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Die
Erfindung betrifft ein pneumatisches Mehrwegeventil, insbesondere
für den
Einsatz in einer Sortieranlagen. In Sortieranlagen werden pneumatische
Mehrwegeventile verwendet, um aus einem Förderstrom von Stückgut einzelne
Teile gezielt durch pneumatische Druckluftbeaufschlagung aus dem
Förderstrom
herauszublasen.
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Aus
der
EP 1 643 174 A1 ist
ein direkt aktuiertes pneumatisches Ventil für eine pneumatisch betätigte Sortiervorrichtung
bekannt. Das Ventil umfaßt ein
Ventilteil, das verschiebbar innerhalb eines Strömungskanals einsitzt und einen
ersten und einen zweiten Ventilkopf mit unterschiedlichen Kopfdurchmessern
aufweist. Das Ventil ist so gestaltet, daß das Strömungsfluid in nicht-aktiviertem
Zustand des Ventils auf den ersten Ventilkopf eine differenzkraftverstärkte Rückstellkraft
ausübt.
Die Ventilköpfe
sind gegenüber
der Wandung des Strömungskanals
mittels O-Ringen abgedichtet, die in entsprechenden Ringnuten der
Ventilköpfe
einsitzen.
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Aus
der
DE 10 2006
011 580 B3 ist ein Drehschiebeorgan zur Druckluftsteuerung
bekannt, das für
einen Pneumatikzylinder zum Öffnen
und Schließen
von Luftdüsen
eingesetzt werden kann. Die schnell ansteuerbaren Luftdüsen können beispielsweise
in der Kaffeeproduktion zum Herausschießen von einzelnen fehlerhaften
Kaffeebohnen oder Fremdkörpern
aus einem fallenden Strom von Kaffeebohnen heraus eingesetzt werden.
Das Drehschiebeorgan umfaßt
einen Steuerschieber, der in einer Zylinderbohrung einsitzt und
drehend antreibbar ist. Der Ringspalt zwischen der Zylinderbohrung
und dem Steuerschieber ist so bemessen, daß der Steuerschieber nach dem
Luftlagerprinzip reibungsarm in der Zylinderbohrung drehbar ist.
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Aus
der
EP 1 698 888 A2 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Identifizieren eines aus Objekten,
beispielsweise Abfall, bestehenden Materialstroms bekannt. Die Vorrichtung
umfaßt
eine Sendevorrichtung, die elektromagnetische Strahlung emittiert,
erste und zweite Empfangsvorrichtungen, die nebeneinander an dem
Materialstrom angeordnet sind und die vom Materialstrom reflektierte
elektromagnetische Strahlung empfangen, erste und zweite Detektionsmittel,
die Daten über
den Materialstrom auswerten, sowie Beseitigungsmittel, die aus dem Materialstrom
einzelne Objekte entfernen können. Als
Beseitigungsmittel werden pneumatische Ventile beschrieben, die
bestimmte Objekte, beispielsweise Glas mit einer bestimmten Farbe,
aus dem Materialstrom durch Druckluftbeaufschlagung entfernen.
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Aus
der
DE 10 2006
034 366 A1 ist ein Wege- oder Stromventil bekannt mit einem
Eingangsanschluß und
einem Ausgangsanschluß sowie
einem Schieber, durch den eine fluidische Verbindung zwischen den
beiden Anschlüssen
steuerbar ist. Der Schieber steuert die fluidische Verbindung an
wenigstens zwei veränderlichen,
parallel durchströmbaren
und axial beabstandeten Öffnungsquerschnitten. Dabei
ist ein erster Öffnungsquerschnitt
zwischen einer ersten gehäuseseitigen
Steuerkante und einem Manteldurchbruch des Schiebers gebildet und
ein zweiter Öffnungsquerschnitt
ist zwischen einer zweiten gehäuseseitigen
Steuerkante und einer radiale Mantelbohrung des Schiebers bestimmt. Über die Öffnungsquerschnitte
wird jeweils eine Fluidverbindung zu einem gemeinsamen Ringraum
aufgesteuert, der stirnseitig von dem Druckwaagenkolben begrenzt
ist und in dem der Ausgangsanschluß mündet.
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Je
nach zu sortierendem Material, wie beispielsweise Lebensmittel,
Abfall, Rohstoffe oder Mineralien, müssen die Mehrwegeventile zur
Druckluftbeaufschlagung einzelner Objekte unterschiedliche Anforderungen
erfüllen.
So richtet sich der Abstand einzelner benachbarter Düsen sowie
der erforderliche Gasvolumenstrom bzw. der pneumatische Druck nach
der Größe und dem
Gewicht der zu sortierenden Objekte. Des weiteren ist es wichtig,
daß die
einzelnen Düsen
der Ventilanordnung und vor allem die Ventile selbst nicht verschmutzen,
um dauerhaft eine zuverlässige
Materialtrennung zu gewährleisten.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein Mehrwegeventil, insbesondere für den Einsatz in einer Sortieranlage,
vorzuschlagen, das einfach aufgebaut ist und dauerhaft eine zuverlässige Materialtrennung
gewährleistet.
