CH650844A5 - Quick-closing flap valve for high-vacuum or ultrahigh-vacuum operation - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schnellschluss-Klappenventil io nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Für Ultrahochvakuumbetrieb wird ein solches Ventil in ausheizbarer Ganzmetallausführung verwendet.

Ein derartiges Klappventil ist bereits aus dem CERN-Be-richt 74-9 bekannt, und zwar wird dort eine im Vakuum lie-15 gende Ventilklappe unter der Einwirkung von zwei Spiralfedern auf einen ortogonal zur Strahlrichtung angeordneten Ventilsitz geschwenkt. Das Öffnen des Ventils erfolgt über ein durch einen Faltenbalg nach aussen geführtes Gestänge. Die geöffnete Ventilklappe wird durch einen ebenfalls über einen 20 Faltenbalg nach aussen geführten Riegel offengehalten. In dieser Öffnungsstellung sind die Spiralfedern gespannt. Das Auslösen des Klappenventils erfolgt durch einen auf das freie Ende des Riegels ausserhalb des Gehäuses wirkenden Elektromagneten, welcher den Riegel um dessen im Faltenbalg lie-25 genden Drehpunkt schwenkt und dadurch die Klappe freigibt. Dadurch bewegen die Spiralfedern die Ventilklappe den Ventilsitz, wozu allerdings eine relativ lange Schliesszeit erforderlich ist. Diese verlängert sich noch durch ein Prellen der Ventilklappe beim Aufschlagen auf den Ventilsitz. Wenn je-30 doch ein Vakuumsystem oder ein Ultrahochvakuumsystem (etwa IO-5 bis 10_n mbar) vor Lufteinbrüchen geschützt werden soll, dann ist die Schliesszeit des Klappenventils ein kritischer Parameter. Beispielsweise können in Elektronenoder Protonen-Beschleunigeranlagen Lufteinbrüche so 35 schlagartig auftreten, dass die plötzliche Belüftung ihres Vakuumsystems zu einer zerstörerischen Stosswelle führt, die sich etwa mit dreifacher Schallgeschwindigkeit und mit äusserst steiler Druckanstiegsflanke in das Ultrahochvakuumsystem hineinbewegt. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer 40 solchen Stosswelle beträgt etwa 1000 m/s, so dass sie in einer Millisekunde etwa 1 m zurücklegt. Da ferner die Lufteinbrüche in der Regel an den Experimentierstellen erfolgen, müssen diese für jede Millisekunde Schliesszeit weiter vom Klappenventil entfernt sein. Für das zuvor erwähnte, bekannte 45 Klappenventil mit einer Schliesszeit von etwa 33 ms bedeutet dies einen Platzbedarf von mehr als 33 m, der häufig nicht zur Verfügung steht.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung das bekannte Schnell-schluss-Klappenventil dahingehend zu verbessern, dass eine so kürzere Schliesszeit erreicht wird.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch eine solche Lösung werden Schliesszeiten von etwa 55 10 ms erreicht, so dass die Verzögerungsleitungen gegenüber bekannten Vakuumsystemen wesentlich verkürzt werden können. Das Experimentiergebiet kann somit näher am Beschleuniger Hegen.

Vorzugsweise beträgt der Anstellwinkel der Sitzebene des 6o Ventils gegenüber dem Gehäuseboden 45°.

Das erfindungsgemässe Klappenventil lässt sich bei entspannten Zugfedern ausheizen, da die Klappe in geöffnetem Zustand durch die Klinke verriegelt wird und das Joch des Aufzughebels nach dem Verriegeln der Klappe abgesenkt 65 werden kann.

Durch die erfindungsgemässe Ausführung wird erreicht, dass die vom Beschleuniger aus hinter dem Klappenventil anschliessende Verzögerungsleitung lediglich etwa 10 m lang zu

sein braucht, so dass das Experimentiergebiet näher am Beschleuniger liegen kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert; es zeigen:

Figur 1 eine Schnittansicht einer Ausführung eines Schnellschluss-Klappenventils;

Figur 2 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf das Schnellschluss-Klappenventil gemäss Figur 1.

