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Elektromagnetisch betätigbares 3/2-Wegeventil zur
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Steuerung eines Verbrauchers in einem Unterdruckleitungssystem, insbesondere
für Melkanlagen.
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Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch betätigbares 3/2-Wegeventil
zur Steuerung eines Verbrauchers in einem Unterdruckleitungssystem mit einem Ventilgehäuse,
in dem eine einseitig offene Ventilkammer angeordnet ist, die durch einen ersten
Ventilsitz und einen ersten Kanal mit einem Unterdruckanschluß und einer einen zweiten
Kanal mit einem Arbeitsanschluß verwunden ist und einem die offene Seite der Ventilkammer
abschließenden, mit dem Ventilgehäuse fest verbundenen Ventiloberteil, an dem ein
Magnetsystem angeordnet ist, mit einer Magnetspule, in welcher ein in einem Führungsrohr
geführter Magnetanker angeordnet ist, der einem im Oberteil der Magnetspule angeordneten,
mit einem Magnetjoch verbundenen Kopfstück gegenüberliegt und der an seinem, dem
ersten Ventilsitz zugekehrten Ende mit einem beidseitig wirkenden Ventilteller verbunden
ist, wobei gegenüber der dem ersten Ventilsitz abgewandten Seite des Ventiltellers
ein zweiter Ventilsitz angeordnet ist, durch den die Ventilkammer mit einem Rücklaufanschluü
verbunden ist.
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Derartig aufgebaute 3j2-Wegeventile sind grundsätzlich bekannt (s.
DE-PS 1 272 664 und DE-OS 28 55 902).
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Sie werden auch zur Steuerung eines Verbrauchers in Unterdruckleitungssystemen,
insbesondere bei Meikanlagen,
verwendet. Das Hauptanwendungsgebiet
liegt hierbei in der Verwendung als Pulsatorventil bei der puisweisen Ansteuerung
des Melkgeschirrs mit Unterdruck. Insbesondere bei derartigen Anwendungen sollen
die Ventile einer ganzen Anzahl von Forderungen genügen. Diese sind folgende: a)
Hohe Betriebssicherheit in staubiger und feuchter Umgebung; b) größtmöglicher Luftdurchsatz
bei möglichst geringer elektrischer Betätigungsleistung; c) möglichst kleine Umschaltzeiten;
d) geringer Verschleiß bei hoher Schalthäufigkeit in ungeölter Luft; e) Aufrechterhalten
der Funktionssicherheit auch bei stärkeren Schwankungen der Betriebsspannung (Batteriebetrieb);
f) einfache Zerlegungs- und Zusammensetzungsmöylichkeit des Ventils ohne großen
Aufwand; g) Verwendbarkeit des Ventils für Gleich- und Wechselstrom; h) Korrosionsbeständigkeit
gegenüber aggressiver Umluft.
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Bei einem Ventil, das als Pulsatorventil eingesetzt wird, ist die
Forderung nach einem großen Luftdurchsatz besonders wichtig. Es hat sich gezeigt,
daß bei Ventilen mit zu kleinen Durchsatzmengen die sogenannte "Pulskurve" des Ventils,
welche den zeitlichen Verlauf des Unterdruckes in dem über das Ventil evakuierten
Raum angibt und im wesentlichen einen rechteckigen Verlauf haben sollte, stark verschliffen
ist und erhebliche Anstiegs- und Abfallzeiten auftreten, was zur Folge hat, daß
das Verhältnis von evakuierte und belüftetem Melkzeug nicht mehr mit dem elektrisch
gesteuerten Pulstakt wheirein@@mmt. Bei den bekannten Ventilen der oben an-
gegebenen
Bauart ist der Luftdurchsatz dadurch beschränkt, daß der mit dem Außenraum verbundende
Rücklaufanschluß des Ventils, über den die Belüftung erfolgt, durch den Spalt zwischen
Magnetanker und dem äußeren Führungsrohr oder durch den Magnetanker selbst hindurchgeführt
ist. Die Spaltbreiten können aber nicht beliebig groß gemacht werden und wenn der
Magnetanker zu große Durchmesser aufweist, werden die Außenabmessungen der Ventile
unhandlich groß und das Verhältnis von elektrischer Betätigungsleistung zu Luftdurchsatz
sehr ungünstig. Andererseits ist es aber wichtig, daß der Rücklaufanschluß möglichst
den gleichen Durchtrittsquerschnitt aufweist wie die anderen Anschlüsse des Ventils,
da gerade bei der Anwendung der Ventile zur Steuerung von Verbrauchern in Unterdruckleitungssystemen
die auf tretenden Druckdifferenzen begrenzt sind.
