DE10062789B4 - Membrandruckregler mit Kunststoffkörper - Google Patents

Abstract

Druckregler, gekennzeichnet durch eine Kunststoffmembran (12), einen Kunststoffgrundkörper (1) und nichtmetallische Oberflächen im gesamten gasberührten Bereich des Druckreglers.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Membrandruckregler für Gase und die Verwendung eines Kunststoffgrundkörpers und bei einem Membrandruckregler.
• Herkömmliche Druckregler werden beispielsweise in "Gase-Handbuch", 3. Auflage, Messer Griesheim GmbH 1989, S. 47–49 beschrieben.
• Der Betrieb eines metallischen Druckreglers mit korrosiven Gasen wie Chlorwasserstoff, Bromwasserstoff, Chlor, Ammoniak, Wolframhexafluorid oder Gasgemische mit einer reaktiven Komponente ist bei Reinstgasanwendungen sehr problematisch, da eine Verunreinigung oder Kontamination mit Metallionen, die vom Werkstoff des Druckreglers stammen, im Gasanwendungsbereich in vielen Fällen unbedingt vermieden werden muß. Dies trifft insbesondere für den Gaseinsatz bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen zu.
• In der DE 40 10 173 A1 , der EP 0 169 309 A2 und der DE 195 16 890 A1 sind Druckregler mit Kunststoffgehäuseteilen beschrieben. Die Druckregler weisen jedoch keine Vorkehrungen zur Vermeidung einer Kontamination mit Metallionen auf.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen korrosionsbeständigen Druckregler für Gase bereitzustellen.
• Gelöst wurde die Aufgabe durch einen Druckregler mit den in Anspruch 1 beschriebenen Merkmalen.
• Der Druckregler weist einen Grundkörper (Gehäusekörper) aus Kunststoff (Kunststoffgrundkörper) auf. Als Kunststoff werden beispielsweise Polyolefin, Fluorpolymer, Polyacetal, Polyester oder Polyamid, z. B. Polypropylen (PP), Polyetheretherketon (PEEK), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polytetrafluorethylen (PTFE). Als Kunststoffwerkstoff werden thermoplastische Kunststoffe wie technische Kunststoffe oder chemikalienresistente Kunststoffe, insbesondere Hochleistungskunststoffe, bevorzugt eingesetzt. Der Kunststoffgrundkörper besteht vorzugsweise aus einem Teil, kann aber auch aus mehreren, auch aus unterschiedlichem Material bestehenden Teilen zusammengesetzt werden.
• Der Kunststoffgrundkörper enthält einen eingehenden und einen ausgehenden Gaskanal. Beide Gaskanäle sind mit dem an die Memran angrenzenden Raum verbunden, der als Ventilraum bezeichnet wird. Der Ventilraum wird im allgemeinen im unteren Bereich von dem Kunststoffgrundkörper und im oberen Bereich von einer Kunststoffmembran begrenzt.
• Der Druckregler weist eine Kunststoffmembran auf, die den gasberührten Raum von dem nicht gasberührten Raum abtrennt und das Steuerelement des Druckreglers bildet.
• Die Membran ist in der Regel scheibenförmig, insbesondere kreisrund. In mechanisch unverformtem Zustand ist die Membran vorzugsweise auf der dem Ventilraum zugewandten Seite im wesentlichen flach. Die Membran besteht teilweise oder vollständig aus einem Kunststoff, der in der Regel elastisch ist. Der Kunststoff ist vorzugsweise ein Elastomer wie Gummi oder synthetischer Kautschuk. Synthetische Kautschuke sind beispielsweise ACM, ANM, CM, CFM, CSM, EPDM, EPM, EVA, FPM, IM, CO, ECO, PO, ABR, BR, CR, IIR, IR, NBR, NCR, NR, PBR, SBR, SCR, SIR, T, FSi, PSi, PVSi, Si, VSi, AFMU, AU und EU. Die Bedeutung der Abkürzungen für synthetische Kautschuke sind in "Hans Domining, "Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften", VDI-Verlag, Düsseldorf, 1976", S. 5 und 6, erläutert, worauf hiermit bezug genommen wird. Besonders bevorzugt als Kunststoff sind Fluorelastomere und chlorhaltige Elastomere.
• Die Membran weist vorzugsweise einen Stützkörper, insbesondere ein Einlegeteil, auf. Der Stützkörper besteht aus Kunststoff, Keramik oder Metall (z.B. Stahl, Aluminium oder Messing), vorzugsweise aus einem chemisch resistenten Kunststoff wie PEEK, PVDF oder PP. Vorteilhaft wird der Stützkörper teilweise oder vollständig, vorzugsweise im unteren Bereich des Stützkörpers, bei der Herstellung der Membran in der Membran verankert, z.B. durch Einvulkanisieren des entsprechenden Teiles des Stützkörpers.
• Die Membran dient als Steuerelement, wofür Membranmaterialeigenschaften bevorzugt werden, die einen Kompromis zwischen mechanischer Festigkeit und Elastizität darstellen und gleichzeitig eine Korrosionsbeständigkeit gegeben ist. Die Membran weist beispielsweise eine Dicke im Bereich von 1 bis 3 mm auf.
• Die Membran weist vorteilhaft einen Dichtrand auf, der als Dichtelement zwischen Membran und Kunststoffgrundkörper dient. Vorzugsweise ist der Dichtrand auf dem Rand der zum Ventilraum gerichteten Seite der Membran angeordnet. Der Dichtrand ist vorteilhaft wulstförmig oder gerundet (z. B. halbrund). Zur Aufnahme des Dichtrandes der Membran weist die der Membran gegenüberliegende Seite des Kunststoffgrundkörpers vorteilhaft eine umlaufende Vertiefung (z. B. Nut oder Rille) im Bereich des Ventilraumrandes auf.