Figur 1 zeigt eine Schnittansicht eines Schnellschluss-Klappenventils, vorzugsweise für Ultrahochvakuum (= 10~8 mbar) in ausheizbarer Ganzmetallausführung mit einem zylindrischen Gehäuse 1, das an einer Seite durch einen Gehäuseboden 10 verschlossen ist. In der Mitte des Gehäusebodens 10 befindet sich eine Strahldurchführungsöffnung 110, die von einem Ventilsitzstutzen 111 umgeben ist. Der Ventilsitzstutzen 111 besteht aus Edelstahl mit in der Draufsicht rechteckigem Querschnitt, wobei auf seinem der Strahldurchführungsöffnung 110 abgewandten Ende ein Ventilsitz 112 vorgesehen ist. Der Ventilsitz 112 ist eine geschliffene Fläche, die gegenüber dem Gehäuseboden 10 einen Anstellwinkel von 45° aufweist. Ein rechteckiger Querschnitt des Ventilsitzstutzens 111 ist deswegen möglich, weil der durch das Ventil laufende Strahl, vorzugsweise Synchrotronstrahlung, kein kreisförmiges Profil hat, sondern in einer Richtung wesentlich breiter als senkrecht zu dieser Richtung ist. Durch die Anpassung des Ventilsitzquerschnittes an die Strahlform wird ausserdem erreicht, dass die Schnellschlussklappe kleiner als bei kreisförmigen Ventilsitzen sein kann, so dass keine so grossen Massen bewegt zu werden brauchen.

Durch die Anordnung des Ventilsitzes 112 im Winkel zum Gehäuseboden 10 wird ausserdem erreicht, dass die Klappe 21 einen wesentlichen kürzeren Schliessweg als beim Stand der Technik hat. Die Öffnungsstellung der Klappe 21 ist in Figur 1 gestrichelt dargestellt, und man erkennt, dass sie in dieser Stellung den optischen Weg durch den Ventilsitz 112 vollständig freigibt.

Die Klappe 21 besteht vorzugsweise aus einer Titanlegierung, beispielsweise 3.7075, wodurch gegenüber Stahl eine beträchtliche Gewichtsersparnis erzielt wird. Die Auflageseite der Klappe 21 ist ebenso wie der Ventilsitz 112 eben geschliffen.

Die Lagerung der Klappe 21 erfolgt auf einer Grundplatte 5, die an einer Seite des Ventilsitzstutzens 111 auf dem Gehäuseboden 10 montiert ist. Zwei Ständer 27 lagern eine Schwenkachse 24, die in der Nähe jedes Ständers 27 je einen kurzen und einen langen Klappenschenkel 210 bzw. 211 trägt. Der kurze und der lange Klappenschenkel 210 und 211 schliessen einen etwas kleineren Winkel als 90° ein. Sie sind darüber hinaus mit einem Verbindungsschenkel 212 verbunden, dessen freies Ende über einen Haltebolzen 22 und eine Druckfeder 23 an der Klappe 21 befestigt ist. Die Druckfeder 23 stützt sich mit einem Ende auf der Oberseite der Klappe 21 und mit dem anderen Ende an der Unterseite des von einer Scheibe 3 gehaltenen Verbindungsschenkel 212 ab. Die Scheibe 3 ist durch eine auf den Haltebolzen 22 aufgeschraubte Mutter gegen Verschiebung in Richtung von der Klappe 21 weg gesichert. Durch diese federnde Verbindung von Verbindungsschenkel 212 und Klappe 21 wird ein Prellen der Klappe beim Aufschlagen auf den Ventilsitz 112 zuverlässig verhindert, indem ein Grossteil der Schlagenergie von der Druckfeder 23 umgewandelt wird. Versuche haben gezeigt, dass die Klappe 21 tatsächlich nach dem Verschliessen des Ventilsitzes 112 von diesem nicht wieder abhebt.