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Die Forderung nach hoher Funktionssicherheit ist insbesondere im Anwendungsfall
bei Melkanlagen von sehr großer Hedeutung, da aus sicherheitsteschnischen Forderungen
heraus nur Pulsator-Ventile mit einer Schutzkleinspannung (12'bis 24V) zum Einsatz
kommen. Wegen der exakten Steuermöglichkeit wird vorzugsweise Gleichstrom zur Ansteuerung
verwendet. Da in den elektrische-n Zuleitungen der Ventile größere Spannungsabfälle
entstehen können, ist es besonders wichtig, daß das Ventil einen sehr großen elektrischen
Arbeitsbereich aufweist.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bestand darin, ein 3/2-Wegeventil
der eingangs erwähnten Bauart so zu verbessern, daß die oben aufgestellten Forderungen
in möglichst optimaler Weise erfüllt sind.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen
aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen
des erFindungsgemäßen 3/2-Wegeventils sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Ventil zeichnet sich durch eine außerordentliche
Einfachheit im Aufbau aus, der vom Aufbau der bekannten 3/2-Wegeventile stark abweicht,
indem der Rücklaufanschluß weder durch den Luftspalt zwischen Führungsrohr und Magnetanker,
noch durch den Magnetanker selbst hindurchgeführt ist, sondern so seitlich am Ventiloberteil
angeordnet ist, daß ein kurzer Durchtrittsraum zwischen dem Außenraum und der Vntilkammer
erreicht wird, der nicht durch bauartbedingte Eigenheiten des Magnetsystems begrenzt
ist.
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Es hat si.ch gezeigt, daß das erfindungsgemäße Ventil die oben angegebenen
Forderungen in hervorragender Weise erfüllt und insbesondere Pulskurven mit sehr
kurzen Anstiegs- und Abfallzeiten erreicht werden können. Durch die unterschiedlich
große Ausbildung der beiden Ventilsitze wird erreicht, daß die Nennweiten für den
Druckanschluß und den Arbeitsanschluß des Ventils gleich groß sind. Die aufgrund
der unterschiedlichen Durchmesser der Ventilsitze auftretenden unterschiedlichen
Öffnungs-bzw. Schließkräfte in den beiden Endstellungen des Ventiltellers werden
durch die besondere Ausgestaltung der Magnetkraftkennlinie, deren Verlauf nach bekannten
Methoden beeinflußbar ist, kompensiert.
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Die besonders vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Ventils nach den Patentansprüchen 3 bis 5 ergeben eine einfache Möglichkeit, das
Ventil auf
unterschiedliche Durchflußwerte einzustellen. Bei der
Ausführungsform nach Patentanspruch 6 ist es möglich, mehrere Ventile so nebeneinander
anzuordnen, daß der entstehende Ventilblock an eine gemeinsame Zuleitung für die
Druckanschlüsse angeschlossen werden kann.
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Es hat sich gezeigt, daß das erfindungsgemäße Ventil auch bei Temperaturzunahme
und dadurch bedingte starke Widerstandszunahme einwandfrei funktioniert.
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Im folgenden werden anhand der beigefügten Zeichnungen zwei Ausführungsbeispiele
für das erfindungsgemäße 3j2-Wegeventil näher erläutert.