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Die
Lösung
besteht in einem pneumatisches Mehrwegeventil, insbesondere für den Einsatz
in einer Sortieranlage, umfassend eine Steuerhülse mit zumindest einer ersten
Steuerbohrung für
einen ersten Fluidanschluß und
einer zweiten Steuerbohrung für
einen zweiten Fluidanschluß;
und ein Schiebeelement, das relativ zur Steuerhülse verschiebbar ist, um die
zumindest eine erste Steuerbohrung und die zumindest eine zweite
Steuerbohrung in einer Offenstellung miteinander zu verbinden oder
in einer Schließstellung
zu trennen; wobei zwischen dem Schiebeelement und der Steuerhülse ein
Ringspalt gebildet ist, so daß in
der Schließstellung
ein Spülvolumenstrom zwischen
dem ersten Fluidanschluß und dem
zweiten Fluidanschluß strömen kann.
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Der
Vorteil des erfindungsgemäßen Mehrwegeventils
besteht darin, daß durch
den Ringspalt zwischen dem Schiebelement und der Steuerhülse in der
Schließstellung
ein definierter Spülvolumenstrom erreicht
wird, welcher durch den entsprechenden Anschluß ausströmt. Dieser Spülvolumenstrom
stellt eine Art gewollter Leckage dar, mit der verhindert wird,
daß Schmutzpartikel
in eine mit dem Mehrwegeventil angeschlossene Düse eindringen, was ein Zusetzen
der Düse
oder des Mehrwegeventils zur Folge haben könnte. Durch den definierten
Spülvolumenstrom,
der auch als Leckagevolumenstrom bezeichnet werden kann, ist die
Ventilanordnung auch für
den Einsatz in einer Umgebung mit hoher Partikelkonzentration in
der Luft geeignet, wie es insbesondere bei Sortieranlagen der Fall
ist. Das Mehrwegeventil bietet aufgrund der reduzierten Gefahr von
Verschmutzung auch über
lange Zeiträume
eine zuverlässige
Funktionsfähigkeit.
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Das
pneumatische Mehrwegeventil ist vorzugsweise als 2/2-Wegeventil
gestaltet, das heißt
es kann zwei Schaltpositionen einnehmen und hat zwei Anschlüsse. Andere
Ausführungsformen
sind jedoch nicht ausgeschlossen. Vorzugsweise wird das Mehrwegeventil
mit Luft als pneumatischem Fluid betrieben, wobei grundsätzlich auch
andere Gase denkbar sind.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Schiebelement gegenüber der
Steuerhülse
unmittelbar abgedichtet, das heißt, daß keine separaten, zusätzlichen
Dichtelemente, insbesondere keine Weichdichtung zwischen der Steuerhülse und
dem Schiebelement vorgesehen sind. Die Dichtfunktion wird ausschließlich durch
den berührenden
Kontakt zwischen dem Schiebeelement und der Steuerhülse bewerkstelligt,
wobei der Ringspalt zwischen dem Steuerschieber und der Steuerhülse vorzugsweise etwa
eine Dicke von unter 2 μm
aufweist. Die so gebildete Dichtung kann auch als metallische Dichtung bezeichnet
werden. Es versteht sich, daß die
Steuerhülse
und/oder das Schiebeelement auch eine Beschichtung aufweisen können. Der
Vorteil der rein metallischen Dichtung zwischen dem Schiebeelement
und der Hülse
besteht in einem besonders niedrigen Verschleiß und einer besonders hohen
Schaltgeschwindigkeit des Ventils. Es ist jedoch prinzipiell auch
denkbar, in den Dich tungsabschnitten des Schiebeelements, die in
den Endpositionen des Schiebelements axial außerhalb der ersten und zweiten
Steuerbohrungen liegen, zusätzliche
Weichdichtungen vorzusehen. Diese könnten in Form von O-Ringen
gestaltet sein, die in entsprechenden Ringnuten des Schiebeelements
einzusetzen wären.
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Es
ist nach einer bevorzugten Ausgestaltung ein Federelement vorgesehen,
welches das Schiebelement in die Schließstellung beaufschlagt. Zum
Betätigen
des Ventils wird vorzugsweise ein elektromagnetischer Aktuator verwendet,
der von einer zentralen Steuereinheit nach Bedarf angesteuert wird
und der das Schiebeelement von der ersten Stellung in die zweite
Stellung überführt, so
daß aus
dem entsprechenden Auslaß bzw.
der damit verbundenen Düse
Druckluft ausgestoßen
wird. Die Schaltzeiten des elektromagnetischen Aktuators sind extrem
niedrig und liegen bei den derzeitigen Baugrößen insbesondere zwischen 0,5
und 3 Millisekunden. Die Rückstellbewegung
wird durch das Federelement bewerkstelligt, welche das Schiebelement
entgegen der Wirkkraft des elektromagnetischen Aktuators beaufschlagt.
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Für einen
kurzfristig großen
Volumenstrom ist es günstig,
wenn die Steuerhülse
mehrere erste und zweite Steuerbohrungen aufweist, welche über den
Umfang verteilt angeordnet sind. Die ersten Steuerbohrungen und
die zweiten Steuerbohrungen sind vorzugsweise in zwei axial benachbarten
Ebenen angeordnet. Das Schiebeelement umfaßt zwei Dichtabschnitte und
einen axial dazwischen liegenden Verbindungskanal, der in der Offenstellung
die ersten Steuerbohrungen mit den zweiten Steuerbohrungen, das
heißt
den Einlaß mit
dem Auslaß,
pneumatisch verbindet. In der Schließstellung sind die ersten und/oder
die zweiten Steuerbohrungen von dem bzw. den Dichtabschnitten des
Schiebelements verschlossen, so daß das Ventil abgesehen vom
Spülstrom
geschlossen ist. Der Verbindungskanal des Schiebelements ist vorzugsweise
in Form einer Ringnut gestaltet, deren axiale Länge zumindest dem axialen Abstand
zwischen den ersten und den zweiten Steuerbohrungen entspricht.