In den langen Klappenschenkeln 211 sind ferner Zapfen 59 für den Angriff je einer Zugfeder 28 vorgesehen. Die im Abstand zur Schwenkachse 24 liegenden Enden der langen Klappenschenkel 211 sind ferner durch einen Auslösebalken 213 miteinander verbunden.

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Etwa in der Mitte zwischen den Ständern 27 sowie im Abstand zu diesen ist hinter dem Auslösebalken 213 der Schnellschlussklappe ein Klinkenständer 58 vorgesehen, der an seinem oberen Ende eine auf den Auslösebalken 213 wirkende 5 Klinke 6 lagert. Die Klinke 6 ist unsymmetrisch gebaut und besitzt eine Rückwand 64, die in der Höhe des Klinkenlager-punktes etwa parallel zur Mittellinie des Klinkenständers 58 und damit parallel zur optischen oder Längsachse 11 verläuft. In dieser Stellung der Klinke 6 liegt deren unteres, freies Ende io auf der dem Ständer 27 zugewandten Seite des Klinkenständers 58, so dass es mit dem Auslösebalken 213 in Eingriff gelangen kann. Dieses untere Ende der Klinke 6 ist mit einer Rolle 60 versehen, die sich bei gestrichelt dargestellter, geöffneter Klappe auf dem Auslösebalken 213 abstützt und damit 15 die Klappe 21 geöffnet hält. Das freie Klinkenende ist ferner mit einer Anschlagschulter zur Begrenzung der Bewegung auf dem Auslösebalken 213 versehen.

Das Öffnen der Klappe 21 erfolgt durch Zugfedern 28, die in zusammengedrücktem Zustand als Stangen wirken. Sie be-20 stehen in einer Ausführung aus Edelstahl der Zusammensetzung 1.4310.

Zum Schliessen der Klappe 21 dient ferner ein mittels eines ersten Faltenbalges 45 durch die Wand des Gehäuses 1 geführter Aufzughebel 4, der zwischen der ausgezogen darge-25 stellten Lage und der seine Mittellinie andeutenden strichpunktierten Lage verschwenkbar ist. Sein im Gehäuse 1 liegendes freies Ende trägt ein Joch 56, das sich im rechten Winkel zur Mittellinie des Aufzughebels 4 mindestens bis zu den Ständern 27 erstreckt. Im Bereich der Enden des Jochs 56 sind 3o Federhalterungen 57 vorgesehen, in die die Zugfedern 28 eingehängt sind. Die Zugfedern 28 greifen somit in Figur 1 mit ihren oberen Enden am Joch 56 und mit ihren unteren Enden an den Zapfen 59 der Klappenschenkel 211 an. In der ausgezogen dargestellten Lage ziehen die Zugfedern 28 die langen 35 Klappenschenkel 211 demnach nach oben und pressen dadurch die Klappe 21 auf den Ventilsitz 112. Das ausserhalb des Gehäuses 1 liegende Ende des Aufzughebels 4 greift in ein Auge eines Zugstücks 16, das an einem Ende einer Kolbenstange 13 eines Pneumatikzylinders 31 befestigt ist. Durch 40 Einziehen der Kolbenstange 13 wird demnach der Aufzughebel 4 in die strichpunktierte Stellung verschwenkt, wodurch die Zugfedern 28 entspannt werden und die Klappe 21 öffnen. Beim Offnen der Klappe 21 schwenkt der Auslösebalken 213 unter den tiefsten Punkt der Klinkenrolle 60 und wird von der 45 Rolle 60 in dieser Stellung verriegelt. Nachdem die Rolle 60 und damit die Klinke 6 den Auslösebalken 213 und mit ihm die Klappe 21 in der gestrichelt dargestellten, offenen Stellung verriegelt hat, kann die Kolbenstange 13 des Pneumatikzylinders 31 wieder ausgefahren und das Joch 56 nach oben ge-5o schwenkt werden. Dabei werden die Zugfedern 28 gespannt und verleihen der Schnellschlussklappe die zum schnellen Schliessen erforderliche Vorspannung.

