DE19963029C2 - Elektromagnetisches 3/2-Wege Ventil für eine Messanordnung zur Messung von CO¶2¶-Gasstoffwechselvorgängen und der Transpiration von intakten Pflanzen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Elektromagnetisches 3/2-Wege Ventil für einen paarweisen Einsatz in einer tragbaren Messanordnung zur Messung von CO₂-Gasstoffwechselvorgängen und der Transpiration von intakten Pflanzen. Die Gasführung in dieser Messanordnung wird teilweise über zwei parallele Gaswege geleitet, die endseitig jeweils durch ein 3/2-Wege Ventil zunächst auf­ geteilt und dann wieder zu einer Gasführungsleitung zusammengeführt werden. Dadurch können zur Erzielung einer großen Messgenauigkeit eventuelle Mess­ fehler bei den eingesetzten Bauelementen vor und zwischen den Messungen durch getrennte Referenzgas- und Küvettengasmessungen ermittelt werden, um dann anschließend die Bauelemente aneinander abzugleichen. Bei diesen Vor­ gängen ist der verwendete Luft- bzw. Gasstrom durch die zwei 3/2-Wege Ven­ tile zeitgleich auf die eine oder die andere parallel verlaufende Gasleitung rasch umzuschalten. Dies erfordert ein Ventil mit kurzen und exakt aufeinander ab­ stimmbaren Verschluss- u. Schaltzeiten.

Bei einer Messanordnung nach der US 5340987 A wird bei einer CO₂- Messanordnung auch ein 3/2-Wege Ventil eingesetzt. Es besteht aus einem zy­ linderförmigen Grundkörper mit einer mittig angeordneten Einlassöffnung so­ wie aus zwei achsgleich von der Mitte beabstandete Auslassöffnungen. Der Grundkörper ist durch ein ebenfalls zylinderförmiges Oberteil abgedeckt, das an seiner Unterseite eine zylinderförmige Aussparung aufweist, in der in enger Toleranz zur Grundkörperfläche eine halbkreisförmige Schließscheibe drehbar geführt ist, und über einen Schaft von einem Getriebemotor zum Öffnen und Schließen der Auslassöffnungen angetrieben wird. Die für die Dichtheit er­ forderlichen Toleranzen der Schließscheibenabmessungen verursachen bei Schaltvorgängen einen starken Abrieb der Verschlussteile und erfordern zudem am Schaft der Schließscheibe ein großes Drehmoment, das von einem Antrieb mit entsprechendem Gewicht und großem Stromverbrauch aufgebracht werden muss. Für eine abwechselnde vollständige Schließung einer Auslassöffnung be­ nötigt die Schließscheibe einen großen Winkelweg und - bedingt durch die klei­ nen Abmessungstoleranzen der Verschlussteile - auch lange Verschließzeiten der Ventilausgänge. Ferner führen die Umlenkungen der Gaswege über die Kanten im Grundkörper dieses Ventils zu hohen Strömungswiderständen.

Durch die europäische Patentanmeldung EP 0779458 A2 ist ein elektromagne­ tisch betätigbares 3/2-Wege Ventil bekannt geworden. Es besteht aus einem rohrförmigen Spulenkörper bzw. Ventilkörper aus Kupfer, der für die Bildung einer Strömungsöffnung in der Mitte seiner Länge mit einem von seiner äußeren Rohrwandung weggerichteten Anschlussstutzen versehen ist. An den Enden des rohrförmigen Ventilkörpers befinden sich ebenfalls je ein weiterer Anschluss­ stutzen, dessen Innenseiten Ventilflächen bilden. Auf dem äußeren Mantel des Ventilkörpers sind zwei Magnetspulen angeordnet und in seinem Inneren ist ein als Verschluss dienender Anker axial verschieblich angeordnet, der mittig wal­ zenförmig ausgebildet ist und an seinen Enden jeweils quaderförmige Gleit- und Dichtungsstempel trägt, die mit ihren abgerundeten Ecken an der inneren Wand des Ventilkörpers gleiten und zwischen ihren geraden Seiten und der inneren Wand des Ventilkörpers den Strömungsweg zu den Anschlussstutzen bilden.

