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Die
Erfindung betrifft eine Schleusenvorrichtung zum kontinuierlichen
Ein- und Ausbringen von Gegenständen, beispielsweise Behälter
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 Schleuseneinrichtung 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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Diese
Anordnung hat jedoch den Nachteil, dass die Evakuierung einzelner
Kammern auf den Zeitraum begrenzt ist, während dessen sich
die Öffnung der jeweiligen Kammer über einer Absaugöffnung
befindet. Somit ist die Evakuierungsdauer durch die Größe
der Kammer und die Drehgeschwindigkeit vorgegeben. Es ist jedoch
wünschenswert, die Evakuierungsdauer für einzelne
Druckstufen verlängern bzw. getrennt voneinander anpassen
zu können.
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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 Vakuumbeschichtungsraum
in einen Raum mit Atmosphärendruck ermöglicht,
die jedoch nicht die vorgenannte nachteilige Einschränkung
aufweist.
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Diese
Aufgabe wird mit einer Schleusenvorrichtung mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst. Demnach umfasst die Schleuse mindestens
einen drehbaren Schleusenzylinder mit am Umfang vorgesehenen, nach
außen hin offenen Kammern zur Aufnahme der Behälter,
mindestens einen in dem Schleusenzylinder vorgesehen Drehverteiler,
der mit den Kammern verbunden ist und über den die Kammern
evakuiert oder belüftet werden können, und ein fest
stehendes, den Schleusenzylinder zumindest teilweise umgebendes
Dichtelement, das so ausgebildet ist, dass es mit dem Schleusenzylinder
eine solche Abdichtwirkung erzielt, dass zwischen benachbarten Kammern
ein Druckgefälle erzeugt werden kann.
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Die
Kammern können auf diese Weise solange evakuiert bzw. belüftet
werden, wie sie von dem Dichtelement abgedichtet werden. Der dabei überstrichene
Drehwinkel kann größer aber auch keiner sein als
das von den seitlichen Wänden der Kammer eingeschlossene
Winkelsegment.
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Vorteilhafterweise
sind die Kammern jeweils über einen Kanal mit dem Drehverteiler
verbunden, und es sind Absperrvorrichtungen vorgesehen, mit denen
die Kanäle unabhängig voneinander verschlossen
werden können. Damit können einzelne Kammern unabhängig
voneinander evakuiert oder belüftet werden.
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Vorzugsweise
werden die Absperrvorrichtungen mit mindestens einer Hubkurve gesteuert.
Die ermöglicht eine kostengünstige und zuverlässige
Ansteuerung.
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In
einer günstigen Ausführungsform sind mehrere Drehverteiler
konzentrisch ineinander angeordnet. In diesem Fall können
mehrere Kammern von einer Seite des Schleusenzylinders auf unterschiedliche
Druckniveaus evakuiert oder belüftet werden.
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Vorzugsweise
bilden mehrere Drehverteiler gemeinsam eine differentielle Druckstufe,
so dass der Druck in den Kammern in Richtung der Vakuumbehandlungskammer
abnimmt. Dadurch können die Flaschen schrittweise an den
Unterdruck in der Behandlungskammer angepasst werden.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn das Dichtelement in Form eines Zylindermantels
ausgebildet ist, in dem einlassseitig ein ausgespartes Segment und
auslassseitig ein Übergabefenster ausgebildet ist. Auf
diese Weise wird ein durchgehender Dichtabschnitt zwischen dem einlassseitigen
Außenbereich und dem unterdruckseitigen Übergabefenster
bereit gestellt.
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Vorzugsweise
ist das Dichtelement an einer Seite des ausgesparten Segments befestigt,
so dass es durch Drehung des Schleusenzylinders auf Spannung gehalten
wird. Dadurch kann der einlassseitige Außenbereich zuverlässig
gegen den hinter dem Übergabefenster angeordneten Unterdruckbereich abgedichtet
werden.
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In
einer günstigen Ausführungsform ist das Dichtelement
axial starr und radial flexibel. Dadurch kann eine gute Dichtwirkung
bei hoher mechanischer Belastbarkeit erzielt werden.