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In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 einen Vertikalschnitt nach der Linie
I-I in Fig. 2 durch eine erste Ausführungsform eines mit Gleichstrom ansteuerbaren
3/2-Wegeventils; Fig. 2 einen Horizontalschnitt nach der Linie II-II in Fig. 1;
Fig. 3 einen Vertikalschnitt nach der Linie III-III in Fig. 4 durch eine weitere
mit Wechselstrom ansteuerbare Ausführungsform eines 3/2-Wegeventils; Fig. 4 einen
Horizontalschnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 3: Fig. 5 eine Magnetkraftkennlinie
für ein 3/2-Wegeventil nach Fig. 1 und 2.
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Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte 3/2-Wegeventil besitzt ein Ventilgehäuse
1 mit einem Druckanschluß P, der an eine Unterdruckleitung anschließbar ist, sowie
einem Arbeitsanschluß A, der an einen Verbraucher, bei-
spielsweise
ein Melkzeug, angeschlossen ist. Der Druckanschluß P ist über einen Kanal 4 und
der Arbeitsanschluß A über einen Kanal 5 mit einer Ventilkammer 2 verbunden, die
einseitig offen im Ventilgehäuse 1 angeordnet ist. Dabei ist das in die Ventilkammer
2 mündende Ende des Kanals 4 als Ventilsitz 3 ausgebildet.
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Auf das Ventilgehäuse 1 ist druckdicht ein Ventiloberteil 6 so aufgesetzt,
daß es die Ventilkammer 2 nach außen abschließt. Am Ventiloberteil 6 ist an der
Oberseite das Magnetsystem des Ventils angeordnet, mit einer Magnetspule 7, durch
die in Längsrichtung ein Führungsrohr 10 hindurchgeführt ist. In das Oberteil der
Magnetspule 7 ist ein Kopfstück 9 eingesetzt, das mit dem an der Außenseite der
Magnetspule 7 entlanggeführten Magnetjoch 9a verbunden ist. Das Kopfstück 9 und
das Magnetjoch 9a bestehen aus magnetisch leitendem Material.
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Im Führungsrohr 10 ist bewegbar ein Magnetanker 8 geführt, der an
seiner Oberseite einen Ansatz 8a aufweist, der mit einer an der Unterseite des Kopfstücks
9 angeordneten Ausnehmung 9b zusammenwirkt zur Erzielung eines gewünschten Verlaufes
der Magnetkraftkennlinie.
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Das untere Ende des Magnetankers 8 ist über einen Ventilschaft 11
mit einem Ventilteller 12 verbunden, der dem Ventilsitz 3 gegenüberliegt. Zwischen
dem Ventiloberteil 6 und dem Ventilgehäuse 1 ist eine Ringplatte 13 eingesetzt,
die die Ventilkammer 2 nach oben abschließt und eine mittlere Durchtrittsöffnung
aufweist, die an der der Ventilkammer 2 zugewandten Seite als zweiter Ventilsitz
14 ausgebildet ist. Durch die Öffnung des Ventilsitzes 14 ist der Ventilschaft 11
hindurchge-(t.--0 (1 ti f} i tr i 1 i i k (I(J( V .ii 1 kt 1 r 1 wahlweise den ersten-Ventilsitz
3 oder den zweiten
Ventilsitz 14 abschließt, je nach der Stellung
des Magnetankers 8.
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Der Durchmesser des zweiten Ventilsitzes 14 ist größer als der Durchmesser
des ersten Ventilsitzes 3, wobei der Durchmesserunterschied so gewählt ist, daß
unter Berücksichtigung der Dicke des Ventilschaftes 11 ein ringförmiger Durchtrittsraum
in der Öffnung des zweiten Ventilsitzes 14 entsteht, dessen Durchtrittsquerschnitt
dem Durchtrittsquerschnitt des ersten Ventilsitzes 3 entspricht.
