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Hintergrund
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein Öffnungs-/Schließventil
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, das es ermöglicht, einen Fluiddurchgang
oder einen Ablassdurchgang, bspw. für ein Druckfluid oder ein Gas,
zu öffnen/schließen.
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Stand der
Technik
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Herkömmlicherweise weist eine Maschine zur
Herstellung von Halbleitern, bspw. Halbleiterwafern und Flüssigkristallsubstraten,
eine Vakuumpumpe auf, die über
einen bspw. durch ein Rohr und ein Ventil gebildeten Durchgang mit
einer Mehrzahl von Prozesskammern in Verbindung steht. Der Durchgang
wird durch Öffnen/Schließen entsprechend
der Erregung/Abschaltung des Ventils gesteuert.
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Im allgemeinen wird die oben beschriebene Halbleiter-Herstellmaschine
bspw. durch eine filmbildende Vorrichtung und eine Ätzvorrichtung
gebildet, die jeweils eine Heizeinheit mit einer bspw. ummantelten
Heizung aufweist, um ein Verschließen des oder ein Hindernis
in dem Durchgang zu vermeiden. Dies würde anderenfalls durch Produkte
bewirkt, die in einer Vakuumkammer erzeugt werden und bspw. an dem
Rohr und dem Ventil bei einer Temperatur anhaften, die niedriger
liegt als die Temperatur der Vakuumkammer.
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Ein Thermostat oder ein Thermoelement wird
dazu verwendet, die Temperatur eines Heizelementes, das die Heizeinheit
bildet, zu steuern. Die Temperatur wird durch Steuerung des Stromes,
der einem Heizelement zugeführt
wird, gesteuert.
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Bei einer solchen Anordnung kann,
insbesondere bei einem Thermostat, die Haltbarkeit nicht zufriedenstellend
sein. Andererseits ist im Falle des Thermoelementes die Steuereinheit
teuer und hohe Kosten sind für
die Ausrüstungsinvestitionen
erforderlich. Außerdem
wird für
die Installation ein großer Raum
in Anspruch genommen.
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Die
JP 111 18 067 A beschreibt ein gattungsgemäßes Öffnungs-/Schließventil
mit mindestens einer Heizung. Die Heizungen weisen Thermistoren auf
und liegen über
Wärmeübertragungsplatten
an dem Ventilkörper
an. Die Wärmeübertragungsplatten bestehen
aus einem metallischen Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Wenn die Heizungen
in Betrieb sind, heizen diese den aus Stahl bestehenden Ventilkörper über die
Wärmeübertragungsplatten
auf. Zusätzlich
ist eine wärmedämmende Abdeckung
vorgesehen, die den Ventilkörper
umgibt. In dem geschlossenen Hohlraum zwischen der Abdeckung und
dem Ventilkörper
befinden sich auch die Heizungen. Wenn diese heizen, wird die Luft
in dem Hohlraum erwärmt
und beginnt zu zirkulieren. Somit entsteht eine natürliche Konvektionszone
um den Ventilkörper. Durch
diese zirkulierende Warmluft wird der Ventilkörper zusätzlich erwärmt. Ein Nachteil dieser bekannten,
durch Wärmeleitung
und Wärmekonvektion wirkenden
Heizmethode ist jedoch, dass die Herstellung des Ventils sich durch
Hinzufügen
der Abdeckung verteuert. Außerdem
ist solch eine Abdeckung recht platzaufwendig.
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Die
DE 693 09 949 T2 beschreibt eine Vorrichtung
zum Schutz gegen Überströme. Diese Schutzvorrichtung
besteht im Wesentlichen aus einem zwischen zwei Elektroden angeordneten
Elastomerkörper.
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Die
DE 692 05 290 T2 beschäftigt sich mit einer Absperrvorrichtung
für Druckbehälter. Diese
Vorrichtung ist für
ein einmaliges irreversibles Ablassen eines unter Druck stehenden
Fluides vorgesehen. Beim Betrieb ist ein mehrmaliges Öffnen und
Schließen
der entsprechenden Austrittsöffnung
und des sich daran anschließenden
Fluiddurchgangs nicht möglich.
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In der
DE 689 19 359 T2 ist eine
Polymer-PTC-Zusammenstellung offenbart, die in einem PTC-Element
als Teil einer elektrischen Vorrichtung, z.B. einer Heizvorrichtung
verwendet werden kann.