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Vorteilhaft
ist es ferner, wenn das Dichtelement auf einem axial starren und
radial flexiblen Träger befestigt ist. Dadurch kann die
Dichtung bezüglich der Dichtwirkung optimiert werden und
die mechanische Belastbarkeit zusätzlich erhöht
werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter und in Figuren dargestellter
Ausführungsbeispiele näher beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 einen
schematischen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schleusenvorrichtung;
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2 eine
Schrägansicht eines erfindungsgemäßen
Dichtelements;
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3 einen
schematischen Längsschnitt durch einen Schleusenzylinder
gemäß eines zweiten erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiels;
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4 einen
schematischen Schnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schleusenvorrichtung;
und
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5 einen
schematischen Schnitt durch ein viertes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schleusenvorrichtung.
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Das
in 1 dargestellte, erste Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schleusenvorrichtung 1 umfasst
einen Schleusenzylinder 3, in dem umfangsseitig mehrere
Kammern 5 zur Aufnahme von je zwei Flaschen 7 ausgebildet
sind. Die Kammern 5 sind jeweils über einen Kanal 9 und
ein Absperrventil 11 sternförmig mit einem zentralen Drehverteiler 13 verbunden,
in dem Unterdruck herrscht. Das Absperrventil 11a ist in
einer geöffneten Position gezeigt, so dass die Kammer 5a über den
Drehverteiler 13 evakuiert wird. Dabei wird der Schleusenzylinder 3 mit
einem nicht dargestellten Motor in Richtung des Pfeils A angetrieben.
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Der
Schleusenzylinder 3 ist von einem in 1 und 2 gezeigten,
zylindermantelförmigen Dichtelement 15 umgeben,
in dem einlassseitig ein Segment 17 ausgespart und auslassseitig
ein Übergabefenster 19 ausgebildet ist. Die Aussparung 17 und
das Übergabefenster 19 schließen den
Winkel α ein, innerhalb dessen vorbei laufende Kammern 5 gegeneinander
abgedichtet werden. Die seitlichen Wände der Kammern 5 schließen
jeweils den Winkel β ein, wobei α > β. Das Dichtelement 15 ist
mit einem Befestigungsmittel 21 (in 2 durch
eine gestrichelte Linie angedeutet) auf einer Seite des Segments 17 fixiert,
so dass der sich im Dichtelement 15 drehende Schleusenzylinder 3 das
Dichtelement 15 durch Reibungskraft strafft. Dabei werden
nicht nur benachbarte Kammern 5 gegeneinander abgedichtet sondern
auch die einlassseitige Aussparung 17 gegenüber
dem auslassseitigen Übergabefenster 19.
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3 zeigt
den Schleusenzylinder 3 eines zweiten Ausführungsbeispiels
schematisch im Längsschnitt, wobei der obere Drehverteiler 13 und der
Kanal 9 dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
entsprechen. In 3 ist das Absperrventil 11 jedoch
als Stößel ausgebildet, der mit der oberen Hubkurve 23 gesteuert
wird.
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Der
Schleusenzylinder 3 des zweiten Ausführungsbeispiels
umfasst zwei zusätzliche untere Drehverteiler 25, 27,
die über die Kanäle 29, 31 ebenfalls
mit den Kammern 5 verbunden sind. Die Verbindung kann mit
den durch die untere Hubkurve 33 gesteuerten Absperrventilen 35, 37 für
jede Kammer 5 getrennt unterbrochen werden. In 3 sind
der Einfachheit halber alle Ventile 11, 35, 37 im
geöffneten Zustand abgebildet. Im Betrieb können
mehrere Ventile 11, 35, 37 gleichzeitig
geöffnet sein, jedoch werden einzelne Kammern 5 nicht
gleichzeitig mit mehreren Drehverteilern 13, 25, 27 verbunden.
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4 zeigt
ein drittes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel,
bei dem zwei einschleusende Zylinder 3 mit den jeweiligen
Drehverteilern 13a, 13b und zwei ausschleusende
Zylinder 3 mit den jeweiligen Drehverteilern 13c, 13d durch
einen auf den Druck p2 evakuierten Übergabebereich 38 miteinander
verbunden sind. In den Drehverteilern 13a, 13b herrschen
die Drücke p1 bzw. p3,
im Außenbereich 39 der Druck p0 und
im Vakuumbereich 40 der Druck p4. Hierbei
gilt: p0 > p1 > p2 > p3 ≈ p4.