Dieses bekannte Magnetventil benötigt für eine satte Haftung seiner Schließkör­ per an den Ventilöffnungen große magnetische Kräfte, die von Ringspulen nur mit einer entsprechend großen Länge aufgebracht werden können. Dadurch er­ geben sich für die Verstellglieder und das Magnetventil insgesamt große Län­ genabmessungen und Gewichte. Die Strömungswege führen deshalb über lange Verstellglieder, wodurch sich der Strömungswiderstand vergrößert. Für die Ver­ stellung und Verschließung der Ventilöffnungen stehen die Magnetspulen alter­ nativ unter Dauerstrom, um den Magnetkreis für die Haftung der Verstellglieder kontinuierlich aufrecht zu erhalten. Dadurch ergibt sich ein hoher Energiever­ brauch und eine entsprechende Erwärmung der Strömungswege. Ein Ventil mit diesen Eigenschaften ist daher für einen Einsatz in einer tragbaren, batteriege­ speisten Messanordnung zum Messen von kleinen Gaskonzentrationen nicht ge­ eignet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Ventil mit kurzen und genau einhaltenten Verschlusszeiten zu schaffen, dessen Strömungswege einen geringen Druckverlust aufweisen, ihre Materialien keinen Wasserdampf und kein Kohlendioxid aufnehmen und im Betriebszustand sich nicht erwärmen und das für Batteriebetrieb geeignet und von leichter Bauart ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch das im Anspruch 1 beschriebene Ventil. Da­ nach bietet es drei Luftanschlüsse für zwei alternativ einschaltbare Strömungs­ wege über Anschlussstutzen, die einenends Ventilflächen besitzen und daher für eine passgerechte und axial ausgerichtete Einsetzung in den Spulenkörper an diesem anflanschbar sind. Der Spulenkörper ist aus Gewichtsgründen und we­ gen der Forderung kein Wasser aufzunehmen aus Kunststoff gefertigt. Um so­ wohl eine Wärmeentwicklung im Spulenkörper durch die Magnetspulen zu vermeiden, als auch kurze und exakt aufeinander abstimmbare Verschluss- und Schaltzeiten des Ventils zu erzielen, werden die Magnetspulen lediglich durch einen Stromimpuls von ca. 1 sec erregt, um das verschieblich angeordnete Ver­ stellglied im Spulenkörper zu einer Schaltstellungsänderung zu bewegen bzw. von seiner Schließstellung loszureißen. Für den Strömungsöffnungsverschluss sorgt das als Anker ausgebildete Verstellglied. Es setzt sich aus einem mittig angeordneten Dauermagneten mit einer zylindrischen Schutzhülle und stirnseitig angeordneten magnetischen Dichtungsstempeln zusammen. Die Anziehungs­ kraft des Dauermagneten ist so bemessen, dass einerseits zwischen dem Dich­ tungsstempel des Ankers und dem Dichtungsring auf der Ventilfläche des Anschlussstutzens eine ausreichende Haftung in der Schließstellung bei einem Gasdruck von 1 bar und einem durch den auf der Ventilfläche angebrachten Dichtungsring bedingten Luftspalt von 0,15 mm erreicht wird und dass anderer­ seits das Verstellglied durch die kurzzeitig erregte Magnetspule aus der Schließ­ stellung noch losreißbar ist. Die Magnetspulen werden nur impulsmäßig be­ stromt. Sie brauchen deshalb nicht unter Dauerstrom gehalten und für diesen Zweck auch nicht für Dauerbetrieb ausgelegt zu werden. Dadurch wird eine Er­ wärmung der Gasleitungswege im Ventil verhindert. Die erforderliche magneti­ sche Kraft ist daher auch mit einer Magnetspule von geringer Länge erreichbar. Der Dauermagnet im Verstellglied besteht aus einem besonderen Sinterwerk­ stoff, der sich durch seine hohe Entmagnetisierungsfestigkeit und sein starkes Magnetfeld auszeichnet.