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Die
DE 695 11 567 T2 befasst sich mit einem Vakuumauslassventil.
Dieses Ventil verfügt über zwei Heizmechanismen,
die zum Aufheizen des Ventilkörper
dienen. Es handelt sich bei diesen Heizeinrichtungen um eine in
einem Metallrohr aufgenommene Heizdrahtspule bzw. eine Gummiheizeinrichtung.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher,
ein Öffnungs-/Schließventil
vorzuschlagen, mit dem die Produktionskosten reduziert werden können, und das
den Installationsraum effizient ausnutzen kann. Bei einfachem Aufbau
soll die Temperatur gesteuert und eine gleichmäßige Erwärmung des Ventilkörpers ermöglicht werden.
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Diese Aufgabe wird mit der Erfindung
durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsformen
der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
und der Zeichnung.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
einen schematischen Längsschnitt
in Axialrichtung durch ein Öffnungs-/Schließventil
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
den Betriebsvorgang, wobei ein Zustand dargestellt ist, in dem eine
Ventilscheibe des Öffnungs-/Schließventils
von einem Sitzabschnitt abgehoben ist, um eine Verbindung zwischen
einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss herzustellen.
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3 zeigt
eine Draufsicht auf das Öffnungs-/Schließventil
gemäß 1.
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4 zeigt
einen Schaltkreis, bei dem ein Thermistor an einer Seitenfläche eines
Ventilkörpers des Öffnungs-/Schließventils
angebracht ist.
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5 zeigt
einen Schaltkreis mit einem Schutzmechanismus zum Schutz des Thermistors.
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6 zeigt
einen Schaltkreis, bei dem der Thermistor und der Schutzmechanismus
nahe beieinander angeordnet sind.
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7 zeigt
eine Kurve, die die Beziehung zwischen der Temperatur und dem Widerstand
des Thermistors darstellt.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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In 1 bezeichnet
das Bezugszeichen 10 ein Öffnungs-/Schließventil
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Das Öffnungs-/Schließventil 10 umfasst
einen Ventilkörper 12 mit
im Wesentlichen winkliger, fassförmiger
Gestalt, eine Kappe 14, die an einem oberen Abschnitt des
Ventilkörpers 12 gehalten
wird, und einen Heizmechanismus 16, der an der Außenfläche des
Ventilkörpers 12 vorgesehen
ist. Eine Kammer 18 ist in dem Ventilkörper 12 ausgebildet. Ein
erster Anschluss 20 und ein zweiter Anschluss 22,
die in zueinander senkrechten Richtungen angeordnet sind, sind so
vorgesehen, dass sie über
die Kammer 18 in Verbindung stehen.
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Der Ventilkörper 12 wird vorzugsweise
durch einen inneren Ventilkörper 12a aus
rostfreiem Stahl und einen äußeren Ventilkörper 12 bbspw.
aus einer Aluminiumlegierung mit gutem Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten, der
integral an der Außenfläche des
inneren Ventilkörpers 12a durch
Druckgießen
oder Gießformen
ausgeformt ist, gebildet. Außerdem
kann der äußere Ventilkörper 12b durch
Anbringen, bspw. mit Schrauben, von Wärmeleitern (nicht dargestellt) gebildet
werden, die in zwei Teile aus bspw. einer Aluminiumlegierung unterteilt
sind.
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Bei dieser Anordnung ist es möglich, die Heiztemperatur
des gesamten Ventilkörpers 12 durch
Heizen des äußeren Ventilkörpers 12b aus
der Aluminiumlegierung zu vergleichmäßigen.
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Ein Zylindermechanismus 24,
der als Antriebsmechanismus dient, ist in der Kappe 14 angeordnet.
Der Zylindermechanismus 24 umfasst einen Kolben 30,
der entsprechend der Wirkung von Druckfluid, das von einem Druckfluidzufuhranschluss 26 zugeführt wird,
gleitend entlang einer Zylinderkammer 28 verschoben wird,
eine Kolbenstange (Ventilstange) 32, die mit dem Kolben 30 verbunden
ist, und ein Abdeckelement 33, das die Zylinderkammer 28 verschließt. Eine
Kolbendichtung 34 ist in einer Ringnut an der äußeren Umfangsfläche des
Kolbens 30 angebracht. Ein ringförmiger Magnet 36 ist
in einer Ringnut angebracht, die an einem Abschnitt nahe der Kolbendichtung 34 angeordnet
ist.