Somit werden die Flaschen 7 in einer differentiellen Druckstufe
stufenweise evakuiert (durch Pfeile in den Kanälen 9 angedeutet).
In den Drehverteilern 13c, 13d herrschen die Drücke
p4 bzw. p2, um die
leeren, einlaufenden Kammern 5 der beiden ausschleusenden
Zylindern 3 zunächst auf denjenigen Druck zu evakuieren
(durch Pfeile in den Kanälen 9 angedeutet), unter
dem die Flaschen 7 aus dem Vakuumbereich 40 bzw.
dem Übergabebereich 38 abgeholt werden. Die Flaschen werden
auf diese Weise in zwei Stufen belüftet. Für die
ausschleusende differentielle Druckstufe gilt entsprechend: p4 < p2 < p0. Zusätzlich gezeigt ist ein angrenzender
Einlaufstern 41 und ein Auslaufstern 43
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5 zeigt
ein viertes Ausführungsbeispiel mit einem dreistufigen
Schleusenzylinder 3, wobei die Flaschen 7 zwei
Stufen beim Einschleusen und eine Stufe beim Ausschleusen durchlaufen.
Der Schleusenzylinder 3 umfasst drei Drehverteiler 13, 25, 27,
wie in 3 gezeigt, von denen in 5 der Übersichtlichkeit
halber nur der Drehverteiler 27 der ersten Stufe gezeigt
ist, der auf den Druck p1 evakuiert ist.
Der Drehverteiler 25 der zweiten einschleusenden Stufe
ist auf den Druck p2 evakuiert, der Drehverteiler 13 der
ausschleusenden Stufe auf den Druck p5 (Der
Luftstrom ist jeweils durch einen Pfeil angedeutet). Der auf den
Druck p3 evakuierte Übergabebereich 45 verbindet
den dreistufigen Drehzylinder 3 mit einem einschleusenden
und einem ausschleusenden Zylinder 47. Die Schleusenzylinder 47 unterscheiden
sich von dem Schleusenzylinder 3 dadurch, dass sie keinen
Drehverteiler umfassen. Dieser ist nicht nötig, da in dem Übergabebereich 45 der gleiche
bzw. annähernd der gleiche Druck herrschen kann wie in
dem Vakuumbereich 40.
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Somit
gilt für das Einschleusen: p0 > p1 > p2 > p3 ≈ p4. Das Ausschleusen erfolgt in einer differentiellen
Druckstufe gemäß: p4 ≈ p3 < p5 < p0. Die Drücke können aber
auch verschieden sein da Zylinder 47 den Übergabebereich 40 (p3)
vom Bereich 45 (p4) trennt, nur wird dann der Druck in
der Kammer 5 nicht beim Durchlaufen der Schleuse angepasst.
Vorzugsweise gilt p3 >=
p4, aber es kann z. B. p3 < p4
sein, wenn es sich im Bereich 40 beispielsweise um ein anderes
Gas handelt als in 45 und so wenig Gas wie möglich
von 45 nach 40 gelangen soll.
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Der
Schleusenzylinder 3 besteht vorzugsweise aus gefrästem
Stahl. Jedoch sind auch andere Materialien und Herstellungsverfahren
denkbar. In den Figuren nehmen die Kammern 5 jeweils zwei Flaschen 7 auf.
Es ist jedoch auch möglich, nur eine Flasche 7 oder
mehr als zwei Flaschen 7 pro Kammer 5 zu transportieren.
Ebenso können auch andere Gegenstände oder Behälter
ein- bzw. ausgeschleust werden.
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In 3 sind
die unteren Drehverteiler 25, 27 konzentrisch
ineinander ausgebildet. Auf diese Weise lassen sich die mehrere
Drehverteiler 13, 25, 27 auf der Ober-
und/oder Unterseite eines Schleusenzylinders 3 ausbilden.
Hierbei sind beliebige Kombinationen denkbar, jedoch auch Schleusenzylinder 3 mit
nur einem Drehverteiler 13, 25 oder 27.
