Die vorliegende Erfindung betrifft ein Vakuumventil.
Sowohl bei Vakuumventilen mit einem eine Ventilstange mit einem Ventilteller umfassenden Schliess- bzw. \ffnungsorgan, wie auch bei Schieberventilen, bei denen, in der Ebene der ventiltechnisch zu beherrschenden \ffnung, ein Schieber bewegt wird, ist es üblich, die \ffnungsbewegung mittels fernbedienbarer Antriebsorgane, wie mittels pneumatischer, hydraulischer, elektromagnetischer, anzutreiben, hingegen die Schliessbewegung federgetrieben, derart, dass z.B. bei Ausfall der Energieversorgung das Ventil in die sichere Schliessposition übergeführt wird.
Dabei muss die Schliessfeder so dimensioniert sein, dass die erforderliche Ventilsitz-Dichtkraft erzeugt wird, sei dies entlang einer z.B. kreisförmigen Dichtungspartie um die Ventilsitzöffnung, sei dies gegen eine linienförmige Dichtungspartie bei Schieberventilen, und, insbesondere in ersterwähntem Fall, zusätzliche differenzdruckabhängige Kräfte, die in \ffnungsrichtung wirken, aufgenommen werden.
In Fig. 1 ist am Beispiel eines schematisch dargestellten Ventils, insbesondere Vakuumventils, mit Ventilstange 1 und Ventilteller 3, ein bekanntes Ventil mit Schliessfeder 5 und gegen die Kraft der Schliessfeder 5 wirkendem \ffnungsantrieb 7 dargestellt. Im weiteren bezeichnet 9 den hier ringförmigen Dichtungsbereich, 11 einen bei Vakuumanwendungen vorzusehenden metallischen Balg, welcher Antrieb 7 und insbesondere Schliessfeder 5 gegen die durch das Ventil zu öffnende bzw. zu schliessende Vakuumverbindung V kapselt.
Mechanische Federn weisen immer eine mit zunehmendem Kompressionsweg steigende Rückstellkraft auf.
Dies ergibt, wie in Fig. 1 rechts dargestellt, eine mit zunehmendem Ventiltellerhub x zunehmende, in Schliessrichtung wirkende Federkraft. Bei x = 0, d.h. geschlossenem Ventil, wirkt die Feder mit der Schliesskraft F, entsprechend der erforderlichen Dichtkraft. Obwohl Ventilschliessfedern üblicherweise eine relativ flache Kennlinie aufweisen, soweit es die Einbauverhältnisse zulassen, nimmt die in Schliessrichtung wirkende Federkraft auf den Ventilteller 3 beim üblichen Arbeitshub s auf einen Wert F2 zu, der üblicherweise ca. 20% bis 30% höher ist als die Federkraft F1 in Schliessposition, welche die erforderliche Dichtkraft im Dichtungsbereich 9 sicherstellt.
Damit müssen die \ffnungsantriebe 7 auf die Kraft F2 ausgelegt werden, obwohl als funktionswesentliche Wirkkraft nur die Federkraft bei x = 0, d.h. F1, benötigt würde. Dies führt zu grösser bauenden, höhere Leistungen aufnehmenden Antriebseinheiten 7 und damit Ventilen.
Ist die Antriebseinheit 7 als elektromagnetische Einheit ausgebildet, so ist weiter zu berücksichtigen, dass der Antriebsstrom quadratisch mit der auszuübenden Kraft zunimmt, d.h. quadratisch zur Differenz (F2-F1).
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, an einem Ventil eingangs genannter Art, insbesondere an einem Vakuumventil, den genannten Nachteil zu beheben.
Dies wird erreicht durch dessen Ausbildung nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1.
