DE102004004601B4

DE102004004601B4 - Schnellschließendes Hochvakuumventil

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Publication number: DE102004004601B4
Application number: DE200410004601
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Schott
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2024-01-30
Also published as: DE102004004601A1

Abstract

Schnellschließendes Hochvakuumventil zum hermetisch dichten Absperren eines Vakuumteils(6) einer UHV- Kammer(1), welcher normalerweise in Offenstellung gehalten ist, und zum Schließen eine durch gekoppelte Federn(11, 12) angetriebene Lamelle(8) schnell in die radiale Schließposition zwischen einen Flansch(4) mit Dichtring(9) und eine axial(senkrecht zur Lamelle) bewegliche, mit Federn(32) beaufschlagte, Lochblende(37) bringbar ist, wobei die mit den Federn(11, 12) beaufschlagte Lamelle(8) in der Offenstellung des Ventils über eine Lamellenstange(22) und ein Kraftuntersetzungsstück(20) gehalten ist, und zum Schließen des Ventils, die Bewegung des Kraftuntersetzungsstücks(20) und der Lamelle(8) durch einen elektrischen Puls auslösbar und durch den Druck der Federn(32) dämpfbar ist, und zum Öffnen des Ventils unter Vakuum, ein Rückholstab(13), durch einen Querstift(39) am Ende, in einen mit der Lamellenstange(22) verbundenen bajonettartigen Verschluss(76) einrastbar ist, und die beaufschlagten Federn(11, 12) der Lamelle(8) durch radiales Herausziehen des Rückholstabs(13) spannbar sind, und die Lamelle(8) wieder aus ihrer Schließstellung in die Offenstellung bewegbar ist, und das Kraftuntersetzungsstück(20) in Position...

Description

Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein Ventil des Ultrahochvakuum(UHV)-Systems eines Teilchenbeschleunigers, einer Ionenimplantationsanlage, einer Aufdampfanlage, einer Nanometertechnologiekammer oder dergl. Bei einer Störung im Hochvakuumsystem wird das Ventil sehr schnell(ca. 2 ms) mit Hilfe eines Systems von im Normalzustand gespannten Federn, die mit der Schließlamelle verbunden sind, geschlossen, und so das Brechen des Hochvakuums und die Beschädigung empfindlicher Geräte verhindert. Die Schließlamelle wird dabei zwischen einen Flansch mit einem O- Ring und eine Blende gebracht, auf den O- Ring gepresst, und damit das zu schützende Ultrahochvakuum abgedichtet.
Die Federn werden über eine kraftuntersetzende Klinke elektronisch ausgelöst. Durch die Kraftuntersetzung ist die durch ein elektronisches Element, z. B., einen Hubmagneten oder ein Piezoelement, zu schaltende Kraft relativ klein, so dass das elektronische Element selbst klein ist und damit schnell geschaltet werden kann. D. h., es kann, z. B., ein Hubmagnet mit relativ kleiner Induktivität oder ein Piezoelement mit relativ kleiner Kapazität verwendet werden. Das auslösende elektronische Element, z. B., der Hubmagnet, ist im Normalzustand stromlos. Z. B., kann der Anker des Hubmagneten, auf den durch die gespannten Federn wegen der Kraftuntersetzung eine relativ kleine Kraft wirkt, mit Hilfe eines eingebauten Permanentmagneten in Position gehalten werden. Beim Auslösen des Ventils wird das Permanentmagnetfeld durch das Feld eines Elektromagneten, der mit einem Strompuls angeregt wird, kompensiert. Damit wird der Anker kräftefrei und die Federn ausgelöst.
Das auslösende elektronische Element kann, da im Normalzustand strom-, bzw. spannungslos, ins Vakuumsystem mit eingebaut werden und zwar in ein vom UHV- System getrennten Hochvakuum(HV)- System. Die Lamellenstange, die das auslösende Element mit der im UHV befindlichen Lamelle verbindet, wird lose in einer Stopfbüchse geführt. Der O- Ring der Stopfbüchse kann relativ locker sein, da das UHV durch ein kleines Leck zwischen HV und UHV wegen des geringen Drucks im HV(ca.10^-4 mbar) nicht verschlechtert wird(differenzielles Pumpen). Die Bremskraft des O- Rings auf die Lamellenstange, die im Auslösefall schnell durch die Stopfbüchse gleitet, ist deshalb sehr gering und beeinflusst die Schließzeit nur sehr wenig.