Zum Schliessen der Klappe 21 ist es erforderlich, die Rolle 60 vom Auslösebalken 213 wegzuschwenken und damit die 55 Klappenschenkel 211 freizugeben. Dieses Wegschwenken der Klinke 6 erfolgt über einen durch einen zweiten Faltenbalg 46 aus dem Gehäuse 1 nach aussen geführten Klinkenhebel 20, der kugelgelenkartig über einen Ausrückhebel 19 mit einem Hubmagneten 35 gekoppelt, vorzugsweise verschraubt, ist. 6o Wenn der Hubmagnet 35 aufgrund externer elektronischer Ansteuerung anzieht, dann schwenkt der Ausrückhebel 19 das der Klinke 6 abgewandte Ende des Klinkenhebels 20 in Figur 1 nach oben, wodurch die Klinke 6 in Figur 1 gegen den Uhrzeigersinn verschwenkt wird. Die Rolle 60 gleitet dabei 65 vom Auslösebalken 213 runter, so dass dieser unter der Wirkung der Zugfedern 28 nach oben schnellen kann. In einer Ausführung der Erfindung erfolgt die Ansteuerung des Hubmagneten 35 bei plötzlichem Druckabfall innerhalb von

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5 msec. Da alle zum Schliessen der Klappe erforderlichen Teile innerhalb des Gehäuses 1 und damit nahe dem Ventilsitz 12 liegen und da ausserdem nur geringe Stellwege zurückzulegen sind, verschliesst die Klappe 21 den Ventilsitz 112 innerhalb von etwa 5 msec nach der Ansteuerung durch den Hubmagneten 35. Dies ergibt eine gesamte Schliesszeit von etwa 10 msec, so dass in Strahlrichtung hinter dem Ventilsitz 112 lediglich ein etwa 10 m langes Strahlführungs- oder Verzögerungsrohr erforderlich ist.

Figur 2 zeigt das Schnellschluss-Klappenventil in teilweise geschnittener Draufsicht, wobei im unteren Teil der Figur die Ventilklappe 21 weggeschnitten ist. Dabei sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1 versehen. In dieser Ausführung sind insbesondere das Joch 56 und die Lagerung der Schwenkachse 24 in den Ständern 27 deutlich zu erkennen. Ferner erkennt man die Grundrissform der Grundplatte 5, die im wesentlichen dreieckförmig ist. Im Bereich der Klin-kenhalterung ist der Aufzughebel 4 unterbrochen dargestellt, umdie seitliche Anbringimg der Klinke 6 am Klinkenständer 58 erkennen zu lassen. Die Klinke 6 ist bezüglich der Zugfedern 28 mittig angeordnet.

Figur 2 zeigt ausserdem eine Anordnung von Schaltkontakten 7, die bei geöffneter Klappe 21 vom Auslösebalken 213

geschlossen sind und über eine aus dem Gehäuse 1 nach aussen geführte Stromdurchführung 38 das Öffnen des Klappenventils und damit die Freigabe des optischen Weges anzeigen. Obgleich in der zuvor beschriebenen Ausführung der Hubma-5 gnet 35 ebenso wie der Pneumatikzylinder 31 am Gehäuse 1 montiert sind, ist es klar, dass sowohl der Hubmagnet als auch der Pneumatikzylinder getrennt vom Gehäuse montiert sein können. Es ist dem Fachmann ferner klar, auf welche Weise der Hubmagnet und der Pneumatikzylinder am Ge-io häuse anzubringen oder getrennt von diesem zu montieren sind.

Das Ausführungsbeispiel zeigt zwar einen ebenen Ventilsitz aus Edelstahl mit ebenfalls geschliffenem, starrem Ventilteller aus Metall, die gemäss durchgeführter Versuche eine 15 hinreichende Dichtung mit einer Leckrate von etwa 1 mbar.l/ sec Hefern. Es ist allerdings klar, dass auch ein Ventil mit mindestens einem weichen Teil, also Ventilsitz oder Ventilklappe, eine wesentUch bessere Dichtung zulässt. Als weiches Material sind organische Dichtungen,beispielsweise übHche Rund-20 schnurringe, verwendbar, die entweder in den Ventilsitz oder in die Klappe einzulegen sind. Ein derartiges Ventil ist allerdings nicht ausheizbar. Hingegen lassen sich damit Leckraten bis zu 10"9 mbar.l/sec erreichen.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