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Ein Lagerabschnitt 38 zum
drehbaren Halten der Kolbenstange 32 ist an der unteren
Seite der Kappe 14 ausgebildet. Der Lagerabschnitt 38 weist eine
Wellenöffnung 40,
in die die Kolbenstange 32 eingesetzt ist, und eine Kolbendichtung 42 auf,
die an der inneren Umfangsfläche
der Wellenöffnung 40 so angebracht
ist, dass sie die äußere Umfangsfläche der
Kolbenstange 32 umgibt.
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Eine Ventilscheibe 46, die
die Verbindung zwischen dem ersten Anschluss 20 und dem
zweiten Anschluss 22 durch Aufsetzen auf einem ringförmigen Sitzabschnitt 44 an
der Innenseite des Ventilkörpers 12 unterbricht,
ist mit einem Ende der Kolbenstange 32 verbunden, welches
der Innenseite der Kammer 18 des Ventilkörpers 12 zugewandt
ist. Ein Dichtring 48, der durch Kontakt mit dem Sitzabschnitt 44 eine
Dichtfunktion übernimmt,
ist in einer Ringnut der Ventilscheibe 46 angebracht.
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Ein Federelement 50, dessen
erstes Ende an einem abgestuften Abschnitt des Lagerabschnitts 38 befestigt
ist und dessen zweites Ende an der Ventilscheibe 46 befestigt
ist, ist in der Kammer 18 des Ventilkörpers 12 angeordnet.
Die Ventilscheibe 46 wird entsprechend der Vorspannkraft
des Federelements 50 so vorgespannt, dass sie auf dem Sitzabschnitt 44 aufsetzt.
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Ein Balg 52 aus Metall,
dessen erstes Ende an dem Lagerabschnitt 38 befestigt ist
und dessen zweites Ende an der Ventilscheibe 46 befestigt
ist, ist in der Kammer 18 des Ventilkörpers 12 angeordnet.
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Die Dichtwirkung wird bspw. durch
Abdecken der Kolbenstange 32 und des Federelementes 50 mit dem
Balg 52 erreicht.
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Wie in 3 gezeigt
ist, weist der Heizmechanismus 16 vorzugsweise erste bis
dritte Heizungen (Heizmechanismen) 54a bis 54c auf,
die an drei Seitenflächen
in Umfangsrichtung des Ventilkörpers 12 bis
auf den zweiten Anschluss 22 an geordnet sind, sowie erste
bis dritte Thermistoren 56a bis 56c, die jeweils
die Heiztemperaturen der entsprechenden ersten bis dritten Heizungen 54a bis 54c steuern, und
dünne,
plattenförmige
Wärmeübertragungselemente 58a bis 58c auf,
die zwischen den ersten bis dritten Thermistoren 56a bis 56c mit
flacher plattenförmiger
Gestalt und den flachen Seitenflächen
des Ventilkörpers 12 angeordnet
sind. Die Wärmeübertragungselemente 58a bis 58c bestehen
vorzugsweise aus einem Material, wie einer Aluminiumlegierung, mit
einem guten Wärmeleitungskoeffizienten.
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Jeder der ersten bis dritten Thermistoren 56a bis 56c besteht
aus einem PTC-Thermistor
(positiver Temperaturkoeffizient) mit einer in 7 gezeigten Widerstand-Temperatur-Charakteristik.
Die ersten bis dritten Thermistoren 56a bis 56c sind über Leitungen
mit einer Stromquelle 60 verbunden (vgl. 4). Die ersten bis dritten Thermistoren 56a bis 56c sind jeweils
in gleicher Weise aufgebaut. Daher wird nachfolgend lediglich der
erste Thermistor 56a im Detail beschrieben und auf eine
Erläuterung
der zweiten und dritten Thermistoren 56b, 56c verzichtet.
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Der erste Thermistor 56a ist
so vorgesehen, dass die Temperatur- und elektrischen Widerstandswerte
entsprechend der in 7 gezeigten
Widerstands-Temperatur-Charakteristik
geändert
werden. In der Widerstands-Temperatur-Charakteristik-Kurve bezeichnet die
Temperatur, bei der der elektrische Widerstandswert plötzlich erhöht wird,
den Curie-Punkt (H). Die Temperatur in dem Bereich des Curie-Punktes
kann durch Verwendung des ersten Thermistors 56a gesteuert
werden. Wenn der Widerstandswert niedrig ist, wird der Ventilkörper 12 aufgeheizt,
indem man eine große
Strommenge fließen lässt. Andererseits
wird der Strom verringert, wenn der Widerstandwert hoch ist, sodass
die Aufheizung des Ventilkörpers 12 unterdrückt wird.
