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Dosiereinrichtung zur Erfassung und
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Abgabe eines vorgegebenen Volumens eines inkompressiblen Mediums.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Dosiereinrichtung zur Erfassung
und Abgabe eines vorgegebenen Volumens eines inkompressiblen flüssigen Mediums.
Ein solches Medium kann beispielsweise Leitungswasser sein, das von einem unter
einem bestimmten Druck stehenden Leitungssystem über eine Dosiereinrichtung einer
Vorrichtung zur Erzeugung von GetBnkeportionen, beispielsweise einem Automaten zur
Ausgabe von Kaffee oder Tee in abgemessenen Portionen, zugeführt werden soll. Bei
derartigen Anwendungen ist eine genaue Dosierung der zugeführten Wassermenge außerordenlich
wichtig, damit immer gleich große Portionen ausgegeben werden. DiesAenaue Dosierung
wird dann schwierig, wenn der Leitungsdruck der zur Verfügung stehenden Flüssigkeit
starken Schwankungen ausgesetzt ist.
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Bei bekannten Dosiereinrichtungen wird die Dosierung vorgenommen,
indem die Flüssigkeit über in vorgegebenen Zeitabschnitten angesteuerte Ventile
zugeführt wird, wobei versucht wird, über einen Mengenregler die Einrichtung von
Druckschwankungen im zu-führ-enden Leitungssystem unabhängig zu machen. Dies gelingt
aber nur zum Teil, was zur Folge hat, daß bei den bekannten Dosiereinrichtungen
die Dosierung ungenau wird und von Druckschwankungen der zuzuführenden Flüssigkeit
abhängt. Weitere Ungenauigkeiten entstehen dadurch, daß bei diesen Einrichtungen
die Dosiergenauigkeit zusätzlich von der Schließzeit der verwendeten Ventile abhängt.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bestand darin, eine Dosieren
richtung zu schaffen, bei der die Dosiergenauigkeit unabhängig vom Momenuck der
zugeführten Flüssigkeit ist. Weiterhin sollte die Dosiereinrichtung einfach und
kompakt im Aufbau und wenig störungsanfällig sein.
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Die Lösung dieser Aufgabe geschieht erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruches 1 angegebener Merkmalen.
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Wie weiter unten anhand eines AusfUhrungsbeispieles im eiiizelnen
erläutert wird, beruht die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Dosiereinrichtung
auf dem Differentialkolben -prinzip. Die Verschiebung des Kolbens beruht auf dem
Druckunterschied zwischen dem Druck des zugeführten flüssigen Mediums und dem Druck
im Außenraum. Das Volumen der abzugebenden Einzelportionen des Mediums ist fest
vorgegeben durch den als Dosierraum bezeichneten Teil des Innenraumes des ersten
Zylinders. Dadurch wird die Dosiergenauigkeit völlig unabhängig von Druckschwankungen
des zugeführten Mediums. Die Vorscha)hing eines Mengenreglers ist daher überflüssig.
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Verschiedene vortei}afte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Dosiereinrichtung
sind möglich und Gegenstand der Unteransprüche.
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So wird eine besonders einfach und kompakt aufgebaute Ausführungsform
der Dosiereinrichtung mit den Merkmalen der Unteransprüche 3 bis 5 erreicht.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird gemäß Patentanspruch
10 als 3/2-Wege-Absperrorgan ein Elektromagnet-Ventil verwendet, wie es beispielsweise
in der DE-OS 28 55 902 beschrieben ist. Es ergibt sich bei Verwendung dieses Elektromagnet
Ventiles e n besonders
einfacher und kompa-kter Aufbau und eine
besonders leichte Ansteuermöglichkeit der erfindungsgemäßen Dosiereinrichtung.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Dosiereinrichtung ist darin
zu sehen, daß die Funktionsfähigkeit der Einrichtung nicht daraf angewiesen ist,
daß in dem Zuleitung system ein bestimmter Midestüberdruck herrscht. Der Druckunterschied
zwischen Leitungsdruck und Außendruck beeinflußt lediglich die Dosierzeiten. Sollen
bei geringem Leitungsdruck niedrige Dosierzeiten erreicht werden, oder herrscht
in der Zuleitung der Druck 0 oder ein Unterdruck, so ist es bei der erfindungsgemäßen
Dosiereinrichtung gemäß Patentanspruch 11 möglich, die Dosiereinrichtung in einem
vakuumdichten Gehäuse anzuordnen, dessen Innenraum unter Unterdruck gesetzt wird,
und die Ableitung der dosierten Flüssigkeit erfolgt in einen unter Unterdruck stehenden
Raum.