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Der
Ringspalt zwischen dem Schiebelement und der Steuerhülse ist
vorzugsweise derart gestaltet, daß der Spülvolumenstrom, der in der Schließstellung
ausströmt,
etwa 1% bis 10% des Nennvolumenstroms beträgt, der in der Offenstellung
ausströmt.
Innerhalb dieses Bereichs ist der Spülvolumenstrom hinreichend groß, um eine
Verschmutzung der Düse
bzw. des zugehörigen
Ventils zu verhindern. Die Dichtabschnitte des Schiebelements haben vorzugsweise
außenzylindrische
Dichtflächen,
welche dichtend in der innenzylindrischen Bohrung der Steuerhülse anliegen.
In der Schließstellung
werden die ersten bzw. zweiten Steuerbohrungen axial überdeckt
und in der Offenstellung freigegeben. Die Größe des Spülvolumenstroms wird durch den
Grad der axialen Überdeckung
in der Schließstellung
zwischen der außenzylindrischen
Dichtfläche
und den Steuerbohrungen sowie der Dicke des Ringspalts definiert.
Anstelle der zylindrischen Ausgestaltung können das Schiebelement und
die Steuerhülse
auch eine kegelige bzw. konische Form aufweisen. An der Funktionalität des erfindungsgemäßen Ventils ändert sich
dadurch nichts.
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In
der Schließstellung
liegt das axiale Ende der außenzylindrischen
Dichtfläche
des Schiebelements vorzugsweise etwa in einer Querebene, die senkrecht
auf der Längsachse
der Steuerhülse
steht und die unmittelbar an die Mündung der zumindest einen Steuerbohrung
angrenzt. Der Grad der Überdeckung
zwischen der außenzylindrischen
Dichtfläche
des Schiebeelements und der bzw. den Steuerbohrungen der Steuerhülse hängt von
der Dicke des Ringspalts ab, welcher zwischen der außenzylindrischen
Dichtfläche
und der innenzylindrischen Bohrung gebildet ist, sowie von der Baugröße des Ventils.
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Mit „etwa in
der Querebene E” ist
gemeint, daß das
axiale Ende der außenzylindrischen
Dichtfläche
den Wandungsabschnitt der innenzylindrischen Bohrung der Steuerhülse, der
unmittelbar axial benachbart zur Steuerbohrung liegt, axial überdecken
kann, was auch als positive Überdeckung
bezeichnet wird. Hier ist insbesondere günstig, wenn der Überdeckungsabschnitt
in Abhängigkeit
von der Baugröße des Ventils
etwa bis zu 4/10 mm, insbesondere 2/10 mm beträgt. Je nach Dicke des Ringspalts
ist auch eine negative Überdeckung
denkbar, das heißt,
daß das
axiale Ende der außenzylindrischen
Steuerhülse
innerhalb der Mündungen
der Steuerbohrungen liegt. Der so gebildete negative Überdeckungsabschnitt
kann dabei in Abhängigkeit von
der Baugröße des Ventils
etwa bis zu 4/10 mm, insbesondere bis zu 5/100 mm betragen. Mit
anderen Worten kann das axiale Ende der außenzylindrischen Dichtfläche – in Abhängigkeit
von der Dicke des Ringspalts und der Baugröße des Ventils – relativ
zur Querebene E innerhalb eines Bereichs von etwa –4/10 mm bis
+4/10 mm, insbesondere von –2/10 mm
bis +5/100 mm liegen, damit ein Spülvolumenstrom von 1% bis 10%
des Nennvolumenstroms erreicht wird. Dabei gilt, daß je näher das
Ende der außenzylindrischen
Dichtfläche
in der Schließstellung in
Richtung der Steuerbohrungen liegt, desto größer ist der Spülvolumenstrom,
und umgekehrt.
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Nach
einer ersten Ausführungsform
ist vorgesehen, daß die
Länge des
axialen Überdeckungsabschnitts
und damit die Größe des Spülvolumenstroms
mittels eines Distanzstücks
definiert wird, gegen welches das Schiebeelement in der Schließstellung
axial abgestützt
ist. Das Distanzstück
ist vorzugsweise in dem Gehäuse
des Mehrwegeventils aufgenommen und gegenüber diesem axial abgestützt. Zwischen
dem Distanzstück
und einer Stützfläche des
Schiebeelements können
auch Scheiben sitzen, welche die axiale Position des Schiebeelements
relativ zur Steuerhülse
in der Schließstellung definieren.
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Nach
einer zweiten Ausführungsform
ist eine Einstellvorrichtung vorgesehen, mit der die axiale Position
des Schiebeelements relativ zur Steuerhülse in der Schließstellung
variabel einstellbar ist. Dies hat den Vorteil, daß der Spülvolumenstrom
unabhängig von
Fertigungstoleranzen der Bauteile des Mehrwegeventils nach Bedarf
eingestellt werden kann. Die Einstellvorrichtung umfaßt vorzugsweise
eine Einstellschraube, gegen die das Schiebeelement in der Schließstellung
zumindest mittelbar axial abgestützt ist.