Das Federsystem besteht, z. B., aus zwei gekoppelten Federn, einer starken Blattfeder, durch die die Lamelle beschleunigt wird, und einer relativ weichen Druckfeder, durch die der Lamellenhub bestimmt wird. Die nach dem Auslösen durch die Druckfeder bedingten Schwingungen der Lamelle werden aperiodisch durch axiale Kräfte erzeugte Reibungskräfte gedämpft, wobei die Lamelle gegen den dichtenden O- Ring und eine Blende gedrückt wird. Da die Druckfeder weich ist, sind die benötigten Reibungskräfte relativ gering, was die Schließzeit nur unwesentlich verlängert. Die axialen Kräfte bewirken außerdem, dass nach dem Schließen des Ventils das zu schützende Vakuum hochvakuumdicht (Leckrate <10^-9 mbar·l/s) von dem gefährdeten Vakuum abgetrennt wird.
Für ein Ventil mit 40 mm Nennweite und einem Blattfeder- Druckfeder- System, bei dem die Blattfeder 10 mm und die Druckfeder fast vollständig, d. h., nahezu auf Block zusammengedrückt, vorgespannt sind, mit 7·10⁴ N/m bzw. 5.9·10² N/m Federkonstanten, beträgt die Schließzeit 2.4 ms(bewegte Blattfeder- bzw. Druckfedermasse 8 g bzw. 1.2 g, Masse von Lamelle, Lamellenstange und bewegtem Klinkenteil 19.3 g). Die Klinke wird demnach mit 700 N belastet. Bei einer 42- fachen Kraftuntersetzung wirken 16.7 N, z. B., auf den Anker eines Hubmagneten, der im stromlosen Zustand durch einen eingebauten Permanentmagneten gehalten wird. Der das Magnetfeld kompensierende Elektromagnet besitzt eine 10 mH Induktivität, in die in ca. 0.3 ms der erforderliche Strom von 1 A geschickt werden kann, so dass der Anker kräftefrei, und das Ventil ausgelöst wird. Die Lamelle wird mit einer Reibungskraft von 12.7 N aperiodisch gedämpft, was die Schließzeit der Mechanik auf 2.75 ms erhöht.
Bei einer Druckänderung im Hochvakuum wird die Erzeugung des Strom- oder Spannungspulses, mit dem das Ventil geschlossen wird, durch einen Hochvakuumdetektor angeregt. Als Hochvakuumdetektor dient, z. B., eine Messzelle, mit der der druckabhängige Strom von in einem hohen elektrischen Feld produzierten Ionen und Elektronen gemessen wird.
Bei einigen derzeitigen schnellschließenden Hochvakuumventilen wird die Ventillamelle, mit der das Ventil geschlossen wird, durch eine einzelne vorgespannte Druckfeder bewegt. Die Feder wird durch eine Klinke gespannt gehalten, die elektrisch, z. B., durch einen Elektromagneten, ausgelöst, und damit das Ventil geschlossen wird. Um das obige Ventil von 40 mm Nennweite mit einer einzelnen Druckfeder in 2.5 ms zu schließen, wird bei einer bewegten Masse von 32 g eine Druckfeder mit einer Federkonstanten von 1.3·10⁴ N/m benötigt(bewegte Druckfedermasse 12.7 g). Die Auslenkung der gespannten Feder beträgt 55 mm. Die Kraft auf die Klinke ist demnach 703 N. Bei schnellschließenden pneumatischen und hydraulischen Ventilen muss im Ausgangszustand eine solche Kraft auf den Ventilkolben wirken. Um eine mit einer solch großen Kraft belastete Klinke elektrisch auszulösen, wird, z. B., ein starker Elektromagnet benötigt, der eine entsprechend große Induktivität besitzt, die nur relativ langsam erregt werden kann. Damit wird die Auslösezeit der Klinke und die Schließzeit des Ventils stark erhöht. Der Ventilteller wird durch einen Druckzylinder pneumatisch gedämpft. In diesem Fall muß wegen des hohen Drucks auf der Klinkenseite(differenzielles Pumpen ist unmöglich) die Ventiltellerstange über einen Federbalg mit einer relativ großen beweglichen Masse in das UHV geführt werden, was die Schließzeit nennenswert verlängert. Zur aperiodischen Dämpfung wäre die sehr große Reibungskraft von 254 N nötig, durch die die Schließzeit um 0.75 ms verlängert werden würde.

Es wurde ein schnellschließendes pneumatisches oder hydraulisches Ventil vorgeschlagen( DE 41 16 429 A1 ), bei dem der Ventilkolben dadurch verriegelt ist, dass Kugeln oder eine Spirale durch einen pneumatisch oder elektromagnetisch angetriebenen Ringkolben an den Kolben gepresst werden. Um das Ventil sicher zu ver- und entriegeln, muss im pneumatischen Fall die Druckdifferenz zwischen Ringkolben und Kolben groß sein. D. h., es muss, wenn das Ventil geschlossen werden soll, relativ viel Gas entweichen, was bei kleiner Ringkolbenverbindungsbohrung durch die turbulente Strömung verlangsamt wird. Bei großer Ringkolbenverbindungsbohrung wirkt eine große Kraft auf das Ringkolbensteuerventil, das sich deshalb nur langsam schalten lässt. Ebenso lässt sich ein als Anker eines Elektromagneten ausgebildeter Ringkolben, der mit einer großen Kraft nach unten gedrückt wird, elektromagnetisch nur relativ langsam heben.