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Die Dosierzeiten können auch beeinflußt werden durch das Verhältnis
der wirksamen Arbeitsflächen am Differentialkolben.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn dieses Verhältnis entsprechend
den Merkmalen des Patentanspruches 13 gewählt wird.
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Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Dosiereinichtung außer
zur dosierten Erfassungtxid Abgabe von Wasser auch bei anderen flUssigen Medien
einsetzbar, die jedoch inkompressibel sein müssen, weil anderenfais die Dosiergenauigkeit
wiederum in Abhängigkeit vom Zuführungsdruck geraten würde.
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Im folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel
einer Dosiereinrichtung nach der Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Dosiereinrichtung
nach der Erfindung im gefüllten Zustand; Fig. 2 die Dosiereinrichtung in einer Darstelluny
analog Fig. 1 im entleerten Zustand; Fig. 3 in vergrößerter Darstellung das Magnetventil
der Dosiereinrichtung nach Fig. 1 und 2; Fig. 4 eine elektrische Schaltung zur Ansteuerung
der Dosiereinrichtung nach Fig. 1 bis 3; Fig. 5 eine andere Ausfühsingsform einer
Dosiereinrichtung im gefüllten Zustand.
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Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Dosiereinrichtung besitzt eine
Grundplatte 9, auf die ein Hohlzylinder 4 autgesetzt ist, an dessen oberem Ende
ein Kolben 3 angeordnet ist.
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Innerhalb des Zylinders 4 ist zwischen Grundplatte 9 und Kolben 3
ein elektromagnetisch betätigbares 3/2-Wegeventil 7 angeordnet. Dieses Ventil ist
von einem Typ, wie er beispielsweise in der DE-OS 28 55 902 beschrieben ist und
wird in seinen Einzelteilen weiter unten näher erläutert.
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Über dem Kolben 3 sitzt ein Zylinder 1, der an der Mantelfläche des
Kolbens 3, in welcher Dichtungen 16 angeordXnet sind, gleitend geführt ist. Der
Zylinder 1 ist an seiner oberen Stirnseite durch eine Abschlußplatte 2 abgeschlossen,
während an seiner unteren Stirnseiteeine Ringplatte 5 angeordnet ist, die an der
äußeren Mantelfläche des mit der Grundplatte 9 verbundenen Zylinders 4 in axialer
Richtung verschiebbar
geführt ist, wobei in der Ringplatte angeordnete
Dichtungen 17 für einen flüssigkeitsdichten Abschluß an dieser Stelle sorgen. Das
aus der Abschlußplatte 2 dem Zylinder 1 und der Ringplatte 5 bestehende Bauteil
wird durch Schraubenbolzen 15 zusammengehalten. Dieses Bauteil ist als Ganzes über
dem Kolben 3 verschiebbar. Die Schraubenbolzen 15 sind in Richtung auf die Grundplatte
9 über die Ringplatte 5 hinaus verlängert und diese als Führungsstangen 14 dienenden
Verlängerungen sind durch Bohrungen der Grundplatte 9 hindurchgeführt und tragen
an ihrem äußeren Ende Anschlagmuttern 14 b Der Innenraum des Zylinders 1 wird im
folgenden als "Dosierraum'§ 1a bezeichnet, Sein Durchmesser entspricht dem vollen
Zylinderdurchmesser. Der Dosierraum 1a wird begrenzt von der vorderen Arbeitsfldche
3a des Kolbens 3 und der Innenfläche 2a der Abschlußplatte 2. Beide Flächen sind
im dargestellten Ausführungsbeispiel als ebene Flächen ausgeführt, die sich praktisch
zwischenraumlos aneinander anlegen können. Selbstverständlich sind hier auch andere
Flächenformen möglich, jedoch sollten die vordere Arbeitsfläche 3a sowie die Innenfläche
2a immer in ihrer Form aneinander angepaßt sein, damit bei der weiter unten beschriebenen
Funktionsweise möglichst keine Toträume für die zu dosierende Flüssigkeit entstehen.
