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Die Erfindung betrifft eine Schleusenvorrichtung zum kontinuierlichen Ein- und Ausbringen von Behältern in und aus einer Vakuumbehandlungskammer.
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Derartige Schleusenvorrichtungen werden z.B. für vakuumgestützte Beschichtungsprozesse benötigt, um z. B. die Gasdichtigkeit von PET-Flaschen zu erhöhen, die dazu üblicherweise bei einem Unterdruck von etwa 10 bis 40 mbar behandelt werden. Ein kontinuierliches Ein- bzw. Ausschleusen ist dabei für einen wirtschaftlichen Herstellungsprozess unabdingbar.
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Eine gattungsgemäße Schleuseneinrichtungen ist z. B. aus der
EP 0943699 B1 bekannt. Diese Schleuse umfasst ein Karussellgehäuse mit einem in diesem drehbar gelagerten Schleusenkammerrad, in dem umfangsseitig Schleusenkammern mit Öffnungen zum Be- und Entladen von zu schleusenden Behältern vorgesehen sind.
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Das Karussellgehäuse umfasst Saugstutzen zum Evakuieren der Schleusenkammern, die durch umfangsseitige Dichtungen auf dem Schleusenrad von einander atmosphärisch abgedichtet sind. Die Schleusenkammern zwischen der Beschickungsstation bzw. der Entladestation im Außenraum und dem evakuierten Behandlungsraum bilden eine differentielle Druckstufe, wobei der Schleusenkammerdruck umlaufend in Richtung des Behandlungsraums von dem im Außenraum üblicherweise herrschenden atmosphärischen Druck auf den in den Behandlungsraum herrschenden Druck abnimmt.
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Aufgrund der aufwändigen Herstellung des Karussellgehäuses und des Schleusenkammerrads ist eine nachträgliche Anpassung der Vorrichtung an unterschiedliche Behältergrößen und - formen jedoch kostspielig oder gar nicht möglich.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Schleusenvorrichtung zu schaffen, die ein kontinuierliches Ein- und Ausbringen von Behältern in und aus einem Vakuumraum in einen Raum mit Atmosphärendruck ermöglicht, die jedoch nicht die vorgenannten nachteiligen Einschränkungen aufweist.
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Diese Aufgabe wird mit einer Schleusenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Demnach umfasst die Schleuse mehrere Kammerelemente, die zu einem umlaufenden, zumindest einen geraden Abschnitt aufweisenden Transportband zusammengefasst sind und Kammern zum Aufnehmen der Behälter aufweisen sowie eine Schleusenplatte, die zumindest teilweise entlang des geraden Abschnitts angeordnet ist, wobei die Kammerelemente so ausgebildet sind, dass sie miteinander und mit der Schleusenplatte beim Vorbeilaufen eine solche Abdichtwirkung erzielen, dass zwischen benachbarten Kammern ein Druckgefälle erzeugt werden kann.
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Die Schleusenvorrichtung kann durch Austauschen der Kammerelemente auf flexible und kostengünstige Art an geänderte Anforderungen angepasst werden.
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Vorteilhafterweise ist in der Schleusenplatte mindestens eine Absaugöffnung, mindestens eine Belüftungsöffnung und mindestens ein sich in Richtung der Vakuumbehandlungskammer öffnendes Übergabefenster ausgebildet. Dadurch lassen sich die Kammern nach einander evakuieren, übergeben und belüften.
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In einer günstigen Ausführungsform dichten die Kammerelemente die Vakuumbehandlungskammer beim Überstreichen des Übergabefensters nach außen ab. Dadurch ist es möglich, das Übergabefenster breiter auszubilden als die Kammern.
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Vorzugsweise ist die Schleusenplatte aus einem abdichtenden Material gefertigt oder sie umfasst eine Dichtung, an der die Kammerelemente anliegen. In diesem Fall werden auf der Stirnseite der Kammerelemente keine Dichtungen benötigt.
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Vorzugsweise umfassen die Kammerelemente eine um die Kammer umlaufende und an der Schleusenplatte anliegende Dichtung. In diesem Fall wird auf der Schleusenplatte keine Dichtung benötigt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kammerelemente jeweils mindestens eine seitliche Dichtung umfassen, die die Kammerelemente gegen einander abdichtet. Dadurch kann das Übergabefenster beim Überfahren gegen den Außenraum abgedichtet werden.