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Die
Absperrvorrichtungen 11, 35, 37 sind
z. B. Kugelventile, Schieber oder Stößel und können sowohl
in den Kanälen 9, 29, 31 als
auch an deren Übergang zu den Kammern 5 angeordnet
sein. Die Steuerung der Ventile erfolgt vorzugsweise mit Hubkurven 23, 33,
die die Ventile 11, 35, 37 jeweils bei der
gewünschten Kammerposition öffnen bzw. wieder
schließen. Hierbei kann jede Hubkurve 23, 33 sowohl
eine als auch mehrere Ventilgruppen 11, 35, 37 ansteuern.
Alternativ sind jedoch auch servogesteuerte Schieber oder Kugelventile
denkbar bzw. eine Kombination unterschiedlicher Steuerungen.
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Das
Dichtelement 15 besteht vorzugsweise aus einem abriebfesten
Kunststoff mit geringem Reibungswiderstand. Besonders geeignet sind
z. B. PTFE-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe. Das Dichtelement 15 ist
elastisch, im Wesentlichen zylindermantelförmig und wird
an einer Seite der Aussparung 17 an einem nicht gezeigten,
fest stehenden Gehäuse oder Rahmen mit dem Befestigungsmittel 21,
z. B. einer Klemmvorrichtung, befestigt. Zur Verbesserung der mechanischen
Eigenschaften kann das Dichtelement 15 in axialer Richtung
verstärkt werden oder auf einem axial starren und radial
flexiblen Träger (nicht gezeigt) z. B. durch Kleben befestigt
werden. Damit lassen sich die Dichtwirkung und die mechanische Widerstandsfähigkeit
optimieren.
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Die
Dichtwirkung beruht u. a. auf dem Druckunterschied zwischen dem
Außenbereich 39 und den evakuierten Kammern 5.
Dabei wird das Dichtelement 15 durch die Drehung des Schleusenzylinders 3 auf
Spannung gehalten. Das Übergabefenster 19 ist
flexibel aber luftdicht mit dem Vakuumbehandlungsbereich 40 verbunden.
Die Übergabe der Flaschen 7 durch das Fenster 19 erfolgt
z. B. mit einem Entnahmestern (nicht gezeigt).
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Die
Anzahl der Druckstufen ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele
beschränkt. Insbesondere kann die Zahl der ein- und auslaufseitigen Druckstufen
voneinander abweichen. Ebenso können einzelne Merkmale
der gezeigten Ausführungsbeispiele, wie z. B. die Anzahl
der Drehverteiler pro Schleusenzylinder, miteinander kombiniert
werden. So könnte z. B. der dritte Drehverteiler 13 im
Drehzylinder 3 des vierten Ausführungsbeispiels
eingespart werden, wenn die Kammern 5 beim Ausschleusen nicht
auf den Druck p5 belüftet würden
sondern auf den Druck p1 und/oder p2.
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Die
Absaugung erfolgt vorzugsweise mit geeigneten Pumpen (nicht gezeigt).
Es ist jedoch auch möglich, den Druck beim Ausschleusen
durch passives Belüften, z. B. über geeignete
Düsen, stufenweise zu erhöhen. Ferner kann es
von Vorteil sein, beim Ausschleusen gewonnenes Vakuum zu recyceln
und beim Einschleusen zu nutzen, z. B. durch Zurückleiten
in den Drehverteiler 13a, 27 der ersten Stufe.
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Nachfolgend
wir die Funktionsweise der in den Ausführungsbeispielen
gezeigten Schleusenvorrichtung 1 erläutert.
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Der
Schleusenzylinder 3 des ersten Ausführungsbeispiels
gemäß 1 dreht sich kontinuierlich.
Die einzuschleusenden Flaschen 7 werden durch die Aussparung 17 des
Dichtelements 15 in die Kammer 5a des Zylinders 3 geleitet.
Sobald die Öffnung der Kammer 5a vollständig
von dem Dichtelement 15 bedeckt ist, wird das Ventil 11a geöffnet
(in 1 gezeigter Zustand) und die Kammer 5 wird vom
Raumdruck auf das gewünschte Druckniveau evakuiert. Bevor
die Kammer 5a das Übergabefenster 19 erreicht,
wird das Ventil 11 wieder geschlossen. Auf diese Weise
kann zwischen benachbarten Kammern 5 ein Druckgefälle
erzeugt werden.