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Wie aus Fig. 2 ersichtlich, bildet sich bei einer Bewegung des Zylinders
1 in Abwärtsrichtung zwischen der unteren Arbeitsfläche 3b des Kolbens 3 und der
Innenfläche der Btngplatte 5 ein Ringraum, der im folgenden als "Rückstellraum"
Ib bezeichnet wird.
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Eine, an ein nicht dargestelltes Zuleitungssystem anschlieB-bare Flüssigkeitszuleitung
6 ist durch die Grundplatte 9 und ein Verbindungsrohr 6a in den Kolben 3 hineingeführt
und dort an eine Verbindungsleitung 10 angeschlossen, welche von dem Ein/Ausgang
R des Ventiles 7 durch den Kolben 3 hindurch zu einer Ausnehmung 3c in der Mantelfläche
des
Kolberz 3 führt. Diese Ausnehmung 3c öffnet sich nach unten,
also zum Rückstellraum 1b hin. Eine, an eine nicht dargestellte Verwertungsvorrichtung,
beispielsweise eine Kaffeemaschine anschließbare Flüssigkeitsableitung 8 ist durch
die Grundplatte 9 zum Auslauf P des Ventiles 7 geführt. Eine Verbindungsleitung
11 ist vom Ein- Auslauf A des Ventiles 7 durch die Grundplatte 9, ein Rohr llb und
einen im Kolben 3 veßaufenden Abschnitt 11a zum Dosierraum 1a geführt. Der Abschnitt
11 a mündet an der vorderen Arbeitsfläche 3a des Kolbens 3 in den Dosierraum 5 a.
Auf diese Weise wird die Ein- Austrittsöffnung des Abschnittes lla, wie aus Fig.
2 ersichtlich, bei vollständiger Entleerung des Dosierraumes 1a von der Innenfläche
2a der Abschlußplatte 2 verschlossen.
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Das elektromagnetisch betätigbare Ventil 7 wird im folgenden anhand
von Fig. 3 näher erläutert.
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Das Ventil besitzt eine in der Grundplatte 9 angeordnete, nach oben
offene Ventilkammer 71. Die Ventilkammer 71 ist über einen ersten Ventilsitz 72
mit dem Ausgang P des Ventiles, d.h. der Flüssigkeitsableitung 8 verbunden. Sie
ist weiterhin direkt mit dem Ein/Ausgang A des Ventiles, d.h. mit der zum Dosierraum
la führenden Verbindungsleitung 11 verbunden. Die Ventilkammer 71 ist an ihrer Oberseite
durch ein auidie Grundplatte aufgesetztes Oberteil 73 abgeschlossen. Das Ventiloberteil
73 besitzt ein äußeres Führungsrohr 74 mit einem Kopfstück 75, durch das ein an
den Ein/Ausgang des Ventiles R und damit die Verbindungsleitung 10 angescfSossener
Kanal 76 läuft. Im äußeren Führungsrohr 74 ist koaxial ein Innenrohr 77 angeordnet,
das mit einem Ende an den Kanal 76 angeschlossen ist, während das andere Ende in
den Innenraum zwischen Kopfstück 75 und Ventilkammer 71 hineinragt.