Weiter wurde eine optische Erfassungseinrichtung einer Druck- Stoßwelle in einem Vakuumsystem vorgeschlagen( DE 36 20 237 C2 ), die nach der Detektion einer solchen Störung den Verschluss- Antriebszylinder eines Hochgeschwindigkeitsverschlusses steuert, wobei der Zylinder entweder elektromagnetisch durch eine Schwingspule oder pneumatisch oder hydraulisch angetrieben wird. Da die Schwingspule eine relativ große Induktivität und Masse besitzt und auch etwa die Hälfte der Masse des Faltenbalgs, der das Vakuumsystem von der Schwingspule bzw. dem Pneumatik- oder Hydraulikzylinder trennt, zur trägen bewegten Masse gerechnet werden muss, ist es schwer, sehr kurze Schließzeiten zu erreichen. Außerdem ist es schwierig, wie in der Offenlegungsschrift DE 41 16 429 A1 erwähnt, die mit dem Zylinderdruck belastete Verriegelung eines Pneumatik- oder Hydraulikzylinders schnell aufzuheben. Dasselbe gilt für das in der Patentschrift DE 29 51 387 C2 beschriebene Hochvakuum- Schnellschluss- Klappenventil, bei dem die mit einer Rolle beaufschlagte verriegelte Klinke durch die Zugfedern, mit denen die Klappe geschlossen wird, belastet ist. Deshalb ist die benötigte Kraft, bzw. der Hub, die Klinke zu entriegeln, groß, so dass die Entriegelung, nach dem Vorschlag durch eine mit einem Elektromotor über ein Getriebe verbundenen Welle, nur relativ langsam bewerkstelligbar ist. Weiter wurde ein Durchflusskontrollventil vorgeschlagen(JP 2001 289345 AA), das im Notfall durch ein mit einem Schrittmotor über einen Exzenter angetriebenes Ventilelement augenblicklich schließbar ist. Jedoch sind mit einem Schrittmotor und wegen der relativ großen Masse der bewegten Teile, kurze Schließzeiten nur schwer erreichbar. Außerdem wurde ein schnelles magnetisches Ventil vorgeschlagen( US 4 750 705 A ) mit einem mit einem oder zwei Permanentmagneten beaufschlagten beweglichen Verschlussteil, wobei zum schnellen Verschließen bzw. zum Offenhalten, den Permanentmagneten des Verschlussteils an beiden Seiten jeweils ein stationärer Permanentmagnet gegenübergestellt ist. Zum Entriegeln ist die anziehende Kraft zwischen dem Permanentmagneten des Verschlussteils und dem permanenten Haltemagneten durch einen Elektromagneten aufhebbar. Alternativ ist das Ventil auch durch einen Querstift, der in eine Vertiefung des Verschlussteils eingerastet ist, in der Offenstellung haltbar. Wegen der relativ großen Masse der Permanentmagneten des Verschlussteils sind sehr kurze Schließzeiten schwer erreichbar. Außerdem ist das Ventil in der Offenstellung wegen des großen Elektromagneten bzw. wegen dem mit der gesamten Schließkraft beaufschlagten Querstift, nur relativ langsam entriegelbar.

Alle die genannten, zum Stand der Technik gehörenden, Ventile können keine extrem kurzen Schließzeiten erreichen. Im Hinblick auf diese Entgegenhaltungen haben wir uns die Aufgabe gestellt, ein Ventil bereitzustellen, das a) äußerst schnell und b), wegen der Konstruktion der axial an die Dichtung anpreßbaren Lamelle, hochvakuumdicht schließt und c) ohne größere Eingriffe wieder zu öffnen ist, wenn das Vakuumsystem repariert ist. Durch das von uns nach Anspruch 1 mit Unteransprüchen vorgeschlagene Ventil kann z. B. eine UHV-Kammer mit empfindlichen Detektoren(zu schützendes Vakuum), welche an eine UHV- Kammer mit dünnen Fensterfolien(gefährdetes Vakuum) angeschlossen ist, vor einem Gaseinbruch geschützt werden. Nach Reparatur und Evakuierung der beschädigten Kammer kann das gefährdete System durch Öffnen des Ventils wieder leicht an das zu schützende System angeschlossen werden.