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Vorzugsweise umfasst die Schleusenplatte mehrere Absaugöffnungen und/oder Belüftungsöffnungen und ist als differentielle Druckstufe ausgebildet, so dass der Druck in den an den Öffnungen vorbei laufenden Kammern in Richtung der Vakuumbehandlungskammer abnimmt. Dadurch können die Flaschen schrittweise an den Unterdruck in der Behandlungskammer angepasst werden.
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In einer günstigen Ausführungsform umfassen die Kammerelemente Laufrollen, die die Kammerelemente in Richtung der Schleusenplatte abstützen. Dadurch kann der von den Kammerelementen auf die Schleusenplatte ausgeübte Anpressdruck, und damit die beim Vorbeifahren verursachte Reibung, reduziert werden.
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Eine besonders günstige Ausführungsform umfasst eine Auflage, auf der die Rollen laufen und deren Abstand zur Schleusenplatte eingestellt werden kann. Dies ermöglicht die Einstellung des Anpressdrucks, so dass eine ausreichende Dichtwirkung erzielt und unnötig hohe Reibungsverluste vermieden werden können.
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Günstigerweise ist die Schleusenplatte auf der den Kammerelementen zugewandten Seite gehärtet. Dadurch verringert sich der Verschleiß.
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Vorzugsweise hängen die Kammerelemente kettenförmig aneinander. In diesem Fall können die Kammerelemente entlang der Schleusenplatte sowohl geschoben als auch gezogen werden.
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Vorteilhaft ist es ferner, wenn die Kammerelemente Schieber umfassen, mit denen die Behälter in Richtung des Übergabefensters bewegt werden können. Dadurch wird die Übergabe der Behälter am Übergabefenster erleichtert.
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Vorzugsweise werden die Schieber an der von der Schleusenplatte abgewandten Seite der Kammerelemente mit einer Nutkurve gesteuert. Dadurch lässt sich die Übergabe der Behälter auf einfache Weise steuern.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten und in Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine Schrägansicht einer erfindungsgemäßen Schleusenvorrichtung mit einer angrenzenden Vakuumkammer;
- 2 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Schleusenplatte;
- 3 eine Schrägansicht eines Kammerelements der Schleusenvorrichtung aus 1;
- 4 eine Draufsicht auf einen Teilbereich der Schleusenvorrichtung aus 1 mit angrenzenden Absaugvorrichtungen und einer angrenzenden Vakuumkammer.
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Die in 1 dargestellte, erfindungsgemäße Schleusenvorrichtung 1 umfasst mehrere, zu einem umlaufenden Transportband verbundene Kammerelemente 3 mit jeweils einer Kammer 5 zur Aufnahme von je zwei Flaschen 7. Die Kammerelemente 3 werden mit zwei Umlenksternen 9a, 9b an einer Schleusenplatte 11 in Richtung des Pfeils A entlang geführt. Beim Vorbeilaufen an der Schleusenplatte 11 werden die Kammern 5 mit den Absaugvorrichtungen 13a,b,c über (in 1 nicht dargestellte) Absaugöffnungen 15a,b,c evakuiert, wobei der jeweils anliegende Druck p1, p2, p3 in Laufrichtung A abnimmt. Nach dem Ein- und Ausschleusen der Flaschen in eine bzw. aus einer Vakuumkammer 17 (der Übersichtlichkeit halber offen dargestellt) werden die Kammern mit einer ebenfalls an der Schleusenplatte 11 vorgesehen Belüftungsvorrichtung 19 über eine (in 1 nicht dargestellte) Belüftungsöffnung 21 belüftet. Schematisch angedeutet sind ferner ein Beschickungsbereich 23 und ein Entladebereich 25, die wie die Umlenksterne 9a,b unter normalem Außendruck stehen.
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In 2 ist die der Vakuumkammer 17 zugewandten Seite der Schleusenplatte 11 schematisch dargestellt. Diese Seite wird im Folgenden der Einfachheit halber als Vakuumseite bezeichnet, während die Kammerelemente 3 entlang der sogenannten Atmosphärenseite laufen. In der Schleusenplatte 11 ist neben den Absaugöffnungen 15 und der Belüftungsöffnung 21 ein Übergabefenster 27 ausgebildet. Dieses verbindet die Kammern 5 der vorbei laufenden Kammerelemente 3 mit der Vakuumkammer 17.