Zur Verstärkung der magnetischen Flüsse im System sind die Anschlussstutzen und die Haltewinkel magnetisch leitend ausgebildet, wobei die Verschwenkbar­ keit des Ventilkörpers in den Haltewinkeln die Verschlauchung der Messanord­ nung vereinfacht.

Die Auflageschenkel der Haltewinkel sind beabstandet angeordnet, sie bilden einen Luftspalt und unterbrechen den Eisenrückschluss für die Magnetsysteme. Dieser Luftspalt dient der Einjustierung des Magnetsystems im Zusammenhang mit dem Öffnungsabstand zwischen Dichtungsstempel und Ventilfläche, denn ein zu kleiner Öffnungsabstand im Spulenkörper verringert die Haftkraft des Dauermagneten auf der gegenüberliegenden Seite in der Schließstellung und ein zu großer Öffnungsabstand vergrößert den Schliess- und Gasweg im Ventil.

Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel zur Erfindung näher be­ schrieben.

Es zeigen

Fig. 1 ein 3/2-Wege Ventil im Längsschnitt

Fig. 2 das 3/2-Wege Ventil in einem Querschnitt

Bei dem 3/2-Wege Ventil, das gemäß den Fig. 1 und 2 mit doppelten Ab­ messungen vergrößert dargestellt ist, wird mit der Bezugszahl 10 der rohrförmi­ ge Spulenkörper aus Kunststoff bezeichnet, an dessen äußerer Mantelfläche mittig und quer zur Spulenkörperachse ein erster Anschlussstutzen 11 angesetzt ist. In den axialen Öffnungen des Spulenkörpers 10 sind jeweils zwei weitere Anschlussstutzen 12 und 13 passgerecht eingesetzt und an Flanschen des Spu­ lenkörpers 10 befestigt. Die inneren Stirnseiten der Anschlussstutzen 12 und 13 sind jeweils als Ventilflächen 14 und 15 eben ausgebildet, auf denen Dichtungs­ ringe entweder als O-förmige Ringe in Ausfräsungen versenkt angeordnet oder als Flachringe mit rechteckförmigem Querschnitt zentrisch zu den Durch­ gangsöffnungen befestigt sind. Sie definieren den Schließ-Luftspalt. Zwischen den Flanschen des Spulenkörpers 10 sind zwei Magnetspulen 16 und 17 angeordnet. Im Inneren des Spulenkörpers ist das Verschlussteil verschieblich ange­ ordnet. Dieses setzt sich zusammen aus einem walzenförmigen Dauermagneten 18, der von einer Schutzhülle 19 aus nichtmagnetischem Edelstahl umfasst wird. An seinen beiden Enden sind quaderförmige Gleit- und Dichtungsstempel 20 und 21 befestigt, deren abgerundete Ecken an der inneren Wand 22 des Spulen­ körpers 10 gleiten.

Der Strömungsweg zu den Anschlussstutzen 12 und 13 führt vom Anschluss­ stutzen 11 durch die Räume, die von der Wand 22 und den geraden Seiten 23 des Dichtungsstempels 20 sowie vom Öffnungsabstand X gebildet werden. Die frei aus dem Spulenkörper 10 herausragenden Enden der magnetisch leiten­ den Anschlussstutzen 12 und 13 sind in Bohrungen von aus magnetischem Ma­ terial bestehenden Haltewinkeln 24 und 25 verschwenkbar gelagert, um den ma­ gnetischen Kreis des Systems zu verstärken und die Verschlauchung zu verein­ fachen. Zur Arretierung des Ventils sind Schrauben 26 und 27 vorgesehen. Der Luftspalt Y zwischen den Auflageschenkeln der Haltewinkel 24 und 25 dient Justierungsmaßnahmen, er beeinflusst den Eisenrückschluss und damit die Haft­ kraft der Magnetelemente.