• Schließfeder und Regelkonus sind in einem Hohlraum im Kunststoffgrundkörper angeordnet. Der Hohlraum ist mit dem eingehenden Gaskanal und dem Ventilraum verbunden. Der Hohlraum wird in der Regel an einer Seite von einem Kunststoffverschlußteil verschlossen. Das Kunststoffverschlußteil besteht vorzugsweise aus dem gleichen Kunststoff wie der Grundkörper. Die Schließfeder und der Regelkonus bestehen vorzugsweise aus Metall, besonders bevorzugt Edelstahl, und sind Kunststoffbeschichtet. Die Kunststoffbeschichtung besteht vorzugsweise aus fluorhaltigen Kunststoffen wie PTFE, PFA oder Tetrafluorethylen-Copolymer (z.B. PFEB). Der Regelkonus kann auch aus Kunststoff, z.B. PEEK. oder Keramik bestehen. Alle gasberührten Oberflächen bestehen somit aus Kunststoff oder einem nichtmetallischen Werkstoff.
• Die Stellfeder drückt auf den Membranstützkörper. Das Oberteil des Druckreglers umfaßt Stellfeder, Kopfschraube und Einstellhandrad. Vorteilhaft wird das Oberteil eines gebräuchlichen Druckreglers mit der Kunststoffmembran und dem Kunststoffgrundkörper kombiniert. Auf diese Weise können außerhalb des gasberührten Bereiches metallische Bauteile, insbesondere konventionelle Bauteile, eingesetzt werden, die in der Regel günstigere mechanische/federelastische Eigenschaften (z.B. eine höhere Stabilität) als Kunststoffteile aufweisen. Im gasberührten Bereich des Druck reglers kommt das Gas nur mit nichtmetallischen Teilen oder Oberflächen in Berührung.
• Mit den beschriebenen Druckreglern mit Kunststoffgrundkörper lassen sich Druckregler für den Hochdruckbereich (z. B. mit einem Vordruck größer als 50 bar, z.B. 300 bar) realisieren.
• Die Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert.
• 1 zeigt ein Schema einen Druckregler gemäß der Erfindung im Querschnitt.
• Das in 1 gezeigte Beispiel eines Druckreglers gemäß der Erfindung weist einen Grundkörper 1 aus Kunststoff auf, der den eingehenden Gaskanal 2 und den ausgehenden Gaskanal 3 (Auslaßkanal) enthält. Grundkörper 1 enthält einen zentralen Hohlraum 4 (vorzugsweise in der Längsachse A-A), der mit dem Gaskanal 2 und dem Ventilraum 10 verbunden ist und mit einem Verschlußteil 9 (z.B. Schraubteil) verschlossen ist. In dem Hohlraum 4 ist der Regelkonus 6 und die Schließfeder 8 angeordnet. Der Regelkonus 6 weist die stiftartigen Fortsätze 5 und 7 auf, die den Regelkonus führen. Der Kunststoffkörper 1 und das Verschlußteil 9 sind z. B. aus PP, PEEK, PVDF oder PTFE. Die Auswahl des Kunststoffes hängt ab von der gewünschten chemischen Resistenz und dem vorgesehenen Gasdruck. Die Kunststoffmembran 12 ist vorzugsweise scheibenförmig und enthält einen Dichtrand, der von der Vertiefung 7 (Dichtrille oder Nut) aufgenommen wird. Die Membran 12 wird an deren Rand zwischen Kunststoffkörper 1 und Zwischenring 13 mittels der Kopfschraube 16 eingespannt. Vorteilhaft wird die Membran 12 über eine definierte Toleranz (Höhe) des Stegs im Ventilkörper 1 und der Höhe (Dicke) der Membran 12 definiert vorgepreßt, ohne daß dabei der Werkstoff der Membran übermäßig beansprucht oder zum Fließen gebracht wird. Auf diese Weise wird eine dauerelastische Abdichtung der Membran erreicht mit beständiger Rückstellkraft.
• Die Membran besteht vorzugsweise aus einem synthetischen Kautschuk wie EPDM oder einem Fluorelastomer. Die Membran 12 umgibt den unteren Teil des Membranstützkörpers 14. Der Membranstützkörper 14 wird bei der Herstellung der Membran mit dem Unterteil in das Membranmaterial integriert, z. B. einvulkanisiert. Das obere Teil des Membranstützkörpers 14 dient als Auflage für die Stellfeder 15. Der Membranstützkörper 14 besteht aus Metall (z. B. Edelstahl) oder vorzugsweise Kunststoff (z.B. PEEK, PVDF, PP). Die von der Stellfeder 15 ausgehende Kraft wird mit dem Handstellrad 17 eingestellt. Das Oberteil des Druckreglers mit Kopfschraube 16, Stellfeder 15 und Handstellrad 17 entspricht vorteilhaft herkömmlichen Druckreglern mit metallischen Teilen außerhalb des gasberührten Raumes.
• Zur Montage der Regeleinheit mit Regelkonus 6 und Schließfeder 8 wird das Verschlußteil 9 geöffnet und der Regelkonus 6 und die Schließfeder 8 in den Hohlraum 4 eingeführt. Der Gasraum des Hohlraumes 4 ist über einen Gaskanal mit dem Ventilraum 10 verbunden. Durch diesen Gaskanal wird der Fortsatz 7 ("Stößel") des Regelkonus 6 geführt. Der Fortsatz 7 wird in eine zentrale Öffnung an der Unterseite des Membranstützkörpers 14 gedrückt. Der stiftförmige Fortsatz 5 des Regelkonus 6 wird in einer zylindrischen Öffnung im Verschlußteil 9 geführt. Diese zylindrische Öffnung ist in der Länge so bemessen, daß der Regelkonus 6 eine Auf- und Ab-Bewegung zur Regelung des Gasdruckes durchführen kann.
• Die Schließfeder wie auch der Regelkonus 6 mit den stiftartigen Fortsätzen 5 und 7 bestehen vorzugsweise aus Metall, insbesondere Edelstahl, und sind kunststoffbeschichtet (z. B. PTFE- oder thermoplastische Fluorpolymer-Beschichtung).
• Der gasberührte Raum (Gaskanäle 2 und 3 und der Ventilraum) enthält in dem Druckregler gemäß der Erfindung keine metallischen Oberflächen. Das Gas kommt nur mit Kunststoffoberflächen in Berührung. Eine Kontamination des Gases mit Metallionen wird dadurch verhindert.