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An der Oberseite der Ringplatte 13 sind insgesamt vier radial verlaufende
Aufsätze 15 angeordnet. Die Zwischenräume zwischen den Aufsätzen 15 stellen radial
verlaufende Strömungskanäle 16 dar. In der Außenwand des Ventiloberteils 6 sind
Durchtrittsschlitze 17 vorgesehen, die den mit dem Außenraum verbundenen Rücklaufanschluß
R des Ventils darstellen. Die Strömungskanäle 16 sind unmittelbar mit der Öffnung
des zweiten Ventilsitzes 14 verbunden und die Ringplatte 13 kann, wie aus Fig. 2
ersichtlich, so eingesetzt sein, daß die Aufsätze 15 mit Ausnehmungen 15a in Nasen
6a einrasten, die an der Innenseite des Ventiloberteils 6 angeordnet sind, und zwar
so, daß die Eintrittsöffnungen der Strömungskanäle 16 mit den Durchtrittsschlitzen
17 fluchten.
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Damit ist der Rücklaufanschluß R auf maximalen Durchfluß eingestellt.
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Die Ringplatte 13 kann aber auch so in das Ventilgehäuse 1 eingesetzt
sein, daß sich die Aufsätze 15 in der in Fig. 2 strichpunktiert eingezeichneten
Lage befinden, in der die Ausnehmungen 15a in Nasen 17a einrasten, die an der Innenseite
des Ventiloberteils 6 im Bereich der
Durchtrittsschlitze 17 angeordnet
sind.- Wie ebenfalls aus Fig. 2 abzulesen, ist in dieser Stellung der Ringplatte
13 der Durchflußquerschnitt durch den Rücklaufanschluß R gedrosselt, weil in dieser
Stellung die Aufsätze 15 einen Teil des Eintrittsquerschnittes der Durchtrittsschlitze
-17 abdecken.
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Wie Fig. 1 zu entnehmen, ist der Druckanschluß P in Richtung der Längsmittelachse
des Ventils angeordnet, während der Arbeitsanschluß A an der Seitenfläche des Ventilgehäuses
1, also unter einem Winkel von 900 zum Druckanschluß P angeordnet ist. Dieser eröffnet
die Möglichkeit, mehrere der in Fig. 1 und 2 dargestellten Ventile zu einem Block
zusammenzufassen und an eine nicht dargestellte gemeinsame Unterdruckleitung mit
den Druckanschlüssen P anzuschließen. An die dann parallelstehenden Arbeitsanschlüsse
A verschiedener Ventile können die zu den Verbrauchern führenden Zuleitungen angeschlossen
werden.
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Das Ventil ist leicht auseinandernehmbar und zusammensetzbar, da es
aus nur vier auseinandernehmbaren Teilen aufgebaut sein kann, nämlich dem Ventilgehäuse
1, dem Ventiloberteil 6, an dem das Magnetsystem fest angeordnet ist, dem Magnetanker
8, an dem der Ventilteller 3 fest angeordnet ist und der zwischen Ventiloberteil
6 und Ventilgehäuse 1 einsetzbaren Ringplatte 13. Dies hat zur Folge, daß ein Auseinandernehmen
des Ventils zu Reinigungszwecken oder zum Verstellen der Ringplatte 13 auch von
nichtfachkundigen Benutzern durchgeführt werden kann.
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In den Fig. 3 und 4 ist eine Variante der Ausführungsform eines 3/2-Wegeventils
nach Fig. 1 und 2 dargestellt, die zur Ansteuerung durch Wechselstrom besonders
geeignet ist.
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In den Fig. 3 und 4 sind alle Bauteile, die der Ausführungsform nach
Fig. 1 und 2 entsprechen, mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet und es wird bezüglich
dieser Einzelteile auf die oben gegebene Beschreibung der Ausführungsform nach Fig.
1 und 2 hingewiesen.
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Das in den Fig. 3 und 4 dargestellte Ventil weist ein in die Magnetspule
7 eingesetztes Kopfstück 9' auf, in dessen untere Fläche, die dem Magnetanker 8'
zugewandt ist, ein Kurzschlußring 18 eingesetzt ist.