Im folgenden wird das Ventil, das zusätzlich durch Zeichnungen erläutert wird, näher beschrieben. Es zeigen:
1. Vertikalschnitt des Ventils mit Hubmagnet
2. Schnitt A-A(1)
3. Schnitt B-B(1)
4. Auslösesystem mit Hubmagnet
5. Auslösesystem mit relaisartigem Magnet
6. Auslösesystem mit einem durch einen axialen Aktuator betriebenen piezoelektrischen Relais
7. Auslösesystem mit einem piezoelektrischen Biegeaktuator
8. Auslösesystem mit einem federnden Element ohne Kraftuntersetzung
9. Auslösesystem mit einem federnden Element mit Kraftuntersetzung
10. Seitenansicht des mit einem axialen piezoelektrischen Aktuator beaufschlagten federnden Elements
11. Schaltskizze der Zündelektronik
Das Ventil besteht aus einer UHV- Kammer 1(1) mit jeweils einem Flansch 2 und 3 an beiden Seiten(2) zur vakuumdichten Befestigung zweier Flansche 4 und 5 mit der Bohrung 6(zu schützendes Vakuum) bzw. mit der Bohrung 7(gefährdetes Vakuum). An den Flanschen 4 und 5 sind außen entsprechend die Vakuumkammern des zu schützenden bzw. des gefährdeten Vakuums befestigt. Durch die Bohrungen 6 und 7 in den Flanschen 4 und 5 sind bei offenem Ventil beide Vakuumsysteme verbunden. Bei Verschlechterung des gefährdeten Vakuums in der Bohrung 7 wird das Ventil durch die schnelle radiale Bewegung der Lamelle 8 zwischen die Bohrungen 6 und 7 und anschließendes Abdichten des zu schützenden Vakuums in der Bohrung 6 durch das axiale Anpressen der Lamelle 8 auf den Dichtring 9(2) in der Nut 10 des Flanschs 4 geschlossen. Die Lamelle 8, die Lamellenstange 22(1) und das Kraftuntersetzungsstück 20, über die die Lamelle 8 in Position gehalten wird, werden in radialer Richtung durch die gespannte Blattfeder 11 und die gespannte Druckfeder 12 angetrieben. Die Druckfeder 12 befindet sich im gespannten Zustand vollständig in der Führungshülse 77, die, wie die Druckfeder 12, an einem Ende mit der Blattfeder 11 verbunden ist. Im gespannten Zustand der Druckfeder 12 sitzt die Führungshülse 77 auf dem Verbindungsstück 78 auf, welches Lamellenstange 22, Druckfeder 12 und Lamelle 8 verbindet. Die Lamellenstange 22 gleitet lose in der Stopfbüchse 52, die die UHV- Kammer 1 von der HV- Kammer 18 trennt.
Nach der Reparatur des gefährdeten Vakuumsystems der Bohrung 7 kann das Ventil mit Hilfe des Rückholstabs 13 ohne Brechen des Vakuums wieder geöffnet werden.
An den beiden Enden der UHV- Kammer 1 sind über die beiden Flansche 14 und 15 die Abschlussplatten 16 und 17 vakuumdicht befestigt. In die Abschlussplatte 16 ist die Stopfbüchse 52 integriert. An die Abschlussplatte 16 ist die HV- Kammer 18 über den Flansch 19 hermetisch dicht angebaut. In die Abschlussplatte 17 ist der Stutzen 33 eingeschweißt, in dem die Lamellenführung, die aus zwei Längsschienen 34, den Querstreben 35 und 36 und der Lochblende 37(2) besteht, in axialer Richtung verschiebbar, aufgehängt ist. Auf der anderen Seite ist die Lamellenführung über zwei Federn 38(1) an der Abschlussplatte 16 aufgehängt. Die Lochblende 37, die mit den Längsschienen 34 verschraubt ist, besitzt ein Loch, das mit den Bohrungen 6 und 7 der Flansche 4 und 5 fluchtet, und eine Aussparung für die Druckfeder 12. Die bewegte Lamelle 8 wird über Reibungskräfte aperiodisch gedämpft, die durch die am Flansch 3 befestigten Druckfedern 32(2) über die Blende 37 auf die Lamelle 8 ausgeübt werden.
Die HV- Kammer 18 enthält die kraftuntersetzende Klinke und das auslösende elektronische Element. Das Kraftuntersetzungsstück 20(1) der kraftuntersetzenden Klinke ist in der Führung 21 verschiebbar. Die Lamellenstange 22 ist über den Bolzen 23(4) fest mit einem Ende des Kraftuntersetzungsstücks 20 verbunden. Das andere Ende des Kraftuntersetzungsstücks 20 besitzt einen bajonettartigen Verschluss und ist normalerweise frei(4). Das Kraftuntersetzungsstück 20 wird durch die Rolle 24 des drehbar um die feste Achse 25 gelagerten Ankers 26 in Position gehalten, wobei die Rolle 24 auf der schiefen Ebene 27 des Kraftuntersetzungstücks 20 abrollbar ist. Die Achse 25 ist in der Führung 21(1), gelagert. Der Winkel β zwischen der schiefen Ebene 27 und der Senkrechten zu dem durch die Rolle 24 und die Achse 25 gegebenen Vektor r →₁, bestimmt die Größe der Kraftuntersetzung zwischen der Kraft F →₂, die auf das Kraftuntersetzungsstück 20 durch die Blattfeder 11 und die Druckfeder 12 ausgeübt wird, und der Kraft F →₁, die, über das auf beiden Seiten drehbar gelagerte Verbindungsstück 74, auf den, durch einen Permanentmagneten gehaltenen, Magnetanker 28 wirkt, der mit dem Anker 26 durch die Achsen 29 und 30 drehbar verbunden ist.