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Das Öffnungs-/Schließventil 10 gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist im Wesentlichen wie oben beschrieben
aufgebaut. Nachfolgend werden seine Betriebs-, Funktions- und Wirkungsweise
erläutert.
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Die Erläuterung erfolgt unter der Annahme, dass
die Ursprungsposition in dem Zustand liegt, in dem der Kolben 30 an
seiner unteren Grenzposition angeordnet ist und die Ventilscheibe 46 auf
dem Sitzabschnitt 44 aufsitzt, um die Verbindung zwischen dem
ersten Anschluss 20 und dem zweiten Anschluss 22 zu
unterbrechen (vgl. 1).
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Das Druckfluid (bspw. unter Druck
stehende Luft), die von dem Druckfluidzufuhranschluss 26 durch
Betätigung
einer nicht dargestellten Druckfluidzufuhrquelle zugeführt wird,
wird in die Zylinderkammer 28 eingeführt. Der Kolben 30 wird
unter der Wirkung des Druckfluides nach oben gedrückt. In
dieser Situation werden der Kolben 30 und die Kolbenstange 32 in
integrierter Weise gemeinsam aufwärts bewegt. Die Ventilscheibe 46,
die mit dem ersten Ende der Kolbenstange 32 verbunden ist,
wird von dem Sitzabschnitt 44 entgegen der Vorspannkraft
des Federelementes 50 abgehoben. Dadurch wird, wie in 2 gezeigt ist, zwischen
der Ventilscheibe 46 und dem Sitzabschnitt 44 eine
Lücke gebildet,
durch die der erste Anschluss 20 und der zweite Anschluss 22 in
Verbindung stehen.
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Wenn der Druckfluidzufuhranschluss 26 offen
ist, sodass er entsprechend der Schaltwirkung eines nicht dargestellten
Richtungskontrollventils mit der Atmosphäre in Verbindung steht, werden
der Kolben 30, die Kolbenstange 32 und die Ventilscheibe 46 unter
der Wirkung der Vorspannkraft des Federelementes 50 in
integrierter Weise nach unten bewegt. Die Ventilscheibe 46 wird
auf dem Sitzabschnitt 44 aufgesetzt, wodurch der Ursprungszustand
erhalten wird.
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Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
sind die ersten bis dritten Heizungen 54a bis 54c an
den drei Seitenflächen
des Ventilkörpers 12 in
Umfangsrichtung angeordnet. Die Heiztemperaturen der ersten bis
dritten Heizungen 54a bis 54c werden durch die
ersten bis dritten Thermistoren 56a bis 56c gesteuert
(geregelt). Wenn die Temperatur des Ventilkörpers 12 als Erwärmungsobjekt
an der Temperatur im Bereich des Curie-Punktes ankommt, wird der
elektrische Widerstand jedes der ersten bis dritten Thermistoren 56a bis 56c erhöht und der Strom
verringert.
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Die Temperaturzunahme des Ventilkörpers 12 wird
somit durch Verringerung des durch die ersten bis dritten Heizungen 54a bis 54c fließenden Stromes
beendet, da die Heizkraft unterdrückt wird. Wenn die Temperatur
des Ventilkörpers 12 weiter
abgesenkt wird, wird der elektrische Widerstand jedes der ersten
bis dritten Thermistoren 56a bis 56c verringert.
Der durch die ersten bis dritten Thermistoren 56a bis 56c fließende Strom
wird erhöht,
und dadurch auch die Heizkraft der ersten bis dritten Heizungen 54a bis 54c.
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Wenn die Heizkraft der ersten bis
dritten Heizungen 54a bis 54c zum Heizen des Ventilkörpers 12 durch
die ersten bis dritten Thermistoren 56a bis 56c wie
oben beschrieben gesteuert wird, ist es möglich, die Trocknung (Backbehandlung)
zur Freigabe des Gases kostengünstig
mit einfachem Aufbau durchzuführen
und das Anhaften jeglichen Produktes der Hochvakuumvorrichtung zu
vermeiden. Jeder der ersten bis dritten Thermistoren 56a bis 56c hat
eine dünne
plattenförmige
Gestalt mit miniaturisierter Größe. Dadurch
wird kein großer
Installationsraum benötigt.