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3 zeigt eine Detailansicht eines erfindungsgemäßen Kammerelements 3 mit einer zur Stirnseite des Kammerelements 3 offenen Kammer 5, in der zwei Flaschen 7 mit den Klammern 29 gehalten werden. Auf der Stirnseite des Kammerelements 3 ist eine Dichtung 31 vorgesehen, die teilweise seitlich um das Kammerelement 3 herum gezogen ist, so dass eine stirnseitige Dichtfläche 31a und seitliche Dichtflächen 31b bereit gestellt werden. Das Kammerelement 3 umfasst ferner Laufrollen 33, die auf der in 1 gezeigten Laufschiene 35 laufen, und die das Kammerelement 3 in Richtung der Schleusenplatte 11 abstützen, sowie in Richtung des Pfeils B bewegliche Schieber 37, an denen die Klammern 29 befestigt sind.
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4 zeigt Kammerelemente 3 beim Vorbeilaufen an den Absaugöffnungen 15a,b,c. Dabei liegen die stirnseitigen Dichtflächen 31a der Kammerelemente 3 an der Atmosphärenseite der Schleusenplatte 11 an, und die seitlichen Dichtflächen 31b benachbarter Kammerelemente 3 liegen ebenfalls an einander an. Wie der 4 zu entnehmen ist, sind die Absaugöffnungen 15a,b,c so voneinander beabstandet, dass die Kammern 5 jeweils mit höchstens einer Absaugöffnung 15a,b,c verbunden sind.
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Die Kammerelemente 3 hängen gemäß 1 über Verbindungsglieder 39 zusammen und formen so das umlaufenden Transportband. Somit können die Kammerelemente 3 wahlweise an der Schleusenplatte 11 entlang geschoben oder gezogen werden.
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Die Kammerelemente 3 könnten jedoch auch auf andere Weise mit einander verbunden werden, indem sie z. B an einer umlaufenden Kette oder Trägerband oder dgl. befestigt werden.
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Die Kammerelemente 3 sind im Wesentlichen aus Metall und/oder Kunststoff gefertigt und nehmen bevorzugt zwei Flaschen 7 auf. Die Kammerelemente könnten jedoch auch eine davon abweichende Zahl beliebiger Behälter aufnehmen.
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Die Dichtung 31 kann als stirnseitige Kunststofffläche ausgebildet sein. Eine Dichtwirkung mit der Schleusenplatte 11 wird durch Anpressen der Kunststofffläche an eine ebene Oberfläche der Schleusenplatte 11 erzielt. Es ist jedoch auch denkbar, dass zumindest die Atmosphärenseite der Schleusenplatte 11 aus Kunststoff besteht, und dass die Stirnseite der Kammerelemente 3 aus Metall ist. Es ist jedoch in jedem Fall eine seitliche Dichtfläche 31b vorzusehen. Dabei kann es ausreichend sein, die Dichtfläche 31b nur auf einer Seite des Kammerelements 3 vorzusehen. Ausschlaggebend ist, dass eine ausreichende Dichtwirkung zwischen benachbarten Kammerelementen 3 erzielt wird, wenn die Kammerelemente 3 an dem Übergabefenster 27 vorbei laufen.
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Die gesamte Dichtfläche zwischen zwei benachbarten Kammern ist so breit, dass die Absaugöffnungen 15 a,b,c durch diese beiden Dichtungen vollständig überdeckt werden. So wird verhindert, dass beim Überstreichen der Absaugöffnungen benachbarte Kammern kurzzeitig vakuumtechnisch verbunden sind, solange noch ein unterschiedlicher Druck in benachbarten Kammern herrscht.
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Die Laufrollen 33 sind kugelgelagert und weisen im Vergleich zu üblichen Gleitreibwerten, wie z. B. von PTFE auf poliertem Stahl, einen deutlich niedrigeren Rollreibwert auf. Dadurch können die Kammerelemente 3 bei nur geringem Reibungsverlust durch die Laufrollen 33 abgestützt werden, so dass die durch den Luftdruck ausgeübte Kraft nicht vollständig auf den Dichtflächen 31a lastet, sondern eine deutlich geringere Kraft, die jedoch ausreichend ist, die Dichtheit zu gewährleisten. Es ist jedoch nicht zwingend notwenig, die Laufrollen 33 vorzusehen.