Claims (3)

1. Elektromagnetisch betätigbares 3/2-Wege Ventil für den Einsatz in einer Messanordnung zur Messung von CO₂-Gasstoffwechselvorgängen und der Transpiration von intakten Pflanzen am natürlichen Standort, bestehend aus einem rohrförmigen Spulenkörper (10) aus nichtmagnetischem Material, der für die Bildung einer Strömungsöffnung in der Mitte seiner Länge mit einem von seiner äußeren Rohrwand weggerichteten ersten An­ schlussstutzen (11) versehen ist und an dessen stirnseitigen Enden sich je­ weils ein weiterer Anschlussstutzen (12, 13) befindet, dessen stirnseitige In­ nenseiten als Ventilflächen (14, 15) ausgebildet sind und bei dem ferner auf der äußeren Rohrwand des Spulenkörpers (10) zwei Magnetspulen (16, 17) angeordnet sind und im Inneren des Spulenkörpers (10) ein als Verschlussteil dienender Anker axial verschieblich geführt ist, der mittig walzenförmig aus­ gebildet ist und an seinen Enden jeweils quaderförmige Gleit- und Dich­ tungsstempel (20, 21) trägt, die mit ihren abgerundeten Ecken an der inneren Wand (22) des Spulenkörpers (10) gleiten und zwischen ihren geraden Seiten (23) und der inneren Wand (22) des Spulenkörpers (10) sowie über den Öff­ nungsabstand (X) den Strömungsweg zu den Anschlussstutzen (12, 13) bil­ det, dadurch gekennzeichnet, dass die stirnseitigen Enden des aus Kunststoff bestehenden Spulenkörpers (10) flanschartig ausgebildet sind, um einerseits die zwei mit relativ kurzen Längenabmessungen ausgebildeten Magnetspulen (16, 17) einzubetten und andererseits Befestigungsflächen für die zwei weiteren Anschlussstutzen (12, 13) zu bilden, damit deren ebene Ventilflächen (14, 15) mit ihren Dichtungs­ ringen passgerecht und axial ausgerichtet an den Enden des Spulenkörpers (10) einsetzbar sind, dass lediglich zur Schaltstellungsveränderung des An­ kers die Magnetspulen (16, 17) kurzzeitig durch einen von einem batteriege­ speisten Elko-Entladungssystem kommenden Stromimpuls von 1 sec alter­ nativ erregt werden, dass der walzenförmige Teil des Ankers ein entmagneti­ sierungsfester und aus einem Hochenergie-Magnetwerkstoff bestehender Dauermagnet (18) ist, dessen Mantelfläche von einem nichtmagnetischen Edelstahlrohr (19) umhüllt ist und an dessen beiden Enden je ein Gleit- und Dichtungsstempel (20, 21) aus magnetischem Edelstahl mit ebenen Anlage­ flachen angebracht sind und dass die axial aus dem Spulenkörper (10) frei heransragenden Enden der angeflanschten magnetisch leitenden Anschluss­ stutzen (12, 13) in Bohrungen von aus magnetischem Material bestehenden Haltewinkeln (24, 25) verschwenkbar und feststellbar gelagert sind, die au­ ßerdem über die Anschlussstutzen (12, 13) einen justierbaren Eisenrück­ schluss für die Magnetflüsse bilden.

2. Elektromagnetisch betätigbares Ventil nach A1 dadurch gekennzeichnet, dass in einer Ausfräsung der ebenen Ventilfläche (14, 15) ein O-förmiger Dichtungsring versenkt angeordnet ist.

3. Elektromagnetisch betätigbares Ventil nach A2 dadurch gekennzeichnet, dass auf der ebenen Ventilfläche (14, 15) ein Dichtungsring mit rechtecki­ gem Querschnitt angebracht ist, der außerdem den Luftspalt zwischen Dich­ tungsstempel (20, 21) und der Ventilfläche (14, 15) im Schließzustand defi­ niert.