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Dabei ist das der Ventilkammer 71 zugewandte Ende dieses Innenrohres
77 als zweiter Ventilsitz 78 ausgebildet. Dieser zweite Ventilsitz 78 liegt dem
ersten Ventilsitz 72 in einem vorgegebenen Abstand gegenüber. Zwischen dem äußeren
Führungsrohr 74 und dem Innenrohr 77 ist ein bewegbares Ventilinnenteil 79 angeordnet,
das als hohlzylindrischer Körper aus magnetisch leitendem Material ausgebildet ist,
der den Magnetanker bildet. Am unteren Ende des Ventilinnenteiles 79 ist ein als
Dichtungsplatte ausgebildeter Ventilteller 710 gehaltert. Eine Druckfeder 711, die
zwischen einem Absatz des Ventiloberteiles 73 und einer flanschartigen Verbreiterung
des Ventilinnenteiles 79 angeordnet ist, bewirkt, daß das Ventilinnenteil 79 unter
der Einwirkung dieser Druck feder in eine Stellung gedrückt whd, in der der Ventilteller
710 auf dem ersten Ventilsitz 72 aufliegt. Um das äußere Führungsrohr 74 herum ist
eine Magnetspule 713 angeordnet. Das Kopfstück 75 besteht aus magnetisch leitendem
Material, während das Innenrohr 77 und der obere Abschnitt des äußeren Führungsrohres
74 aus nicht magnetisierbarem Werkstoff bestehen. Das Ventilinnenteil 79 weist an
seinem der Ventilkammer 71 zugekehrten Ende Durchtrittsöffnungen 712 auf, die beispielsweise
schlitzartig ausgebildet sein können und die den Innenraum der Ventilkammer 71 mit
dem Innenraum des Ventilinnenteiles 79 verbinden.
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Wird die Magnetspule 713 erregt, so wird das Ventilinnenteil 79 entgegen
der Kraft der Druckfeder 711 in Fig. 3 nach oben gezogen. Dabei hebt die Unterseite
des Ventil tellers 710 vom ersten Ventil sitz 72 ab. Nach einem vorgegebenen Hubweg
setzt sich die Oberseite des Ventiltellers 710 auf den zweiten Ventilsitz 78 auf.
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Die Ansteuerung des Ventiles, durch welche die weiter unten erläuterte
Funktion der Dosiereinrichtung bewirkt wird, kann über Steuerkontakte 12 und 13
erfolgen. Diese Steuerkontakte sind in der in Fig. 1 angedeuteten Weise in der Grundplatte
9 angeordnet und können beispielswelse
als Annäherungsschalter
ausgebildet sein, die von der Führungsstange 14 bzw. der Anschlagmutter 14b aus
betätigbar sind.
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Die Ansteuerung der Magnetspule 713 des Ventiles 7 kanri mittels einer
elektrischen Steuerschaltung gesclleilerl, die in Fig. 4 dargestellt ist. Wenn der
Kontakt 12 geschlossen ist, liegt die Betriebsspannung an einem Ende der Magnetspule
713 und an einem Thyristor T. Sobald zusätzlich der Kontakt 13 kurzzeitig geschlossen
wird, liegt Spannung am Spannungsteiler R1-R2, der Thyristor T zündet und der Erregungsstrom
fließt über die Magnetspule 713.
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Wird der Kontakt 12 geöffnet, so wird der Erregungsstrom wieder unterbrochen.
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Die Funktionsweise der in den Fig. 1 bis 4 beschriebenen Dosiereinrichtung
ist folgende: Befindet sich die Vorrichtung in dem in Fig. 2 dargestellten Zustand,
in dem der Dosierraum 1a nicht gefüllt ist, so sind die elektrischen Kontakte beide
geöffnet. Die NaqneL-spule 713 ist also nicht erregt, und der Ventilteller 710 sitzt
auf dem ersten Ventilsitz 72 des Ventiles 7 auf.
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Das unter Druck stehende Medium gelangt über die Zuleitung 6 und die
Verbindungsleitung 10 durch das Ventil hindurch und weiter über die Verbindungsleitung
11 zum Dosierraum la.
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Der anstehende Druck beaufschlagt sowohl die vordere Arbeitsfläche
3a als auch die hintere Arbeitsfläche 3b des Kolbens 3. Da die Arbeitsfläche 3a
im gewählten Ausführungsbeispiel doppelt so groß ist wie die Arbeitsfläche 3b, entsteht
eine Kraftwirkung, die das aus dem Zylinder 1, der Abschlußplatte 2, der Kreisringplatte
5 bestehende Bauteil anheb-t, wobei der Dosierraum la mit Flüssigkeit gefüllt wird.