Das Verhältnis F₂/F₁ ist gegeben durch F2/F1 = 2r2 cosα/(r1 sin2β),wobei r₂ der Abstand der Achse 25 von der Achse 29 und α der Winkel zwischen F →₂ und r →₁ bedeuten. Durch die einstellbare Feder 45, die in den Anker 26 eingehängt ist, wird eine Kraft erzeugt, mit der die Haftreibung der um eine Achse drehbaren Rolle 24 überwunden wird.
Im Auslösefall wird das Permanentmagnetfeld durch das von einem Strompuls erzeugte Feld des Elektromagneten 31 aufgehoben. Die Auslösezeit entspricht der Anstiegszeit Δt des Strompulses. Nach Δt ≈ 0.2 ms hat der Strom den Wert erreicht, mit dem ein Magnetfeld erzeugt wird, das das Haltefeld des Permanentmagneten kompensiert. Damit wird der Magnetanker 28 kräftefrei und durch die Kraft F₁ aus dem Elektromagneten 31 herausgezogen, wobei sich der Anker 26 dreht, und die Rolle 24 bis zum Ende der schiefen Ebene 27 des Kraftuntersetzungsstücks 20 abrollt und das Kraftuntersetzungsstück 20 freigibt, so dass sich dieses durch die Kraft F₂ in der Führung 21 so weit bewegt, bis die Lamelle 8 durch die Kraft der Druckfedern 32 aperiodisch gedämpft ist. Während der Lamellenbewegung gleitet die Lamellenstange 22 leichtgängig in der Stopfbüchse 52.
Zum Wiederöffnen des Ventils ist der Rückholstab 13 durch den Querstift 39(4) in den bajonettartigen Verschluss des Kraftuntersetzungsstücks 20 einrastbar. Mit Hilfe des Rückholstabs 13 kann die Lamelle 8 des ausgelösten Ventils über die Lamellenstange 22 und das Kraftuntersetzungsstück 20 wieder in die Ausgangsposition zurückgeholt, und die Blattfeder 11 und die Druckfeder 12 gespannt werden(1). Die Feder 45 kann über den Seilzug 75 durch Verschieben des Stabs 46 entspannt werden. Dadurch dreht sich der Anker 26 unter der Wirkung der vom Permanentmagneten und einer schwachen Rückholfeder 56 auf den Magnetanker 28 ausgeübten Kraft zurück, der Magnetanker 28 erreicht die maximale Haltekraft im Permanentmagneten, und die Rolle 24 kommt in Kontakt mit der schiefen Ebene 27 des Kraftuntersetzungsstücks 20. Der Rückholstab 13 kann in dieser Position der Rolle 24 aus dem Kraftuntersetzungsstück 20 ausgerastet werden, wobei die Blattfeder 11 und die Druckfeder 12 gespannt bleiben. Nach dem Spannen der Feder 45 ist das Ventil wieder auslösbar.
Der Rückholstab 13 gleitet in der Stopfbüchse 40, die mit der HV- Kammer- Abschlussplatte 41 verbunden ist. Die Verschiebung des Rückholstabs 13 geschieht durch die Mutter 42. Die Führung 43 besitzt eine Nut in zwei Ebenen, in der der mit dem Rückholstab 13 verbundene Bolzen 44 gleiten kann, so dass der Rückholstab 13 mit in das Kraftuntersetzungsstück 20 ein- bzw. ausgerastetem Querstift 39 bewegt werden kann.
Der Stab 46 ist in der Führung 47 mit Hilfe der Mutter 48 verschiebbar, ohne sich zu drehen, da der mit dem Stab 46 verbundene Stift 49 in einer Nut der Führung 47 beweglich ist. Der Stab 46 gleitet in der Stopfbüchse 50, die mit dem HV- Kammerflansch 51 verbunden ist.
In 5 ist das Auslösesystem mit einem relaisartigen Magneten 53 dargestellt. Durch einen Strompuls wird im Auslösefall der Magnetanker 54, der mit der Rolle 55 des Ankers 26 in Eingriff ist, gegen die Kraft der schwachen Zugfeder 57, vom relaisartigen Magneten 53 angezogen, und die Rolle 55 freigegeben. Damit beginnt sich der Anker 26, unter Wirkung der Kraft F₁, zu drehen, bzw., das Kraftuntersetzungsstück 20 sich zu bewegen, und das Ventil ist ausgelöst. Durch die schwache Zugfeder 56 wird der Anker 26 nach dem Wegbewegen des Kraftuntersetzungsstücks 20 wieder in die Ausgangsposition zurückgedreht.
