsweise bei der Untersuchung der Trinkwasserqualität zum Einsatz.
Flüssigkeiten spielen in vielen dieser Prozesse eine zentrale Rolle – entweder als zu untersuchende Probe oder aber in Form von Reagenzien, Spüllösungen oder Pufferlösungen, die technisch zur Durchführung der Analysen notwendig sind. Das Handhaben dieser unterschiedlichen Flüssigkeiten ist dementsprechend ein zentraler Bestandteil von Labor- und Analysegeräten. Bei der Steuerung der Flüssigkeiten führt kein Weg am Einsatz von Ventilen vorbei.
Auch in der chemischen Industrie geht der Trend heute immer mehr in Richtung Miniaturisierung. Zum Verkleinern chemischer Produktionsanlagen gewinnt die Mikroverfahrenstechnik zunehmend an Bedeutung. Dort laufen chemische Prozesse in Mikrokanälen mit Durchmessern unter 1 mm ab. Durch ein optimiertes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen wird die Wärme in Mikrokanälen schneller nach außen abgeführt, und die Prozesse sind dadurch insgesamt leichter beherrschbar. Dies gilt besonders bei stark exothermen Reaktionen, bei denen sich die Sicherheitsrisiken auf diesem Weg deutlich reduzieren lassen.

Kompakt liegt im Trend

Bei der Entwicklung neuer Analyse- und Laborgeräte geht der Trend seit einiger Zeit in Richtung Miniaturisierung. Kompakte Geräte mit geringerem Volumen benötigen nicht nur weniger Platz, sondern auch weniger Reagenzien. Angesichts der mitunter sehr hohen Preise dieser Substanzen können kleine Geräte mit geringem internen Volumen dabei helfen, Kosten zu sparen.

Darüber hinaus erschließen kompakte Geräte neue Anwendungsbereiche. Durch den geringeren Platzbedarf müssen sie nicht mehr in Großlaboren stehen, sondern können näher an den Ort der Probenentnahme und beispielsweise an eine Anlage, in den Betrieb oder auch an einen Patienten rücken. Mithilfe von mobilen Geräten lässt sich die Technik direkt am Point-of-Care (PoC) einsetzen. Das führt zu schnelleren Ergebnissen und beschleunigt die Reaktion auf ebendiese.

Hohe Anforderungen an die Ventiltechnik

An die Ventiltechnik werden in der klinischen Chemie sehr hohe Anforderungen gestellt. So sollten die Ventile in jedem Fall mediengetrennt arbeiten. Nur so lässt sich zuverlässig verhindern, dass beispielsweise Schmierstoffe das Medium verunreinigen und die Ergebnisse der Analyse verfälschen. Im Segment Lifescience oder der chemischen Industrie können darüber hinaus auch die Medien selbst aggressiv sein. Dies würde im Laufe der Zeit zu einer Beschädigung des Ventils führen.

Das in weiten Teilen der chemischen Industrie am meisten verbreitete Ventilprinzip ist die seit Langem bewährte Wippenventiltechnik. Hier sind kompakte Abmaße und Medientrennung vonnöten. Gleiches gilt für den Bereich Lifescience, der ganz ähnliche Anforderungen an die Ventiltechnik stellt. Diese Bauweise hat generell eine gute Spülbarkeit, hohe Zuverlässigkeit und Rückdruckfestigkeit sowie einen geringen Pumpeffekt durch ein konstantes Volumen im Fluidraum.
Zu den weiteren Vorteilen der Wippenventile gehören ihre Flexibilität und Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Anforderungen in der Fluidik. Die Ventile lassen sich ab Werk präzise für die Bedürfnisse einzelner Anwender optimieren. So lassen sich je nach Anforderung unterschiedliche Materialien verwenden, fluidische Schnittstellen definieren oder anwenderspezifische Montagevarianten, die sich an der spezifischen Einbausituation orientieren, auswählen. Weiterhin lässt sich auch das interne Volumen der Ventile optimieren. Mit den neuen Typen der Ventile geht der Hersteller einen Schritt weiter: Mit der dort eingesetzten Technologie greift er den Trend zur Miniaturisierung im Bereich der Labor- und Analysengeräte auf und stellt den Anwendern und OEMs in diesem Bereich Ventile zur Verfügung, die bei gleichen Leistungen bis zu 50 % kleiner sind.
Die eigens entwickelte Antriebstechnologie erhöht durch die Verwendung von zwei statt bisher nur einer Spule im Ventilantrieb die Leistungsdichte. Dadurch lässt sich die Baugröße der Ventile um bis zu 50 % reduzieren und zugleich die Energieeffizienz verbessern. Aufgrund einer integrierten Hit-and-Hold-Funktion liefert der Antrieb die nur kurzfristig benötigten hohen Anzugskräfte („Hit“) und arbeitet im Haltezustand („Hold“) mit einer Energieabsenkung von 75 %. Da sich die elektrische Leistung in diesem Konzept auf zwei Wärmequellen verteilt, verfügt das optimierte Spulendesign im Vergleich zu herkömmlichen Aktoren zusätzlich über eine geringere Wärmeentwicklung.