1

Kunststoffgrundkörper

2

eingehender Gaskanal

3

ausgehender Gaskanal

4

Hohlraum

5

stiftförmiger Fortsatz des Regelkonus

6

Regelkonus

7

stiftförmiger Fortsatz des Regelkonus

8

Schließfeder

9

Verschlußteil

10

Ventilraum

11

umlaufende Vertiefung zur Aufnahme des Dichtrandes der Membran

12

Membran

13

Zwischenring

14

Membranstützkörper

15

Stellfeder

16

Kopfverschraubung

17

Einstell-Handrad

Claims (7)

1. Druckregler, gekennzeichnet durch eine Kunststoffmembran (12), einen Kunststoffgrundkörper (1) und nichtmetallische Oberflächen im gesamten gasberührten Bereich des Druckreglers.
2. Druckregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Kunststoffgrundkörper (1) angeordnete Metallteile (5–7, 8) kunststoffbeschichtet sind.
3. Druckregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffgrundkörper (1) eine umlaufende Vertiefung (11) zur Aufnahme eines Membran-Dichtelementes aufweist.
4. Druckregler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffmembran (12) einen Membranstützkörper (14) aufweist.
5. Druckregler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine metallische, kunststoffbeschichte Schließfeder und ein metallisches, kunststoffbeschichtes Regelkonusteil (5–7) im gasberührten Raum angeordnet sind.
6. Druckregler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckregler ein gebräuchliches Oberteil mit metallischen Teilen (15, 16) aufweist.
7. Druckregler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kunststoffmembran (12) mit einem Dichtrand enthalten ist.