6 zeigt ein Auslösesystem mit einem piezoelektrischen Relais, bestehend aus dem, mit der Masse 58 beaufschlagten, Anker 59, der mit der Rolle 55 des Ankers 26 in Eingriff ist. Durch einen Spannungspuls wird im Auslösefall die Masse 58 durch den axialen piezoelektrischen Aktuator 60, gegen die Kraft der schwachen Zugfeder 57, beschleunigt, so dass sich der Anker 59 über die Rolle 55 bewegt und den Anker 26 freigibt. Durch die schwache Zugfeder 56 wird der Anker 26 nach dem Wegbewegen des Kraftuntersetzungsstücks 20 wieder in die Ausgangsposition zurückgedreht.
In 7 ist ein Auslösesystem skizziert, bei dem der piezoelektrische Biegeaktuator 61 mit dem Anker 26 in Eingriff ist. Durch einen Spannungspuls verbiegt sich im Auslösefall das untere Ende des Biegeaktuators 61 nach rechts und gibt den Anker 26 frei. Durch die schwache Zugfeder 56 wird der Anker 26 nach dem Wegbewegen des Kraftuntersetzungsstücks 20 wieder in die Ausgangsposition zurückgedreht.
In 8 ist ein Auslösesystem mit dem gegebenenfalls mit Piezomotoren nachgeregelten federnden Element 62 skizziert. Die dünne Platte 64 ist über den Rahmen 73 entweder direkt mit der, mit der Blattfeder 11 und der Druckfeder 12 beaufschlagten, Lamellenstange 22, oder, über ein Verbindungsstück 74 und einen drehbaren Anker 26, mit dem Kraftuntersetzungsstück 20 verbunden(9). Auf der anderen Seite besitzt die dünne Platte 64 einen bajonettartigen Verschluss 76 zum Einrasten des Querstifts 39 des Rückholstabs 13. Mit Hilfe des federnden Elements 62(10) wird die Anpresskraft des Zylinders 63 auf die dünne Platte 64 und damit die Reibungskraft F₂, bzw., über die kraftuntersetzende Klinke, die Reibungskraft F₁, aufgebracht, die die dünne Platte 64 hält.
In 10 ist eine Seitenansicht des federnden Elements 62 skizziert. Bei offenem Ventil wird durch die Schraube 65 über das Piezoelement 66, mit dem die erforderliche Anpresskraft gemessen wird, die dünne Platte 64 zwischen den Zylinder 67 und den Zylinder 63 gepresst. Dabei wird die, zwischen dem Zylinder 63 und dem mit dem Gehäuse 68 verbundenen Querteil 69 befindliche, Feder 70 gespannt. Mit Hilfe der Schraube 71 wird der axiale piezoelektrische Aktuator 72 vorgespannt. Die Materialien des Gehäuses 68 und der Zylinder 63 und 67 müssen bzgl. des axialen piezoelektrischen Aktuators 72 temperaturkompensiert sein, oder die Schrauben 71 und 65 durch Piezomotoren nachgeregelt werden. Durch einen Spannungspuls wird im Auslösefall der axiale piezoelektrische Aktuator 72 gedehnt. Damit wird die Anpresskraft des Zylinders 63 auf die dünne Platte 64 aufgehoben, der Rahmen 73 wird durch die Kraft F₂ bzw. F₁ bewegt, und das Ventil ist ausgelöst.
In 11 ist die Elektronik für den Elektromagneten 31 skizziert. Da das Feld des eingebauten Permanentmagneten nur bei einem bestimmten Strom des Elektromagneten 31 kompensiert ist, muss bei der elektronischen Auslösung der Bindung dieser Strom möglichst schnell erreicht und dann auf diesem Wert so lange gehalten werden, bis der Magnetanker 28 ein bestimmtes Stück aus dem Elektromagneten 31 herausgezogen ist. Die Spule 79 des Elektromagneten 31 ist bei offenem elektronischem Schalter 80 stromlos. Im Auslösefall wird der elektronische Schalter 80 durch einen UHV- Sensor kurzgeschlossen, und der Kondensator 81, der von der am Punkt 82 angelegten Spannungsquelle über den Widerstand 84 aufgeladen ist, über die Spule 79 entladen. Der Schalter 83 begrenzt den Entladestrom auf den geforderten Wert.