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Gemäß 1 laufen die Laufrollen auf speziellen Laufschienen 35, deren Abstand von der Schleusenplatte 11 verstellbar ist. Damit kann einerseits die Druckkraft anteilig auf die Laufrollen 33 und die Dichtungen 31 verteilt werden, anderseits kann durch kontinuierliches Nachstellen des Abstandes der verschleißbedingte Abrieb der Dichtungen 31 kompensiert werden.
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Die Schieber 37 lassen sich z. B. durch zwei Stahlstangen realisieren, die auf der Rückseite der Kammerelemente 3 geeignet geführt und mit (nicht dargestellten) Wellendichtringen abgedichtet sind.
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Die Steuerung der Schieber 37 erfolgt bevorzugt mit einer (nicht dargestellten) Nutkurve. Eine solche Steuerung lässt sich auf einfache Weise bewerkstelligen. Je nach Position des Kammerelements 3 auf der Schleusenplatte 11 zieht der Schieber 37 die Flaschen in die Kammer 5 hinein oder schiebt sie heraus und übergibt sie an einen Übergabestern. Dieser kann z. B. aktive Klammern haben, damit die Flaschen sicher übergeben werden. Zur Veranschaulichung ist der Schieber 37a in 1 in einer in Richtung der Vakuumkammer 17 vorgeschobenen Übergabeposition dargestellt. Die benachbarten Schieber 37 befinden sich dagegen in der normalen Transportposition.
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Für die Übergabe der Flaschen 7 in den Vakuumbereich 17 können die Flaschen 7 alternativ durch einen Teilungsverzugstern abgeholt werden. In diesem Fall werden die Flaschen 7 in den Kammern 5 lediglich durch einfache Klammern 29 gehalten. Eine weitere Möglichkeit der Übergabe besteht darin, die Flaschen 7 durch einen einfachen Stern mit gesteuerten Klammern 29 direkt in der Kammer 5 abzuholen.
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Die Schleusenplatte 11 ist bevorzugt aus Stahl gefertigt und sollte auf der Atmosphärenseite besonders gehärtet sein, um Verschleiß zu reduzieren. Ist die Atmosphärenseite der Schleusenplatte 11 aus Kunststoff gefertigt, sollten die Stirnseiten der Kammerelemente 3 gehärtet sein.
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Die in 2 dargestellten Absaug- und Belüftungsöffnungen 15a,b,c, 21 sind schlitzförmig. Es sind stattdessen jedoch auch mehrere, z. B. übereinander angeordnete Bohrungen oder anders geformte Öffnungen denkbar. Die Abstände zwischen benachbarten Öffnungen 15a,b,c, 21 und 27 müssen jedoch mindestens so groß sein, dass ein Überströmen zwischen Bereichen unterschiedlichen Drucks vermieden wird.
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In 1, 2 und 4 sind jeweils drei Absaugvorrichtungen 13a,b,c bzw. drei Absaugöffnungen 15a,b,c gezeigt, die eine differentielle Druckstufe bilden, bei der der Druck in Richtung der Vakuumkammer 17 abnimmt. Es ist jedoch auch eine davon abweichende Zahl von Druckstufen möglich. Ebenso können belüftungsseitig mehrere Druckstufen mit in Laufrichtung A steigendem Druck angeordnet werden.
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Die Absaugvorrichtungen 13a,b,c umfassen vorzugsweise geeignete Pumpen. Es ist jedoch auch möglich, das an der Belüftungsöffnung 21 anliegende Vakuum aus den vorbei laufenden Kammern 5 zu recyceln und z.B. in die Absaugvorrichtungen 13a der ersten Stufe zurück zu leiten.
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Ebenso kann die Belüftungsvorrichtung 19 eine Pumpe umfassen. Es ist jedoch auch möglich, die Kammern 5 über eine (oder mehrere) geeignet dimensionierte Belüftungsöffnung 21 (Düsen) direkt mit der umgebenden Raumluft zu verbinden.