Die Einstellschraube ist in das Gehäuse bzw. einem mit dem Gehäuse verbundenen
Bauteil eingeschraubt und bildet eine Stützfläche für das Schiebeelement, das von
der Feder in Richtung Einstellschraube beaufschlagt ist. Zumindest
mittelbar axial abgestützt
bedeutet, daß zwischen
der Einstellschraube und dem Schiebeelement weitere Bauteile zur
Kraftübertragung
wirksam sein können,
beispielsweise ein Plunger des Elektromagneten und/oder ein Zwischenelement,
das mit dem Schiebelement in Anlagekontakt ist.
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Die
Lösung
der obengenannten Aufgabe besteht weiter in einer Ventilanordnung,
insbesondere für
den Einsatz in einer Sortieranlage, wobei die Ventilanordnung eine
Vielzahl von erfindungsgemäßen Mehrwegeventilen
aufweist, die unmittelbar nebeneinander angeordnet sind. Der Vorteil
der so gestalteten Ventilanordnung besteht darin, daß deren
Breite durch entsprechende Wahl der Anzahl der einzelnen Ventile
an die Breite des zu behandelnden bzw. sortierenden Materialstroms
angepaßt
werden kann, wobei insbesondere die gesamte Breite des Materialstroms
abgedeckt werden soll. Die aus mehreren Ventilen zusammengesetzten
Ventilanordnungen können
auch als Segmente bezeichnet werden. Die Mehrwegeventile eines Segments
sind nach einer der obengenannten Ausgestaltungen ausgebildet.
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Für bestimmte
Anwendungen kann es günstig
sein, wenn wiederum mehrere Segmente aneinander angeschlossen werden,
um gemeinsam eine Ventilinsel zu bilden. Der Vorteil der Segmentierung besteht
darin, daß die
Ventilinsel modular aufgebaut werden kann und die Breite an die
jeweiligen Erfordernisse des konkreten Einsatzfalles angepaßt werden
kann. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die einzelnen miteinander
verbundenen Segmente unterschiedliche Nenndrücke aufweisen können. Dies
ist insbesondere dann günstig,
wenn die Materialdichte oder das Gewicht der einzelnen Objekte des
zu sortierenden Materialstroms über
der Breite des Materialstroms unterschiedlich ist. In diesem Fall
können die
Segmente so angeordnet werden, daß die Ventile zumindest eines
der Segmente einen anderen Nenndruck aufweisen, als die Ventile
eines anderen oder aller anderen Segmente. Hiermit wird ein hohes
Maß an
Flexibilität
erreicht und die Ventilinsel kann optimal an die Anforderungen der
Sortieranlage angepaßt werden.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung ist je Segment zumindest eine separate
Leiterplatte oder sonstige elektronische Leiter vorgesehen, mit
der die Ventile zur individuellen Ansteuerung elektronisch verbunden
sind. Diese Maßnahme
unterstützt
den modularen Aufbau. Die Leiterplatte kann die elektronischen Bauelemente
für die Übererregung
des elektromagnetischen Aktuator aufnehmen. Insbesondere ist auf
der Leiterplatte ein Steuermodul vorgesehen, das auf den elektromagnetischen
Aktuator einwirkt, wobei durch Ansteuern des elektromagnetischen
Aktuators die Position des Schiebelements, und damit der Spülvolumentstrom
entsprechend eingestellt wird. Als Eingangssignal für die Steuerelektronik
wird insbesondere ein Drucksignal verwendet. Vorzugsweise ist hierfür in der
Leitung zur Düse
ein Drucksensor, der über
entsprechende Leitungen den gemessenen Druck an die Steuerelektronik
weitergibt.
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Vorzugsweise
wird die die Spannung zur Ansteuerung der elektromagnetischen Aktuatoren
pulsweitenmoduliert. Die Pulsweitenmodulation hat den Vorteil, daß die Magnetspulen
geschont werden und der Stromverbrauch gering ist. Zum Schalten
eines Ventils wird die Spannung an dem zugehörigen elektromagnetischen Aktuator
kurzfristig auf das Mehrfache der Nennspannung angehoben. Hierdurch
lassen sich extrem kurze Schaltzeiten von unter drei Millisekunden
erreichen, was sich günstig
auf die Genauigkeit der Sortierung auswirkt. Ein weiterer Vorteil besteht
darin, daß die
Bandgeschwindigkeit des zu sortierenden Stückguts erhöht werden kann. Dies gilt insbesondere
für verhältnismäßig schwere
Einzelstücke,
wie beispielsweise Mineralien oder Metalle.
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Die
Ventile jeweils eines Segments sind vorzugsweise auf einem gemeinsamen
Trägerelement angeordnet.
Die Anzahl der Ventile ist sinnvoll nach Bedarf auszuwählen, damit
beispielsweise ein normiertes Kabel verwendet werden kann. Mehrere
Trägerelement
können
dann wiederum miteinander zu einer längeren Ventilinsel zusammengeschlossen werden.
Die Aneinanderreihung mehrerer Trägerelemente ergibt dann die
insgesamt gewünschte
Anzahl von Ventilen über
der Länge.
Das Trägerelement weist
eine Hauptzuleitung auf, die jeweils mit den entsprechenden Anschlüssen der
mit dem Trägerelement
verbundenen Ventile verbunden ist. Weiterhin sind in dem Trägerelement
Entlüftungskanäle vorgesehen,
die ebenfalls mit den Ventilen pneumatisch verbunden sind und eine
Entlüftung
ermöglichen.