650 844 PATENTANSPRÜCHE

1. Schnellschluss-Klappenventil für Hochvakuum- oder Ultrahochvakuumbetrieb, insbesondere zum Absperren grosser Nenndurchmesser in der Grössenordnung von 100 mm, mit

- einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse (1),

- einem im Gehäuse (1) vorgesehenen, die Gehäuselängsachse (11) umgebenden Ventilsitz (112), dessen Querschnitt der Strahlform eines zu unterbrechenden Strahls angepasst ist,

- einer um eine ausserhalb der Verschlussteile (21,112) des Ventils angeordnete Schwenkachse (24) verschwenkbaren und unter der Wirkung von mindestens einer Feder (28) auf den Ventilsitz (112) bewegbaren Klappe (21),

- einem aus dem Gehäuse (1) vakuumdicht herausgeführten Klinkenhebel (20),

- einer mit dem Klinkenhebel (20) verbundenen und zur Verriegelung der geöffneten Klappe (21) dienenden Klinke (6),

- einem die Klinke (6) innerhalb von weniger als 20 ms aus dem Eingriff mit der Klappe (21) lösenden Hubmagneten (35),

- und einer die genannte Feder (28) einschliessenden Spanneinrichtung (4,31) zum Vorspannen der Klappe (21) in geöffnetem Zustand, welche Spanneinrichtung über mindestens einen Winkelhebel (210,211,212) auf die Klappe (21) wirkt und einen vakuumdicht aus dem Gehäuse (1) herausgeführten verschwenkbaren Aufzughebel (4) aufweist,

dadurch gekennzeichnet,

- dass die Ebene des Ventilsitzes (112) unter einem Anstellwinkel zum Boden (10) des Gehäuses (1) geneigt angeordnet ist,

- dass die Feder eine Zugfeder (28) ist, die im Bereich des freien Endes (211) des Winkelhebels (210,211,212) angreift und an einem innerhalb des Gehäuses (1) am Aufzughebel (4) befestigten Joch (56) eingehängt ist,

- und dass zwischen der Klappe (21) und dem an der Schwenkachse (24) angelenkten Schenkel (212) des Winkelhebels (210,211,212) Druckfedern (23) vorgesehen sind, die ein Wiederöffnen des Ventils durch Prellen der Klappe (21) verhindern.

2. Klappenventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel der Ebene des Ventilsitzes (112) gegenüber dem Gehäuseboden (10) 45° beträgt.

3. Klappenventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (112) als harter Partner beispielsweise aus Edelstahl und die Klappe (21) als weicher Partner beispielsweise aus einer Titanlegierung bestehen.

4. Klappenventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (112) als weicher Partner und die Klappe (21) als harter Partner ausgeführt sind.

5. Klappenventil nach Anspruch 1 oder 2 in nicht ausheizbarer Ausführung, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (112) oder die Klappe (21) mit einer Dichtung aus einem organischen Werkstoff, vorzugsweise mit einem Rundschnurring, versehen ist.

6. Klappenventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das ausserhalb des Gehäuses (1) liegende Ende des Aufzughebels (4) mittels eines Pneumatikzylinders (31) verschwenkbar ist.

7. Klappenventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Klinke (6) an ihrem freien Ende eine Rolle (60) trägt, die sich bei geöffneter Klappe (21) auf einem Auslösebalken (213) abstützt, welcher die freien Enden (211) von zwei Winkelhebeln (210,211,212) miteinander verbindet, um die Klappe (21) in der geöffneten Stellung zu verriegeln.

8. Klappenventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung des freien Endes oder der freien Enden (211) des oder der Winkelhebel(s) (210, 211,212) und der Klinke (6) über einen Ständer (27; 58) aufweisende, auf dem Gehäuseboden (10) hegende Grundplatte 5 (5) erfolgt.