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Um eine effiziente Übergabe der Flaschen 7 durch das Übergabefenster 27 zu gewährleisten, ist dieses mindestens so breit wie die Kammern 5. Durch ein ausreichend großes oder durch ein weiteres Übergabefenster 27 können entleerte Kammern 5 wieder umgehend mit behandelten Flaschen 7 bestückt werden.
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Nachfolgend wird die Funktionsweise der im Ausführungsbeispiel gezeigten Schleusenvorrichtung erläutert.
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Das aus den Kammerelementen 3 gebildete Transportband wird kontinuierlich angetrieben, z.B. durch einen auf den Umlenkstern 9a wirkenden Motor (nicht dargestellt). An den Absaugöffnungen 13a,b,c liegt jeweils kontinuierlich ein Unterdruck p1, p2, p3 an, wobei der Druck in Richtung der Vakuumkammer 17 abnimmt (p1 > p2 > p3).
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Um Flaschen 7 kontinuierlich in den Vakuumbereich 17 einzuschleusen, werden die einzelnen Kammerelemente 3 zunächst nacheinander an einer geeigneten Beschickungsstation (z. B. mit einem üblichen Sternrad) im Bereich 23 mit Flaschen 7 bestückt und hintereinander über die entlang eines geraden Transportstreckenabschnitts angeordnete Schleusenplatte 11 transportiert.
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Läuft ein Kammerelement 3 über die erste Absaugöffnung 13a, so wird dessen Kammer 5 bei gleichzeitig fortgesetztem Bandtransport bis maximal zum Absaugdruck p1 evakuiert. Wird die Kammer nun weiter auf der Schleusenplatte bewegt, so dass die Kammer 5 nicht mehr mit der Absaugöffnung 13a verbunden ist, wird das Kammerelement 3 durch das zwischen der Umgebungsluft und der Kammer 5 herrschende Druckgefälle weiterhin gegen die Schleusenplatte 11 gepresst, so dass der Unterdruck in der Kammer 5 erhalten bleibt. Läuft das Kammerelement nun über die zweite Absaugöffnung 13b, wird die Kammer 5 bis maximal zum Absaugdruck p2 evakuiert. Durch Hintereinanderschalten mehrerer derartiger Absaugstufen werden die Kammern 5, und mit ihnen die Flaschen 7, schrittweise auf einen für die Einschleusung in den Vakuumbereich 17 geeigneten Unterdruck gebracht.
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Anschließend laufen die Flaschen an dem Übergabefenster 27 vorbei. Dabei werden die Flaschen 7 mit den Schiebern 37 in die Vakuumkammer 17 vorgeschoben und an einen Übergabestern zur Weiterbehandlung im Vakuum (z. B. zu einer Plasmabeschichtung o.Ä.) übergeben. Die entleerten Kammerelemente 3 werden dann zu einem zweiten Übergabestern weiter transportiert, der diese durch das Übergabefenster 27, oder ein weiteres Übergabefenster 27, mit behandelten Flaschen 7 bestückt. Währenddessen dichten die Kammerelemente 3 das Übergabefenster 27 gegen den umgebenden Atmosphärendruck ab.
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Anschließend laufen die Kammerelemente 3 über die Belüftungsöffnung 21. Dadurch wird der Druck in den Kammern 5 wieder schrittweise angehoben. Dies kann bei Bedarf in mehreren Stufen erfolgen. Das Vorgehen ist dabei analog zur oben beschriebenen schrittweisen Evakuierung, jedoch mit umgekehrten Vorzeichen.
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Sind die Flaschen 7 schließlich wieder bei Atmosphärendruck angelangt, werden sie zur Entladestation 25 transportiert und dort entnommen.
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Im Gegensatz zur bekannten Karussellschleuse kommt die erfindungsgemäße Schleuse ohne kostspielige Komponenten aus, wie z.B. einen aufwändig herzustellenden Kammerrotor oder das Rotorgehäuse. Stattdessen können mit der Erfindung unterschiedliche differenzielle Druckstufen mit im Wesentlichen einheitlichen bzw. standardisierten Komponenten, wie z. B. den Kammerelementen 3, realisiert und bei Bedarf modifiziert werden.