Zur Verbindung der einzelnen Ventile mit dem Trägerelement sind vorzugsweise
Steckverbindungen vorgesehen, mit denen die mechanische und elektrische Verbindung
realisiert wird.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungsfiguren dargestellt und werden
nachstehend beschrieben. Hierin zeigt
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1 ein
erfindungsgemäßes Mehrwegeventil
im Längsschnitt
in einer ersten Ausführungsform;
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2 das
Detail B aus 1;
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3 eine
erfindungsgemäße Ventilanordnung
mit mehreren Mehrwegeventilen gemäß 1 im Querschnitt;
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4 die
Ventilanordnung gemäß 3 in einer
perspektivischen Darstellung mit einem der Mehrwegeventile in Explosionsdarstellung;
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5 eine
Ventilinsel mit mehreren aneinander angeschlossenen Ventilanordnungen
gemäß 3 in
perspektivischer Ansicht und
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6 ein
erfindungsgemäßes Mehrwegeventil
im Längsschnitt
in einer zweiten Ausführungsform;
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Die 1 und 2 werden
im folgenden gemeinsam beschrieben. Es ist ein Mehrwegeventil 2 erkennbar,
daß mittels
eines elektromagnetischen Aktuators 3 betätigbar ist.
Das Mehrwegeventil 2 umfaßt ein Gehäuse 4, eine Steuerhülse 5,
welche in dem Gehäuse 4 zwischen
einem ersten Distanzelement 6 und einem zweiten Distanzelement 7 gehalten
ist, sowie ein Schiebelement 8, daß in der Steuerhülse 5 verschiebbar
angeordnet ist.
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Das
Gehäuse 4 hat
eine Zylinderbohrung 9, in der das erste Distanzelement 6,
die Steuerhülse 5 und
das zweite Distanzelement 7 eingesetzt sind. Dabei ist
die Steuerhülse 5 zwischen
den beiden Distanzelementen 6, 7 axial fixiert.
Das erste Distanzelement 6 ist gegen eine Schulter 11 des
Gehäuses 4 axial
abgestützt.
Das zweite Distanzelement 7 ist mittels eines Sicherungsrings 12 gegenüber dem
Gehäuse 4 axial
abgestützt.
Die Zylinderbohrung 9 ist öffnungsseitig mittels eines
Deckels 13 verschlossen, der fest mit dem Gehäuse 4 verbunden
ist und gegenüber
diesem abgedichtet ist. Zur Abdichtung ist ein O-Ring vorgesehen,
welcher in einer Ringnut 14 des Deckels 13 einsitzt.
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Im
Gehäuse 4 ist
eine erste Querbohrung 15 und eine zweite Querbohrung 16 ausgebildet,
die axial voneinander beabstandet sind und die in die Aufnahmebohrung 9 münden. Die
erste Querbohrung 15 dient zum Anschluß einer Druckleitung und die
zweite Querbohrung 16 dient zum Anschluß einer Druckabnahmeleitung,
welche mit einer Düse 17 verbindbar
ist. Die erste Querbohrung 15 mündet in einer ersten Ringnut 18 des
Gehäuses 4,
während
die zweite Querbohrung 16 in einer zweiten Ringnut 19 des
Gehäuses
mündet.
In der Steuerhülse 5 sind
in verschiedenen axialen Lagen jeweils in Zuordnung zu den Ringnuten 18, 19 jeweils
mehrer über
den Umfang verteilte erste und zweite Steuerbohrungen 21, 22 vorgesehen.
Die ersten und die zweiten Steuerbohrungen 21, 22 münden in
einer inneren Zylinderbohrung 23 der Steuerhülse 5,
in welcher der Steuerschieber 8 axial verschiebbar einsitzt.
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Der
Steuerschieber 8 hat als Verbindungskanal eine um eine
umlaufende Ringnut 24, die je nach axialer Position des
Steuerschiebers 8 eine Verbindung zwischen den ersten und
den zweiten Steuerbohrungen 21, 22 der Steuerhülse 5,
und damit zwischen der ersten und der zweiten Querbohrung 15, 16 des
Gehäuses 4,
herstellen kann. In zu den ersten und zweiten Steuerbohrungen 21, 22 axial
benachbarter Lage sind Dichtungen 25, 25', 25'' zwischen der Steuerhülse 5 und
dem Gehäuse 4 wirksam
eingesetzt. Hierfür
hat die Steuerhülse 5 seitlich
benachbart zu den ersten Steuerbohrungen 21 eine erste Ringnut,
in der eine erster O-Ring dichtend einsitzt, ferner zwischen den
ersten und zweiten Steuerbohrungen 21, 22 eine
zweite Ringnut, in der eine zweite Dichtung einsitzt sowie seitlich
benachbart zu den zweiten Steuerbohrungen 22 eine weitere
Ringnut, in der eine weitere Dichtung einsitzt.
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Der
Steuerschieber 8 wird mittels einer Feder 26,
welche an dem zweiten Distanzelement 7 axial abgestützt ist,
axial in Richtung zum ersten Distanzelement 6 beaufschlagt.
In der dargestellten Position liegt das Schiebeelement 8 mit
einer Anlagefläche 27 gegen
eine Stützfläche des
ersten Distanzelements 6 an. Dabei ist die Verbindung vom
ersten Anschluß P1
zur Druckversorgung und dem zweiten Anschluß P2 zur Druckabnahme weitestgehend
unterbrochen, was weiter unten noch näher ausgeführt wird. In einer zweiten
Schiebestellung des Steuerschiebers 8 ist die Verbindung
zwischen dem ersten Anschluß P1
und dem zweiten Anschluß P2
freigegeben, so daß Druckluft
zu der Düse 17 gelangt.