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Es
ist jedoch auch denkbar, dass der Winkel α in 1 deutlich
größer ist als der Winkel β, so dass mehrere
Kammern 5 gleichzeitig von dem Dichtelement 15 abgedichtet
werden. In diesem Fall kann ein Druckunterschied zwischen benachbarten
Kammern 5 auch nur zeitweise bestehen. Zum Beispiel könnten zwei
benachbarte, nacheinander evakuierte Kammern 5 das gleiche
Druckniveau haben, wenn die vorlaufende Kammer 5 gerade
das Übergabefenster 19 erreicht. Ebenso ist es
möglich mehrere Ventile 11 gleichzeitig bzw. zeitlich
versetzt zu öffnen. Entscheidend ist, das die Ventile 11 nur
dann geöffnet werden, wenn die angeschlossenen Kammern 5 vollständig von
dem Dichtelement 15 abgedichtet sind.
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Die
Schleusenzylinder 3 des dritten Ausführungsbeispiels
werden ebenfalls kontinuierlich gedreht. Die unbehandelten Flaschen 7 werden
mit dem Einlaufstern 41 in eine Kammer 5 den ersten
Zylinders 3 geleitet. Sobald die Kammer 5 vollständig durch
das Dichtelement 15 abgedichtet ist, wird das Ventil 11 des
ersten Zylinders 3 geöffnet und die Kammer 5 wird
vom Raumdruck p0 auf das Druckniveau p1 (z. B. 200 mbar) evakuiert. Bevor die Kammer 5 das Übergabefenster 19 erreicht,
wird das Ventil 11 wieder geschlossen. Die Flaschen 7 kommen nun
in den Übergabebereich 38, der auf dem Druckniveau
p2 (z. B. 50 mbar) gehalten wird. Die Flaschen 7 werden
dann in die Kammern 5 des zweiten Zylinders 3 übergeben
und in diesem mit einem weiteren gesteuerten Ventil 11 auf
den Zieldruck von etwa 10 mbar evakuiert. Schließlich werden
die Flaschen 7 durch das Fenster 19 in dem zweiten
Dichtelement 15 in die Vakuumbehandlungskammer 40 übergeben.
Nachdem die Flaschen 7 den Behandlungsprozess durchlaufen
haben, werden über zwei weitere Zylinder 3 ausgeschleust.
Dabei werden die Flaschen 7 stufenweise belüftet,
d. h. die einlaufenden Kammern 5 (ohne Flaschen) der beiden
Ausschleuszylinder 3 werden ebenso wie die einlaufenden
Kammern 5 (mit Flaschen) der beiden Einschleuszylinder 3 durch
gesteuerte Belüftung bzw. Evakuierung auf die jeweiligen
Druckniveaus gebracht.
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Die
Funktionsweise des vierten Ausführungsbeispiels unterscheidet
sich vom Obenstehenden dadurch, dass die Flaschen 7 in
die Kammern 5 des dreistufigen Zylinders 3 eingespeist
werden. Sobald eine Kammer 5 vollständig von dem
Dichtelement 15 abgedeckt ist, öffnet das erste
Ventil 37 (siehe 3) dieser
Kammer 5, und die Kammer 5 wird auf das Druckniveau
p1 (z. B. 250 mbar) evakuiert. Nach Schließen
des ersten Ventils 37 wird das zweite Ventil 35 (siehe 3)
geöffnet. Die Kammer 5 wird in der Folge auf das
Druckniveau p2 (z. B. 65 mbar) evakuiert.
Nach Schließen des zweiten Ventils 35 kommt die
Flasche 7 in den Übergabebereich 45,
der durch Absaugung annähernd auf Prozessdruck gehalten
wird (z. B. 15 mbar). Der Zylinder 47 übergibt die
Flaschen 7 dann ohne weitere Druckanpassung an den Vakuumbereich 40.
Analog dazu werden die behandelten Flaschen 7 unter umgekehrten
Vorzeichen belüftet und wieder ausgeschleust, wobei die Belüftung
im Zylinder 3 durch gezieltes Öffnen des dritten
Ventils 11 (siehe 3) erfolgt.
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Im
Gegensatz zur bekannten Karussellschleuse kann die Evakuierungsdauer
der erfindungsgemäßen Schleuse verlängert
und für jede Druckstufe individuell angepasst werden. Dies
wird durch einfaches Ändern der Ventilsteuerung, z. B. durch
Anpassen der Hubkurven möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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