1: UHV- Kammer
2: Flansch
3: Flansch
4: Flansch
5: Flansch
6: Bohrung
7: Bohrung
8: Lamelle
9: Dichtring
10: Nut
11: Blattfeder
12: Druckfeder
13: Rückholstab
14: Flansch
15: Flansch
16: Abschlussplatte
17: Abschlussplatte
18: HV- Kammer
19: Flansch
20: Kraftuntersetzungsstück
21: Führung
22: Lamellenstange
23: Bolzen
24: Rolle
25: Achse
26: Anker
27: Schiefe Ebene
28: Magnetanker
29: Achse
30: Achse
31: Elektromagnet
32: Druckfeder
33: Stutzen
34: Längsschiene
35: Querstrebe
36: Querstrebe
37: Lochblende
38: Feder
39: Querstift
40: Stopfbüchse
41: Abschlussplatte
42: Mutter
43: Führung
44: Bolzen
45: Feder
46: Stab
47: Führung
48: Mutter
49: Stift
50: Stopfbüchse
51: Flansch
52: Stopfbüchse
53: Relaisartiger Magnet
54: Magnetanker
55: Rolle
56: Feder
57: Feder
58: Masse
59: Anker
60: Aktuator
61: Biegeaktuator
62: Federndes Element
63: Zylinder
64: Dünne Platte
65: Schraube
66: Piezoelement
67: Zylinder
68: Gehäuse
69: Querteil
70: Feder
71: Schraube
72: Aktuator
73: Rahmen
74: Verbindungsstück
75: Seilzug
76: Bajonettartiger Verschluss
77: Führungshülse
78: Verbindungsstück
79: Spule
80: Elektronischer Schalter
81: Kondensator
82: Punkt in der Schaltung
83: Elektronischer Schalter
84: Widerstand

Claims

Schnellschließendes Hochvakuumventil zum hermetisch dichten Absperren eines Vakuumteils(6) einer UHV- Kammer(1), welcher normalerweise in Offenstellung gehalten ist, und zum Schließen eine durch gekoppelte Federn(11, 12) angetriebene Lamelle(8) schnell in die radiale Schließposition zwischen einen Flansch(4) mit Dichtring(9) und eine axial(senkrecht zur Lamelle) bewegliche, mit Federn(32) beaufschlagte, Lochblende(37) bringbar ist, wobei die mit den Federn(11, 12) beaufschlagte Lamelle(8) in der Offenstellung des Ventils über eine Lamellenstange(22) und ein Kraftuntersetzungsstück(20) gehalten ist, und zum Schließen des Ventils, die Bewegung des Kraftuntersetzungsstücks(20) und der Lamelle(8) durch einen elektrischen Puls auslösbar und durch den Druck der Federn(32) dämpfbar ist, und zum Öffnen des Ventils unter Vakuum, ein Rückholstab(13), durch einen Querstift(39) am Ende, in einen mit der Lamellenstange(22) verbundenen bajonettartigen Verschluss(76) einrastbar ist, und die beaufschlagten Federn(11, 12) der Lamelle(8) durch radiales Herausziehen des Rückholstabs(13) spannbar sind, und die Lamelle(8) wieder aus ihrer Schließstellung in die Offenstellung bewegbar ist, und das Kraftuntersetzungsstück(20) in Position haltbar ist, und der Rückholstab(13) wieder aus dem mit der Lamellenstange(22) verbundenen Verschluss(76) ausrastbar ist.
Schnellschließendes Hochvakuumventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamelle(8) über das Kraftuntersetzungsstück(20), in dessen schiefer Ebene(27) eine Rolle(24) eines um eine feste Achse(25) drehbaren, mit Federn(45, 56) beaufschlagten, Ankers(26) abrollbar ist, wobei eine bestimmte Kraftuntersetzung zwischen dem gespannten Kraftuntersetzungsstück(20) und einem Ende des drehbaren Ankers(26), bzw. ein bestimmtes, auf den drehbaren Anker(26) wirkendes, Drehmoment, erreichbar ist, über ein, in dem drehbaren Anker(26) und einem Anker(28) eines Elektromagneten(31) drehbar gelagertes Verbindungsstück(74), durch einen mit einem Permanentmagneten gehaltenen Anker(28) eines Elektromagneten(31) in Position haltbar ist, und die Bewegung des Kraftuntersetzungsstücks(20) und der Lamelle(8), und die Drehung des Ankers(26), durch Aufheben des Permanentmagnetfelds durch den Elektromagneten(31) mit einem Strompuls auslösbar ist.
Schnellschließendes Hochvakuumventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamelle(8) über das Kraftuntersetzungsstück(20) durch den Anker(54) eines relaisartigen Magneten(53) in Position haltbar ist, und die Bewegung des Kraftuntersetzungsstücks(20) und der Lamelle(8), und die Drehung des Ankers(26), durch Anziehen des Magnetankers(54) des relaisartigen Magneten(53) durch einen Strompuls auslösbar ist.