Die Feder 26 ist in Form einer Schraubenfeder gestaltet, die
in einer Ausnehmung 28 des zweiten Distanzstücks 7 einerseits
und in einer Ausnehmung des Steuerschiebers 8 einsetzt
und gegenüber
diesem axial abgestützt
ist. Es versteht sich, daß auch
andere Federelemente verwendet werden können, beispielsweise Tellerfedern.
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Der
elektromagnetische Aktuator 3 zum Betätigen des Mehrwegeventils 2 umfaßt ein Anschlußstück 31,
daß an
seinem Ende ein Außengewinde 32 aufweist
welches in eine entsprechende Gewindebohrung des Gehäuses 4 eingeschraubt
wird. Ferner umfaßt
der elektromagnetische Aktuator 3 eine Magnetspule 33,
welche auf eine Außenfläche 34 des
Anschlußstücks 31 gehalten
ist, sowie einen Plunger 35, der in einer Bohrung 36 des
Anschlußstücks 31 axial
verschiebbar gehalten ist. Der Plunger 35, welcher auch
als Anker bezeichnet werden kann, ist gegenüber einem Deckelteil 37 axial
abgestützt,
wobei zwischen dem Plunger 35 und dem Deckelteil 37 eine Vorspannfeder 38 wirksam
angeordnet ist. Die Vorspannfeder 38 erzeugt eine geringere
Axialkraft als die Rückstellfeder 26 und
dient dazu, Axialspiel aus dem System herauszudrücken, damit die Reaktionszeiten
gering sind.
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Zwischen
dem Plunger 35 und dem Steuerschieber 8 ist ein
Zwischenelement 39 zur Kraftübertragung vorgesehen. Das
Zwischenelement 39, das in einer zentralen Bohrung des
Anschlußstücks 31 verschiebbar
einsitzt, ist mit einem ersten Ende mit einem Zapfen des Schiebestücks in Anlage
und mit einem zweiten Ende gegen den Plunger 35 axial abgestützt.
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In
der dargestellten Position ist der Elektromagnet abgeschaltet und
der Steuerschieber 8 durch die Feder 26 gegen
das erste Distanzstück 6 axial beaufschlagt,
das gegen das Gehäuse 4 axial
abgestützt
ist. Dabei ist die Verbindung zwischen dem ersten Anschluß P1 und
dem zweiten Anschluß P2
weitestgehend unterbrochen, das heißt es fließt lediglich ein Spülvolumenstrom.
Durch Aktivieren der Magnetspule 33 wird der Plunger 35 nach
rechts, d. h. Richtung Wegeventil 2 axial beaufschlagt,
so daß das Übertragungselement 39 und
das Schiebeelement 8 in Richtung Deckel 13 verschoben
werden. Auf diese Weise wird eine Verbindung zwischen den ersten Steuerbohrungen 21 und
den zweiten Steuerbohrungen 22 mittels der Ringnut 24 hergestellt,
so daß der erste
Anschluß P1
und dem zweiten Anschluß P2 pneumatisch
verbunden wird. Wird die Magnetspule wieder deaktiviert, wird der
Steuerschieber 8, das Zwischenelement 39 und der
Plunger 35 durch die Feder 26 entgegen der Federkraft
der Vorspannfeder 38 wieder zurückgestellt.
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2 zeigt
die Besonderheit der vorliegenden Erfindung in übertriebener Darstellung im
Detail. Es ist die Schließstellung
des Mehrwegeventils gezeigt, wobei die Verbindung zwischen dem ersten
Anschluß und
dem zweiten Anschluß weitestgehend getrennt
ist. Die Dichtung zwischen der Steuerhülse 5 und dem Steuerschieber 8 erfolgt
durch unmittelbaren Anlagekontakt der beiden Bauteile zueinander, wobei
ein minimaler Ringspalt 43 zwischen der außenzylindrischen
Dichtfläche 42 des
Steuerschiebers 8 und der innenzylindrischen Bohrung 23 der
Steuerhülse 5 gebildet
ist. Der Ringspalt hat eine Dicke, das heißt radiale Erstreckung, von
weniger als 2 Mikrometer, insbesondere von 0,3 bis 2,0 Mikrometer.
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Es
ist ersichtlich, daß das
axiale Ende der außenzylindrischen
Dichtfläche 42 des
Schiebelements 8 den Wandungsabschnitt der innenzylindrischen
Bohrung 23 der Steuerhülse 5,
der unmittelbar axial benachbart zu den Steuerbohrungen 22 liegt, axial überdeckt.
Diese axiale Überdeckung
L1, die auch als positive Überdeckung
bezeichnet werden kann, kann in Abhängigkeit von der Dicke des
Ringspalts bis zu etwa 4/10 mm, insbesondere bis zu 2/10 mm betragen.
Je nach Dicke des Ringspalts ist jedoch auch eine negative Überdeckung
denkbar, das heißt,
daß das
axiale Ende der außenzylindrischen Dichtfläche 42 innerhalb
der Mündungen
der Steuerbohrungen 22 liegt. Der so gebildete negative Überdeckungsabschnitt 12,
der in 2 mit einer gestrichelten Linie angedeutet ist,
kann dabei in Abhängigkeit
von der Dicke des Ringspalts 43 etwa bis zu 4/10 mm, insbesondere
bis zu 5/100 mm betragen.