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Diese Flüssigkeit stammt zur einen Hälfte aus dem RUckstellraum lb
und zur anderen aus der Zuleitung 6. Gleichzeitig mit dem Zylinder 1 wird die Steuerstange
14 angehoben. Sobald der Dosierraum la, wie in Fig. 1 dargestellt, vollständig gefüllt
ist, wird die Magnetspule 713 des Ventiles 7 erregt. Dies geschieht dadurch, daß
der Steuerkontakt 12 bereits kurz nach Einsetzen der Bewegung geschlossen wird und
am Ende der Bewegung der Steuerkontakt 13 zusätzlich geschlossen wird, der den Thyristor
T (Fig. 4) zur Zündung bringt. Im erregten Zustand liegt der Ventilteller 710 am
zweiten Ventilsitz 78 an. Dadurch ist der Dosierraum 1 über die VerbindungsWeitung
11 mit der Flüssigkeitsableitung 8 verbunden, während über die Flüssigkeitszuleitung
6 der Leitungsdruck weiterhin über den Rückstellraum lb die hintere ArbeltilAche
3b des Kolbens 3 beaufschlagt. Hierdurch wird der Rückstellraum nunmehr allein über
die Flüssigkeitszuleitung 6 aufgefüllt und der Inhalt des Dosierraumes 1a wird unter
dem anstehenden Mediumsdruck entleert. Dieser Entleerungsvorgang bleibt aufrechterhalten,
bis die Magnetspule 13 wieder entregt wird, was dann auftritt, wenn der Steuerkontakt
12 geöffnet wird. Sobald die Magnetspule entregt ist, setzt der nächste Füllvorgang
des Dosierraumes 1a in der oben beschriebenen Weise wieder ein.
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Für die beschriebene Dosiereinrichtung können grundsätzlich zwei Betriebsarten
vorgesehen sein: 1. Es wird ein zeitlich begrenzter elektrischer Steuerimpuis auf
das Elektromagnet-Ventil gegeben und dadurch in jeweils einem Dosiervorgang eine
genaue Menge des zu dosierenden Mediums am Ausgang abgegeben.
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Bei dieser Anwendungsart kann es sinnvoll sein, dem Eingang der Dosiervorrichtung
einen Mengenregler vorzuschalten, damit die Dosierzeit über weite Bereiche konstant
bleibt und nicht vom anstehenden Druck des Mediums beeinflußt wird. Der zeitlich
begrenzte Steuerimpuls kann auch auf die maximale Dosierzeit eingestellt werden,
die sich bei minimalem Druck ergibt. Bei dieser Anwendungsart ist die anhand der
Fig. 1 bis 4 beschriebene Selbststeuerung der Dosiereinrichtung mit Erfassung der
Endlagen nicht erforderlich.
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2. Es wird ein elektrischer Dauerimpuls auf das Magnetventil 7 gegeben,
was zur Folge hat, daß in fortlaufender Folge Dosiervorgänge ablaufen. Bei dieser
Anwendungsart ist die beschriebene Steuereinrichtung und Endlagenerfassung notwendig.
Mittels einfacher elektronischer Schaltungsanordnungen ist es möglich, eine Zählung
der Dosiervorgänge vorzunehmen, wobei ein Sollwert vorgegeben wird, der nach jedem
Dosiervorgang mit dem Istwert verglichen wird.
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Die hierzu erforderlichen elektronischen Bauelemente können in einfacher
Weise in einer Baueinheit zusammen mit dem Elektromagnet-Ventil 713 angeordnet sein.
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Die Einstellung der Dosiermenge ist durch eine Hubbegrenzung des
Dosierzylinders 1 möglich.
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Bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 sind als Dichtungen
zwischen dem ersten Zylinder 1 und dem Kolben 3 sowie der Ringplatte 5 und dem zweiten
Zylinder 4 Ringdichtungen 16, 17 vorgesehen.