Fluidik und Spülbarkeit verbessert

Mit den neuen Ventiltypen verbindet der Hersteller eine zuverlässige Fluidik mit einem innovativen Aktorenprinzip. Bei gleicher Nennweite und identischem Druckbereich sind die neuen Ventile um etwa die Hälfte kleiner. Die Reduktion der Baugröße erfordert somit in der Anwendung keine Kompromisse hinsichtlich des Durchsatzes der Flüssigkeiten. Der durch die neue Antriebstechnologie um bis zu 75 % reduzierte Energieverbrauch führt zu geringerer Wärmeentwicklung und reduziert zugleich die Betriebskosten. Je nach Applikation lassen sich dadurch unter Umständen auch kleinere Netzteile verwenden, was zu einer zusätzlichen Bauraumdeduktion führen kann. Aufgrund eines verbesserten Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen reduziert sich durch die Technologie der Wärmetransfer ins Medium. Die Störgröße Temperatur, die sich negativ auf die Testergebnisse von Labor- und Analysegeräten auswirken kann, wird dadurch leicht beherrschbar.

Die Fluidik der Ventile hat der Hersteller ebenfalls optimiert und die Spülbarkeit verbessert. Die Gefahr einer Kreuzkontamination oder von Luftblasen im System, die die Dosiergenauigkeit negativ beeinflussen und zu unerwünschten Reaktionen führen können, ließ sich damit weiter reduzieren. Abgerundet wird die praxisgerechte Ausstattung der neuen Ventile durch eine weithin sichtbare Status-LED, mit deren Hilfe sich auch optisch überprüfen lässt, ob das Gerät eingeschaltet ist oder nicht.

Im System mit weiteren Ersparnissen

Im Rahmen von Systemlösungen sind die Ventile Teil einer maßgeschneiderten Lösung mit aufeinander abgestimmten Komponenten aus einer Hand. Die servicefreundlichen Komplettmodule lassen sich schnell montieren und reduzieren durch insgesamt weniger Schnittstellen das Risiko von Leckagen. Durch ihre kompakte Bauform erschließen Systemlösungen auf Basis der neuen Ventile neue Anwendungsbereiche und ermöglichen die Konstruktion insgesamt kompakterer Analyse- und Laborgeräte. Werden in einer Lösung mehrere Ventile eingesetzt, addiert sich die Platzersparnis weiter. Aufgrund von geringem internen Volumen und kurzer Kanäle zwischen den Ventilen sparen diese Systeme nicht nur Platz sondern auch teure Reagenzien. Auf diese Weise lassen sich die Betriebskosten der Geräte nachhaltig und während der gesamten Lebenszeit reduzieren.

Grußwort
Sehr geehrte Teilnehmer,

der erste Engineering Summit ist eine mehrfache Premiere: Klar fokussiert auf die Herausforderungen und Notwendigkeiten des Anlagenbaus, markiert die Konferenz den Startpunkt für einen intensiven Fach- und Erfahrungsaustausch der deutschen und europäischen Anlagenbauer. Die hochkarätigen Vorträge der namhaften Referenten bilden dabei den Rahmen und die Vorlage für die Diskussion und das Networking der Entscheider, Fach- und Führungskräfte, die sich zum 1. Engineering Summit in München angemeldet haben. Die Herausforderungen, denen sich der Anlagenbau derzeit gegenüber sieht, sind vielfältig. Sie erfordern neue Ansätze und Allianzen. Grundlage dafür ist die Kreativität der Handelnden und der Austausch von Ideen untereinander. Dafür versteht sich der Engineering Summit als Plattform. Wir wünschen allen Teilnehmern eine Vielzahl an Anregungen und Ideen und ein erfolgreiches Networking auf dem 1. Engineering Summit.
Thomas Waldmann
Armin Scheuermann
VDMA
Süddeutscher Verlag

Save the date
2. Engineering Summit im
November 2012

Aufgrund des großen Interesses der Teilnehmer und Branchen des Anlagenbaus werden VDMA und Süddeutscher Verlag bereits im November 2012 den zweiten Engineering Summit veranstalten. Veranstaltungsort wird dann das Konferenzzentrum Rosengarten in Mannheim sein. Teilnehmer können sich bereits unter www.engineering-summit.de vorregistrieren. Fragen zu Möglichkeiten des Sponsorings und der Ausstellung beantwortet Andrea Lippmann, Tel.: +49 (0) 62 21 48 92 98.

 

Heftausgabe: Juli 2011

Über den Autor

Andreas Zoost,
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