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Insgesamt
sind das Schiebeelement 8 und die Steuerhülse 5 so
zueinander axial ausgerichtet, daß das axiale Ende der Dichtfläche 42 in
der Schließstellung
etwa in der Querebene E liegt, welche normal zur Längsachse
der Steuerhülse 5 steht und
die unmittelbar an die Mündungen
der Steuerbohrungen 22 angrenzt. Dabei hängt die
genaue Positionierung zwischen der außenzylindrischen Dichtfläche 42 des
Schiebeelements 8 und den Steuerbohrungen 22 der
Steuerhülse 5 von
der Dicke des Ringspalts 43 ab. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Positionierung
so eingestellt wird, daß ein Spülvolumenstrom
von 1–10%
des Nennvolumenstroms erreicht wird. Durch diese Ausgestaltung wird erreicht,
daß eine
Verschmutzung der Düse
bzw. des zugehörigen
Ventils verhindert wird.
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Die 3 und 4,
welche im folgenden gemeinsam beschrieben werden, zeigen eine erfindungsgemäße Ventilanordnung 46 mit
mehreren Mehrwegeventilen 2 gemäß 1. Die Ventilanordnung 46,
welche auch als Segment bezeichnet werden kann, umfaßt ein Trägerelement 47,
an dem eine Vielzahl von Mehrwegeventilen 2 benachbart
zueinander angeordnet sind. Die Mehrwegeventile 2 sind jeweils über eine
Steckvorrichtung 48 mit dem Trägerelement 47 verbunden.
Dabei umfaßt
die Steckvorrichtung 48 sowohl eine mechanische Verbindung zum
Trägerelement 47 als
auch eine elektrische Verbindung über entsprechende Steckfahnen 49, 49' mit einer Platine 51,
welche in dem Trägerelement 47 befestigt
ist. Es versteht sich, daß anstelle
der Platine auch andere elektronische Verbindungsmittel verwendet
werden können,
wie beispielsweise Kabel. Die Steuerung der einzelnen Mehrwegeventile 2 erfolgt
vorzugsweise über
eine auf der Platine 51 integrierten Steuerelektronik,
welche nach Bedarf jedes einzelne der Mehrwegeventile 2 der
Verbindungsanordnung 46 individuell öffnen und wieder schließen kann.
Zur Stromversorgung der Ventilanordnung ist ein entsprechender Anschluß 52 vorgesehen.
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In
dem Trägerelement 47 ist
eine Hauptleitung 53 zur Druckluftversorgung ausgebildet,
die über
Verbindungskanäle 54 jeweils
mit der ersten Querbohrung 15 des zugehörigen Mehrwegeventils 2 verbunden
ist. Es sind ferner zweite Verbindungskanäle 55 vorgesehen,
welche jeweils die zweiten Querbohrungen 16 mit einem entsprechenden
Anschluß für ein Ventil
verbinden. Im Übergangsbereich zwischen
dem Trägerelement 47 und
dem Gehäuse 4 ist
eine Dichtung 56 zum Abdichten der Kanäle vorgesehen. Des weiteren
hat das Trägerelement 47 Entlüftungsleitungen 57, 58,
die jeweils über
einen Entlüftungskanal 59, 60 mit
dem zugehörigen
Mehrwegeventil 2 verbunden sind. Zur Befestigung des Mehrwegeventils 2 an
dem Trägerelement 57 dienen Schrauben 61,
welche durch das Gehäuse 4 in
entsprechende Gewindebohrungen 62 des Trägerelements 47 eingeschraubt
werden.
-
Bei
der gezeigten Ventilanordnung 46 sind insgesamt 32 Mehrwegeventile 2 vorgesehen;
es versteht sich jedoch, daß die
Anzahl der Ventile 2 beliebig ist und an die entsprechenden
Anforderungen des speziellen Einsatzfalles anzupassen sind.
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5 zeigt
eine Ventilinsel 63, die aus mehreren Ventilanordnungen 46 gemäß 4 zusammengesetzt
ist. Hierbei wird der Vorteil der modularen Aufbauweise ersichtlich.
Es können,
je nach Anwendungsfall, beliebig viele der einzelnen Ventilanordnungen 46 zusammengeschlossen
werden, um die gesamte Breite des Materialstroms abzudecken. Insbesondere
kann hierbei vorgesehen sein, daß die unterschiedlichen Ventilanordnungen 46 auch
unterschiedliche Nenndrücke
aufweisen, so daß beispielsweise
auch bei einer masseabhängigen
Verteilung der einzelnen zu sortierenden Objekte über der
Breite des Materialstroms eine zuverlässige Sortierung gewährleistet
ist. Die Enden der einzelnen Ventilsegmente werden mittels Deckeln 64, 64' verschlossen. Jedes
einzelne der Ventilsegmente 46 wird individuell über eine
entsprechende Steuerelektronik angesteuert. Hierdurch ergibt sich
ein höchstes
Maß an Flexibilität für den speziellen
Anwendungsfall.
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6 zeigt
ein erfindungsgemäßes Mehrwegeventil 2 in
einer zweiten Ausführungsform.
Dieses entspricht weitestgehend der Ausführungsform gemäß 1,
auf deren Beschreibung insofern Bezug genommen wird. Dabei sind
gleiche bzw. einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es versteht sich, daß das
Mehrwegeventil gemäß 6 auch
für eine
Ventilanordnung gemäß 4 bzw.
für eine
der Ventilanordnungen gemäß 5 eingesetzt
werden kann. Im folgenden werden in erster Linie die Unterschiede
zur Ausführungsform gemäß 1 erläutert.