Dadurch, dass mit der Ventilsitzöffnung einerseits, mit dem Schliess- bzw. \ffnungsorgan anderseits je mindestens in einer Komponente senkrecht zur Schliessbewegungsrichtung des Organs auskragend sich gegenüberliegende Flächen verbunden sind, welche einen von einem Magnetfeld einer Magnetanordnung durchfluteten, in Schliessposition minimalen Luftspalt aufspannen, wird eine Magnetkraft in Schliessbewegungsrichtung erzeugt, welche, aufgrund des in Schliessposition minimal werdenden Luftspaltes, dort maximal wird, hingegen bei \ffnen des Ventils abnimmt.
Es wird damit erreicht, dass die Antriebseinheit, sei dies eine elektromagnetische, eine pneumatische oder hydraulische, für das \ffnen des Ventils kleiner gebaut werden kann, indem eine solche Einheit für geringere Leistungsaufnahme oder für geringere Antriebsmediumsdrucke ausgelegt werden kann. Sie muss lediglich auf die maximale Gegenkraft, die magnetische Dichtkraft, ausgelegt werden.
Weiterhin bleibt die Selbstschliessungsfunktion erhalten, indem die Magnetkraft bei Ausfall der Antriebsenergie das Ventil weiterhin schliesst.
Weil zudem bekannte Schliessfedern relativ lang sind, ergibt sich beim Ventil gemäss vorliegender Erfindung eine kürzere Bauweise. Auch Ausfälle, wie durch Federbruch bei bekannten schliessfedergetriebenen Ventilen, fallen ausser Betracht, weil die Magnetkraft praktisch unstörbar zur Verfügung steht. Dadurch, dass weiter die feldbedingte Magnetkraft als entlang dem Luftspalt verteilte Kraft auftritt, ergibt sich eine optimale Verteilung des Dichtdruckes an der Dichtungspartie. Im Unterschied zu einer Schliessfeder erreicht weiter die Magnetkraft ihr Maximum bei minimalem Luftspalt, d.h. in geschlossener Ventilposition.
Die baulichen Krafterzeugungsor gane, d.h. insbesondere der Luftspalt, können entlang der Bewegungsbahn des Schliess- bzw. \ffnungsorgans irgendwo vorgesehen werden, was hohe Flexibilität bezüglich des Ventilaufbaues und der Applikation des erfindungsgemässen Vorgehens an bestehenden Ventilkonstruktionen ermöglicht.
Die Magnetkraft kann mithin z.B. direkt auf den Ventilteller wirken, indem an ihm oder am Ventilsitz eine Permanent- und/oder Elektromagnetanordnung vorgesehen wird und, entsprechend, der Gegenpart aus weichmagnetischem Material ausgebildet wird. Auch entlang einer Ventilstange oder, bei einem Schieberventil entlang der seitlichen Schieberführungen, kann die Magnet/Luftspaltanordnung vorgesehen werden.
Bevorzugte Ausführungsvarianten des erfindungsgemässen Ventils, insbesondere Vakuumventils, sind in den Ansprüchen 2 bis 7 spezifiziert.
Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert.
Es zeigen:
Fig. 2 schematisch das Grundprinzip eines erfindungsgemässen Ventils;
Fig. 3 ausgehend vom Grundprinzip gemäss Fig. 2, eine bevorzugte Ausführungsvariante eines erfindungsgemässen Ventils, bei dem der Schliesshub bis vor Erreichen der Schliessposition federgetrieben durchlaufen wird;
Fig. 4 ausgehend vom Grundprinzip gemäss Fig. 2, gegebenenfalls auch ausgebildet gemäss Fig. 3, das bevor zugte Vorsehen einer Bewegungsdämpfung für das Schliess- bzw. \ffnungsorgan des Ventils, um Prellen zu verhindern;
Fig. 5 eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemässen Ventils, in Darstellung analog zu den Fig. 2 bis 4, bei der die Schliesskraft und damit auch Dichtkraft in Funktion des Hubes gesteuert wird;
Fig. 6 teilweise geschnitten, eine heute bevorzugte Ausführungsvariante eines erfindungsgemässen Ventils.
Die Erfindung soll vorerst, anhand der Fig. 2 bis 5, nach ihrem Grundprinzip erläutert werden.