Es ist möglich,
den Installationsraum effizient auszunutzen.
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Außerdem wird bei der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung durch die Verwendung der ersten bis dritten
Thermistoren 56a bis 56c die Verdrahtungsanordnung
vereinfacht und es ist nicht notwendig, Maßnahmen gegen Funkstö rungen zu
ergreifen. Dadurch kann das Öffnungs-/Schließventil noch
kostengünstiger
produziert werden. Wenn der Ventilkörper 12 eine niedrige
Temperatur aufweist, ist es möglich,
eine große
Strommenge fließen
zu lassen, da der elektrische Widerstand der ersten bis dritten
Thermistoren 56a bis 56c klein ist. Die Heiztemperatur
des Ventilkörpers 12 wird
schnell erhöht,
sodass es möglich
ist, ein schnelles Hochfahren der Vorrichtung zu realisieren.
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Außerdem tritt bei der Heiztemperatur
kein Pendeln auf, da der Schalter in analoger Weise betätigt wird.
Die Adhäsion
(Anhaften) des Produktes wird verringert und es ist möglich, die
periodischen Wartungsintervalle der Vorrichtung zu verlängern.
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Wie in 5 dargestellt
ist, wird zum Schutz der ersten bis dritten Thermistoren 56a bis 56c vorzugsweise
ein Schutzmechanismus 62a bis 62c vorgesehen,
der bspw. Temperatursicherungen und Bimetalle aufweist, die in der
Nähe des
Curie-Punktes wirken. In diesem Fall wird vorzugsweise, wie in 6 gezeigt ist, eine Anordnung
verwendet, bei der die Schutzmechanismen 62a bis 62c nahe
den in dem Gehäuse 64 angeordneten
ersten bis dritten Thermistoren 56a bis 56c angeordnet
werden. Dementsprechend sind die Schutzmechanismen 62a bis 62c so
angebracht, dass die Temperatur der ersten bis dritten Thermistoren 56a bis 56c im
Wesentlichen die gleiche ist wie die Temperatur der Schutzmechanismen 62a bis 62c.
Die Schutzmechanismen 62a bis 62c sind so vorgesehen,
dass sie elektrisch von dem Ventilkörper 12 isoliert sind.
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Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ist der äußere Ventilkörper 12b aus
dem Material mit dem hohen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten,
bspw. die Aluminiumlegierung, die in kontaktierender Weise in geschmolzenem
Zustand geformt wird, einstückig
an der äußeren Umfangsfläche des inneren
Ventilkörpers 12a aus
dem Material mit niedrigem Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten,
bspw. rostfreiem Stahl, ausgebildet. Es besteht jedoch keine Einschränkung hierauf.
Der äußere Ventilkörper 12b kann
bspw. auch aus einer Aluminiumlegierung bestehen, die in zwei oder
mehr Teile unterteilt ist.
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Somit werden die äußeren Oberflächenabschnitte
des äußeren Ventilkörpers 12b,
der aus dem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit
besteht, durch die ersten bis dritten Heizungen 54a bis 54c beheizt. Dementsprechend
kann die Temperatur des inneren Ventilkörpers 12a, der aus
dem Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit
besteht, gleichmäßig angehoben werden,
und es ist möglich,
eine gleichmäßige Temperatur
des gesamten Ventilkörpers 12 zu
erhalten. Dies hat folgenden Grund:
Wenn der gesamte Ventilkörper 12 lediglich
aus Stahlmaterial gebildet ist, tritt aufgrund des niedrigen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten
beim Aufheizen eine starke Temperaturverteilung auf. Dementsprechend
haftet das Produkt teilweise an, oder die Trocknungstemperatur ist
nicht gleichmäßig.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
ist die Temperaturverteilung der gesamten Vorrichtung im Wesentlichen
die gleiche wie bei einem Körper
aus einer Aluminiumlegierung. Das Anhaften von Produkt wird verringert.
Es ist möglich,
die Trocknungszeit zu verkürzen
und die Trocknungstemperatur relativ zu verringern, da die Temperatur
bei der Trocknung (Brennen) gleichmäßig ist.