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Weiterhin ist bei dieser Ausführungsform der Ventilteller 12 mit dem
Magnetanker 8' nicht durch einen durchgehenden starren Ventilschaft verbunden, sondern
der Ventilschaft weist eine durch ein Federelement überbrückte Unterbrechung auf.
Dies wird dadurch erreicht, daß an der Unterseite des Magnetankers 8' ein Zapfen
ll'a und an der Oberseite des Ventiltellers 12 ein Zapfen ll'b angeordnet sind und
auf diese beiden Zapfen die Enden einer Schraubenfeder 19 aufgeschoben sind. Durch
diese Ausbildung wird ein Flattern des Ventiltellers im Betrieb mit Wechselstrom
verhindert.
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In den übrigen Einzelmerkmalen entspricht die Ausführungsform nach
den Fig 3 und 4 der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2.
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Die Ausbildung der beiden Ventilsitze 3 und 14 mit verschiedenen Durchmessern
hat zur Folge, daß im Betrieb des. Ventils, bei dem der Druckanschluß P an eine
Unterdruckleitung angeschlossen ist, in den beiden Endstellungen des Ventiltellers
12 auf dem ersten Ventilsitz 3 bzw. dem zweiten Ventilsitz 14 aufgrund der unterschiedlichen
Dichtungsquerschnitte unterschiedliche Schlieü- bzw. Öffnungskräfte wirksam sind,
die jeweils von der wirkenden Magnetkraft zu überwinden sind. Dies hat zur Folge,
daß die Magnetkraftkennlinie des Maynetsystems einen solchen Verlauf haben muß,
daß in den beiden Endstellungen jeweils eine ausreichende Kraft zur Verfügung steht.
Andererseits soll aber die MagnetkraFtkennlinie auch einen Verlauf besitzen, der
eine besonders günstige Leistungsaufnahme garantiert. Es hat sich herausgestellt,
daß in diesem Falle eine Hagnetkaftkennlinie besonders günstig ist, die im Bereich
zwischen den beiden Endstellungen des Ventiltellers 12 einen Sattel aufweist. Eine
derartige Magnetkraftkennlinie ist in Fig. 5 dargestellt.
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In Fig. 5 ist die wirkende Magnetkraft bei einem 3/2-Wegeventil, das
gemäß Fig. 1 und 2 aufgebaut -ist, gegen den Hub des Magnetankers aufgetragen, wobei
die obere Endstellung des Ventiltellers 12- am Ventilsitz 14 mit E (evakuieren)
und die untere Endstellung am Ventilsitz 3 mit B (belüften) bezeichnet ist, der
Nennhub NH zwischen den beiden Stellungen E und B beträgt etwa 2,5 mm und, wie Fig.
5 zu entnehmen, weist die kennlinie im Bereich zwischen den beiden Stellungen E
und B einen Sattel 5 auf. Der Prüfstrom betrug, wie Fig. 5 abzulesen, 0,375 A. Die
Kennlinie wurde unter "worst case"-Bedingungen aufgenommen, d.h. bei maximaler Erwärmung
und minirilaler Speisespannung.
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Punkt ß in Fig. 5 ist der Kraft gleichzusetzen, die erforderlich ist,
um den Ventilteller 12 bzw. den laqnetanker 8 gegen ein anstehendes 60%iges Vakuurn
anzuzieneun. Nach seiner Betätigung durcheilt der Magnetanker den Nennhub NH von
2,5 mm und muß nun am zweiten Ventilsitz 14 eine größere Fläche gegen das Vakuum
- abdichten.
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Die hierfür erforderliche größere Kraft ist durch der Punkt c gegeben.
Die wirklich zur Verfügung stehende Nagnetkraft ist in beiden Punkten erheblich
größer als die notwendige Kraft. Durch den Sattel S der Magnetkraftkennlinie wird
erreicht, daß in den beiden Punkten B und E ein ausreichender Kraftüberschuß vorhanden
ist, die Differenz zwischen den in den beiden Punkten vorhandenen Magnetkräften
aber nicht allzugroß ist, wodurch eine günstige Leistungsbilanz erreicht wirt.