Daraus ergibt sich für den Fachmann eine grosse Zahl verschiedener Realisationsmöglichkeiten, wovon eine heute realisierte anhand von Fig. 6 vorgestellt werden soll.
Gemäss der schematischen Funktionsdarstellung von Fig. 2 umfasst ein Ventil grundsätzlich ein ortsfestes Bezugssystem, üblicherweise ein Gehäuse 10, mit einem Dichtungsbereich 12, wogegen ein \ffnungs- bzw. Schliessorgan 14, wie mit dem Doppelpfeil K dargestellt, mit seinem organseitigen Dichtungsbereich 17 getrieben wird.
Die Antriebsanordnung zum Bewegen des Schliess- bzw. \ffnungsorgans 14, insbesondere in geöffnete Position, bei welcher es sich um eine elektromagnetische, pneumatische oder hydraulische Antriebseinheit handeln kann, ist in den Fig. 2 bis 5 nicht dargestellt.
Am ortsfesten Gehäuse 10 einerseits und am bewegten Schliess- bzw. \ffnungsorgan 14 anderseits sind je eine Fläche 16o und 16u vorgesehen, welche zwischen sich, in Bewegungsrichtung K betrachtet, einen Luftspalt L aufspannen. Die Flächen 16 sind mindestens in einer Komponente senkrecht zur Richtung K angeordnet, können, wie dargestellt, diesbezüglich senkrecht stehen oder je nach erwünschter Luftspaltauslegung gegebenenfalls gewölbt ausgebildet sein. Die sich gegenüberliegenden Flächen werden durch ein Magnetfeld H, vorzugsweise, aber nicht zwingend, ein statisches, durchflutet. Das das Magnetfeld H erzeugende Magnetsystem 18 ist, wie gestrichelt dargestellt, entweder bewegungsgekoppelt mit dem Organ 14 oder mit dem ortsfesten Gehäuse 10 gekoppelt.
Die magnetfeld-H-durchdrungenen Flächen 16o, 16u werden entweder durch das Magnetsystem 18 selbst definiert oder sind aus weichmagnetischem Material, derart, dass das Organ 14 mit der Magnetkraft F gegen den Dichtungsbereich 12 getrieben wird.
Das Magnetsystem 18 besteht bevorzugterweise aus einer Permanentmagnetanordnung, kann aber auch aus einer Elektromagnetanordnung bestehen oder kann aus der Kombination von Permanent- und Elektromagneten bestehen.
Wird, in Analogie zu Fig. 1, ausgehend von der Schliessposition, der Hub des Organs 14 mit x bezeichnet, so ergibt sich für die Schliesskraft F, ausgehend von der Schliessposition bei x = 0, die in Fig. 2 qualitativ dargestellte, abnehmende Charakteristik.
Nun kann es durchaus möglich sein, das Organ 14 über den gesamten Schliesshub, d.h. von \ffnungsposition bei x = P bis in Schliessposition bei x = 0, mittels des Magnetsystems 18 als Antriebsorgan anzutreiben. In vielen Fällen ist es aber einfacher, das erfindungsgemäss vorgesehene Magnetsystem, insbesondere auch aus konstruktiven Gründen, nur im Annäherungsbereich des Organs 14 an seine Schliessposition zur Wir kung kommen zu lassen.
Zu diesem Zweck wird gemäss Fig. 3, welche der Darstellung gemäss Fig. 2 entspricht und worin dieselben Positionszeichen verwendet sind, vorgeschlagen, auf das Organ 14 eine gehäuse-10-seitige, widergelagerte Schliessfeder 20 wirken zu lassen, welche aber lediglich die Aufgabe hat, die Reibung zwischen Organ 14 und stationärem Gehäuse 10 zu überwinden und das Organ in einen vorgegebenen Annäherungsbereich an den Dichtungsbereich 12 zu treiben, wo dann das erfindungsgemäss vorgesehene Magnetsystem 18 die Restschliessung und die Sicherstellung der Dichtkraft übernimmt.