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Es ist aber möglich, die Dosiereinrichtung mit als Rollmembranen ausgebildeten
Dichtungen aufzubauen. Damit die DruckllnathtlnyigkelL der Doslergenauigkeit erhalten
bleibt, müssen diese Rollmembranen aus axial nicht dehnbarem Material bestehen.
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Eine Dosiereinrichtung mit als Rollmembranen ausgebildeten Dichtungen
ist in Fig. 5 dargestellt.
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In Fig. 5 sind Bauteile, die ihrem Aufbau nach der Ausführungsform
nach Fig. 1 und 2 entsprechen, mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Das bei dieser
Ausführungsform verwendete Magnetventil entspricht dem anhand von Fig. 3 beschriebenen
Magnetventiles und wird nicht mehr näher erläutert.
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Der grundsätzliche Aufbau dieser Ausführungsform entspricht dem Aufbau
der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2. Auf die Grundplatte 9 ist ein Hohl zylinder
24 aufgesetzt, an dessen oberem Ende der Kolben 23 angeordnet ist. Innerhalb des
Zylinders 24 ist das elektromagnetisch betätigbare 3/2-Wegeventil 7 angeordnet.
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Über dem Kolben 23 sitzt der Zylinder 21. Die Arbeitsfläche 23a ist
der Innenfläche 22a der den Zylinder ?1 abschließenden Stirnwand 22 zugewandt. Bei
dieser Ausführungsform sind die Arbeitsfläche 23a des Zylinders 23 und entsprechend
die GegenflEche 22a nicht als durchgehende Ebenen ausgebildet, was mit der besondereAfaichtung
durch die nollmembran 26 zusammenhängt. Die zur Abdichtung des Kolbens 23 am Zylinder
21 vorgesehene Rollmembran 26 ist einerseits zwischen einem Flansch 21c des Zylinders
21 und der den Zylinder 21 an seiner Unterseite abschließenden Ringplatte 25 befestigt.
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Ihr anderes Ende ist über einen Ring 23c am Koll->en 23 befestigt.
Die Rollmembran 2G liegt einerseits an der Innenfläche des Zylinders 21 und andererseits
an der Mantelfläche des Kolbens 23 an.
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Die Abdichtung zwischen der Ringplatte 25 und dem Zylinder 24 geschieht
ebenfalls durch eine Rollmembran 27, die in der aus Fig. 5 ersichtlichen Weise ebenfalls
zwischen der Ringplatte 25 und dem Flansch 21c einerseits und dem Ring 23c und dem
Zylinder 24 andererseits befestigt ist und an der Mantelfläche des Zylinders 24
und der Innenfläche der Ringplatte 25 anliegt. Auf diese Weise ist das aus dem Zylinder
21 und der Ringplatte 25 bestehende Bauteil über den IscLl)en 3 und dem Zylinder
24 verschiebbar angeordnet, wobei in analoger Weise,wie bei der Ausführungsform
nach Fig. 1 und 2 durch Führungsstangen 14 eine Führung an der Grundplatte 9 erreicht
wird.
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Der Innenraum des Zylinders 21 ist wiederum ein Dosierraum 21a, der
von der vorderen Arbeitsfläche 23a des Kolbens 23 und der Innenfläche 22a der Wand
22 begrenzt wird. Beim Absenken des Zylinders 21 greifen die Flächen 22a und 23a
in-folge ihrer besonderen Ausbildung ineinander.
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Der zwischen der unteren Arbeitsfläct 23b und der Innenlläche der
Ringplatte 25 entstF ende Ringraum wirkt wie bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel
als Rückstellraum 21b.
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Das Zu- und Ableitungssystem ist bei dieser Ausführungsform genauso
ausgebildet, wie bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 und braucht daher
nicht näher erläutert werden.
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Auch die Funktionsweise der Ausführungsform nach Fig. 5 ist genauso,wie
die der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 und wurde bereits anhand der Fig. 1 bis
4 beschrieben.
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