-
Die
Besonderheit des vorliegenden Mehrwegeventils 2 besteht
darin, daß eine
Einstellvorrichtung 65 zum Einstellen der relativen axialen
Position des Schiebeelements 8 zur Steuerhülse 5 in
der Schließposition
vorgesehen ist. Die Einstellvorrichtung 65 bietet den Vorteil,
daß der
Spülvolumenstrom unabhängig von
Fertigungstoleranzen der Bauteile des Mehrwegeventils 2 nach
Bedarf eingestellt werden kann. Die Einstellvorrichtung 65 umfaßt eine
Einstellschraube 66 mit einem Gewinde, die in eine Bohrung
des Deckels 37, der ein entsprechendes Gegengewinde aufweist,
eingeschraubt wird. Die Stirnseite 67 der Einstellschraube 66 bildet
eine Stützfläche, gegen
die das federbeaufschlagte Schiebeelement 8 mittelbar über einen
Zapfen 68 und den Plunger 35 axial abgestützt ist.
Durch entsprechendes Drehen der Einstellschraube 66 wird
somit die axiale Position des Schiebeelements 8 relativ
zur Hülse 5 eingestellt. Die
Einstellschraube 66, der Plunger 35, das Schiebeelement 8 samt
Zapfen 68 sowie die Hülse 5 sind koaxial
zueinander bzw. zur Längsachse
A des Wegeventils 2 angeordnet.
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Als
weitere Details sind in 6 ersichtlich, daß der Deckel 37 mit
dem Anschlußstück 31 über eine
Schraubverbindung verbunden ist. Weiter ist die Magnetspule 33 des
elektromagnetischen Aktuators 3 erkennbar, der auf dem
Anschlußstück 31 in
einem Gehäuse 30 aufgenommen
und mittels Blechelementen 29, 29' axial und radial fixiert ist.
Die Verbindung des Anschlußstücks 31 mit
dem Gehäuse 4 erfolgt über eine
Schraubverbindung. Hierfür
hat das Anschlußstück 31 einen
Endabschnitt mit einem Außengewinde 32,
der in eine entsprechende Gewindebohrung 28 des Gehäuses 4 eingeschraubt
ist.
-
Insgesamt
haben die erfindungsgemäßen Mehrwegeventile
und die aus diesen zusammengesetzten Ventilanordnungen den Vorteil,
daß diese
einem geringen Verschleiß unterliegen,
sehr geringe Schaltzeiten aufweisen und eine hohe Anzahl von Schaltvorgängen erreichen
können.
Des weiteren ist die Gefahr von Verschmutzung durch die Erzeugung eines
Spülvolumenstromes
in der Schließstellung
reduziert. Dies wird dadurch erreicht, daß ein gewisser Ringspalt in
den Mehrwegeventilen zwischen dem Schiebeelement und der Steuerhülse vorgesehen
ist, durch den ein geringer Luftstrom ausströmt. Dieser Spülvolumenstrom
verhindert, daß die
Düse bzw. das
Ventil verschmutzt werden, so daß die Mehrwegeventile bzw.
die Ventilanordnung auch dauerhaft eine zuverlässige Funktionsfähigkeit
aufweisen.
-
- 2
- Mehrwegeventil
- 3
- elektromagnetischer
Aktuator
- 4
- Gehäuse
- 5
- Steuerhülse
- 6
- erstes
Distanzstück
- 7
- zweites
Distanzstück
- 8
- Schiebeelement
- 9
- Bohrung
- 11
- Schulter
- 12
- Sicherungsring
- 13
- Deckel
- 14
- Ringnut
- 15
- erste
Querbohrung
- 16
- zweite
Querbohrung
- 17
- Düse
- 18
- erste
Ringnut
- 19
- zweite
Ringnut
- 21
- Steuerbohrung
- 22
- Steuerbohrung
- 23
- Zylinderbohrung
- 24
- Ringnut
- 25
- Dichtring
- 26
- Feder
- 27
- Anlagefläche
- 28
- Ausnehmung
- 29
- Blechelement
- 30
- Gehäuseteil
- 31
- Anschlußstück
- 32
- Außengewinde
- 33
- Magnetspule
- 34
- Außenfläche
- 35
- Plunger
- 36
- Bohrung
- 37
- Deckelteil
- 38
- Vorspannfeder
- 39
- Zwischenelement
- 42
- Dichtfläche
- 43
- Ringspalt
- 44
- Überdeckungsabschnitt
- 45
- Anschlußelement
- 46
- Ventilanordnung
- 47
- Trägerelement
- 48
- Steckvorrichtung
- 49
- Steckfahne
- 51
- Platine/Leiterplatte
- 52
- Stromversorgung
- 53
- Hauptleitung
- 54
- Verbindungskanal
- 55
- Verbindungskanal
- 56
- Dichtung
- 57
- Entlüftungsleitung
- 58
- Entlüftungsleitung
- 59
- Entlüftungskanal
- 60
- Entlüftungskanal
- 61
- Schraube
- 62
- Gewindebohrung
- 63
- Ventilinsel
- 64
- Deckel
- 65
- Einstellvorrichtung
- 66
- Einstellschraube
- 67
- Stirnseite
- 68
- Zapfen
- A
- Längsachse
- E
- Querebene
- L
- Überdeckungslänge