Wie bereits jetzt aus den Erläuterungen zu Fig. 2 und 3 ersichtlich, kann die konstruktive Anordnung der Flächen 16o bzw. 16u, je nach Ventilaufbau, in weiten Grenzen am Organ 14 bzw. gehäuse-10-seitig frei gewählt werden. So können beispielsweise diese beiden Flächen direkt durch einen Ventilteller, 16o, und einen Ventilsitz, 16u, gebildet werden.
Wie aus dem prinzipiell dargestellten Schliesskraftverlauf in Fig. 2 ersichtlich, wird durch die Magnetkraft F das Organ 14 zunehmend gegen den Dichtungsbereich 12 hin beschleunigt. Um nun zu vermeiden, dass das Organ 14 bei Erreichen seiner Schliessposition (x = 0) prellt, wird gemäss Fig. 4, weiche wiederum der Darstellung gemäss den Fig. 2 und 3 entspricht, vorgeschlagen, ein Dämpfungsfederorgan 22 vorzusehen, welches einerseits am Organ 14 wirkt und anderseits gehäuseseitig widergelagert ist. Dadurch wird, am qualitativen Verlauf von Fig. 2 gestrichelt dargestellt, eine Dämpfung der progressiv beschleunigten Bewegung des Organs 14 im Annäherungsbereich an den Dichtungsbereich 12 erreicht, so dass Prellen vermieden wird.
Als Dämpfungsfederorgan 22 kann dabei in einer bevorzugten Ausführungsform direkt die Elastizität am Dichtungsbereich 12 und/oder am organseitigen Dichtungsbereich 17 vorgesehener elastischer Dichtungsorgane, wie von O-Ring-Dichtungen, ausgenützt werden, gegen deren Elastizität die Magnetschliesskraft F im letzten Annäherungsbereich an die Dichtposition arbeitet.
In Fig. 4 ist eine Ausführungsvariante dargestellt worden, wie mittels eines Federorgans die magnetbewirkte Schliesskraft F insbesondere im Annäherungsbereich des Organs 14 an den Dichtungsbereich 12 in Abweichung von der Magnetkraftcharakteristik optimal angepasst werden kann, d.h. eine Schliesskraftdämpfung vorgenommen wird in Funktion des Hubes x.
Gemäss Fig. 5 kann dies im Weiteren auch durch Ausnützung einer Permanent/Elektromagnetanordnung 18a in noch weit flexiblerem Masse realisiert werden. Hierzu wird ein Hubdetektor 24 vorgesehen, dessen Ausgangssignal s(x) abhängig vom Hub x des Organs 14 ist. Das Ausgangssignal s(x) des Detektors 24 wird linear oder nicht linear an einer Aufbereitungseinheit 26 verstärkt und steuert den Elektromagnetstrom I der an der Einheit 18a vorgesehenen Elektromagnete an. Beim Detektor 24 kann es sich dabei in höchst einfacher Art und Weise um eine elektrische Schaltstrecke handeln, welche bei Annäherung des Organs 14 an den Dichtungsbereich 12 schliesst und ab dann die Elektromagnetanordnung unter Strom setzt.
Eine solche Schaltstrecke lässt sich beispielsweise ohne weiteres im Schliessungsbereich des Organs 14 realisieren, beispielsweise durch Ausnützung des Organs 14 selbst als elektrische Schaltstrecke, um die Elektromagnet-Teilanordnung oder -Anordnung an der Einheit 18a zu aktivieren.
In Fig. 6 ist ein heute bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Ventils in Form eines Vakuumventils dargestellt. Auf der Teil des \ffnungs- bzw. Schliessungsorgans 14 gemäss den Fig. 2 bis 4 bildenden Ventilstange 14a ist ein Anker 30 axial verschieblich gelagert, der durch das Feld einer Spulenanordnung 32 angetrieben wird. Der Anker 30 wirkt in \ffnungsrichtung auf eine Schulter 14b an der Ventilstange 14a, um letztere hochzuheben, und ist verkantbar an der Ventilstange 14a gelagert, wozu seine Bohrung 30b gegenüber dem durchmesserverringerten Abschnitt der Ventilstange 14a Spiel aufweist. Damit kann sich, in \ffnungsposition des Ventils, der Anker 30 mit seiner oberen Stirnfläche plan an die ortsfeste Gegenfläche 30c legen.