Schnellschließendes Hochvakuumventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamelle(8) über das Kraftuntersetzungsstück(20) durch den Anker(59) eines piezoelektrischen Relais(60) in Position haltbar ist, und die Bewegung des Kraftuntersetzungsstücks(20) und der Lamelle(8), und die Drehung des Ankers(26), durch die Bewegung des Ankers(59) durch das piezoelektrische Relais(60) durch einen Spannungspuls auslösbar ist.
Schnellschließendes Hochvakuumventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamelle(8) über das Kraftuntersetzungsstück(20) durch ein mit Piezoelementen(61) zusammengesetztes System in Position haltbar ist, und die Bewegung des Kraftuntersetzungsstücks(20) und der Lamelle(8), und die Drehung des Ankers(26), durch einen Spannungspuls auslösbar ist.
Schnellschließendes Hochvakuumventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamelle(8) über das Kraftuntersetzungsstück(20) durch eine gespannte dünne Platte(64), durch Drücken durch ein mit einem axialen piezoelektrischen temperaturkompensierten Aktuator(72) beaufschlagten federnden Element(62), in Position haltbar ist, und die Bewegung des Kraftuntersetzungsstücks(20) und der Lamelle(8), und die Drehung des Ankers(26), durch einen Spannungspuls auslösbar ist.
Schnellschließendes Hochvakuumventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamelle(8) über die Lamellenstange(22) direkt durch eine gespannte dünne Platte(64), durch Drücken durch ein mit einem axialen piezoelektrischen temperaturkompensierten Aktuator(72) beaufschlagten federnden Element(62), in Position haltbar ist, und die Bewegung der dünnen Platte(64) und der Lamelle(8) durch Öffnen des federnden Elements(62, 72) durch einen Spannungspuls auslösbar ist.
Schnellschließendes Hochvakuumventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamelle(8) durch eine Feder(12) antreibbar ist.
Schnellschließendes Hochvakuumventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung einer Feder(12) oder mehrerer gekoppelter Federn(11, 12) durch eine Führungshülse(77) einstellbar ist, die an einem Ende auf das Verbindungsstück(78) von Lamellenstange(22), Feder(12) und Lamelle(8) aufsetzbar ist.
Schnellschließendes Hochvakuumventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamelle(8) in einer, an Federn(38) aufgehängten, beweglichen Lamellenführung(34, 35, 36, 37) zwischen dem Dichtring(9) und der an einem Führungsrahmen(34, 35, 36) befestigten Lochblende(37) axial verschiebbar ist.
Schnellschließendes Hochvakuumventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Lamelle(8) nach der Auslösung durch Druckfedern(32) dämpfbar ist, wobei die Druckfedern(32) über die Lochblende(37) axial auf die Lamelle(8) einwirkbar sind.
Schnellschließendes Hochvakuumventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die federbeaufschlagte Lamelle(8, 11, 12), der federbeaufschlagte Führungsrahmen(34, 35, 36, 38) und die federbeaufschlagte Lochblende(37, 32) in der UHV- Kammer(1) befinden, und sich das Kraftuntersetzungsstück(20) und der Elektromagnet(31) oder der relaisartige Magnet(53) oder das piezoelektrische Relais(60) oder das mit Piezoelementen(61) zusammengesetzte System oder die gespannte dünne Platte(64) und das federnde Element(62) etc. in einer HV- Kammer(18) befinden, und die UHV- Kammer(1) von der HV- Kammer(18) durch die Stopfbüchse(52) und die Lamellenstange(22) hermetisch dicht getrennt sind.
Schnellschließendes Hochvakuumventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftuntersetzungsstück(20) in einer Führung(21) beweglich ist, und die Lamellenstange(22) in einer Stopfbüchse(52) leichtgängig verschiebbar und durch die Stopfbüchse(52) gedichtet ist.
Schnellschließendes Hochvakuumventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückholstab (13) in einer Führung (43) und einer Stopfbüchse (40) verschiebbar ist und durch die Stopfbüchse (40) gedichtet ist.
Schnellschließendes Hochvakuumventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung einer, am drehbaren Anker(26) befestigten, am Magnetanker(28) ziehende, Feder(45) über einen Seilzug(75) und einen, durch eine Stopfbüchse(50) gedichteten; Stab(46) veränderbar ist, und der Stab(46) in einer Führung(47) und der Stopfbüchse(50) verschiebbar ist, ohne sich zu drehen, wobei ein mit dem Stab(46) verbundener Stift(49) in einer Nut der Führung(47) beweglich ist.
Schnellschließendes Hochvakuumventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der drehbare Anker(26) bei entspannter Ziehfeder(45) durch eine Feder(56) wieder in die Ausgangslage bringbar ist.
Schnellschließendes Hochvakuumventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule(79) des Elektromagneten(31) im Auslösefall schnell durch eine elektronische Schaltung mit einem Strom erregbar ist, der eine bestimmte Zeit auf einem konstanten Wert haltbar ist.