Der gleichzeitig als Dämpfungskolben wirkende Anker 30 gleitet mittels Dichtungen 34 dichtend an einer Zylinderbohrung 43 und definiert darin, je nach seiner Position, Zylinderkammern 34o und 34u.
Eine erste Ein/Ausströmleitung 36u mündet in die untere Kammer 34u ein, eine weitere Ein/Ausströmleitung 36o in die obere 34o. Als Strömungsstellglieder sind in die Ein/Ausströmleitungen 36 Filter wählbarer Strömungsleitwerte eingesetzt. Sie sind auswechselbar. Wie gestrichelt bei 38 dargestellt, ist, zusätzlich oder anstelle der Leitungen 36, im Anker 30 eine Überströmleitung eingearbeitet, worin ein Filter gegebenen Strömungsleitwertes, vorzugsweise auswechselbar, eingebaut ist.
Die Kolbenstange 14a wirkt auf einen Ventilteller 40, an welchen sich eine Schliessfeder 42 abstützt, welche gehäuseseitig widergelagert ist. Der Ventilteller 40, ebenfalls Teil des Schliess- bzw. \ffnungsorgans 14 gemäss den Fig. 2 bis 4, schliesst bzw. öffnet eine Verbindung zwischen Leitungen 44 und 46 eines Vakuumsystems, das mittels eines Metallbalges 48 gegenüber der Ventilstange 14a mit Schliessfeder 42 und Dämpfungseinheit/Antriebseinheit gekapselt ist.
Im Dichtungsbereich um die zu schliessende \ffnung der Leitung 44 ist ein Permanentmagnetring 50 eingelassen. Dies entspricht gemäss den Darstellungen von Fig. 2 bis 4 dem Fall, wo die Magnetanordnung 18 mit dem Gehäuse 10 verbunden ist. Der Ventilteller 40 ist z.B. aus Weicheisen, so dass er durch den Magnetring 50 auf den Ventilsitz gezogen wird. Um im Sinne der Ausführungen zu Fig. 4 ein Prellen zu verhindern, ist eine ohnehin vorzusehende Dichtung 52, sei dies, wie dargestellt, am Ventilteller oder am Ventilsitz oder kombiniert, so ausgebildet, dass in der Schliessendphase der Ventiltellerbewegung die Magnetkraft des Magnets 50 erst komprimierend gegen die Elastizität der Dichtungsanordnung 52 arbeiten muss, wodurch Prellen verhindert wird.
Es ist selbstverständlich ohne weiteres möglich, die Magnetanordnung am Ventilteller vorzusehen oder gar in Schliessrichtung wirkende Magnetanordnungen, sowohl gehäuseseitig wie auch ventilstangen/ventiltellerseitig, sie dabei aus Permanent- und/oder Elektromagneten aufzubauen und/oder die Magnetanordnung zur Schliesskrafterzeugung entlang der Ventilstange 14a irgendwo, wo sich dies konstruktiv am einfachsten realisieren lässt, zu platzieren.
So wäre es bei der Ausführungsvariante von Fig. 6 ohne weiteres möglich, die Magnetanordnung am Anker 30, wie gestrichelt bei 50a dargestellt, vorzusehen, dabei aber den Anker 30 auch in Schliessrichtung gegen einen Anschlag an der Ventilstange 14a zur Wirkung zu bringen.
Die Schliessfeder 42 wirkt nur mit geringer Kraft auf den Ventilteller 40, lediglich um den Ventilteller in den Annäherungsbereich an den Magnetring 50 zu bringen und dabei Reibungen zu überwinden. Die eigentliche dichtende Schliessung erfolgt, mindestens vornehmlich, durch Wirkung des Magnets 50 auf den Ventilteller 40.