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Die Erfindung betrifft ein Pendelventil mit einer Kalibriervorrichtung und Kalibrierfunktionalität zur Kompensation eines Lagerspiels in dem Pendelventil.
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Generell sind Ventile dafür vorgesehen einen Durchfluss insbesondere eines Fluids einstellbar zu machen. Mit einem Ventil kann der Durchfluss über einen maximalen Ventilöffnungsquerschnitt zugelassen oder vollständig abgesperrt werden. Zudem bieten bestimmte Ventiltypen die Möglichkeit eine Durchflussmenge pro Zeiteinheit zu regulieren, stellen also eine Regelbarkeit eines Fluiddurchflusses bereit.
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Eine spezifische Ventilgattung bilden Vakuumventile. Diese sind zur Regelung eines Volumen- oder Massenstroms und/oder zum im Wesentlichen gasdichten Schliessen eines Fliessweges, der durch eine in einem Ventilgehäuse ausgeformte Öffnung führt, in unterschiedlichen Ausführungsformen aus dem Stand der Technik bekannt und kommen insbesondere bei Vakuumkammersystemen im Bereich der IC-, Halbleiter- oder Substratfertigung, die in einer geschützten Atmosphäre möglichst ohne das Vorhandensein verunreinigender Partikel stattfinden muss, zum Einsatz.
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Derartige Vakuumkammersysteme umfassen insbesondere mindestens eine zur Aufnahme von zu bearbeitenden oder herzustellenden Halbleiterelementen oder Substraten vorgesehene, evakuierbare Vakuumkammer, die mindestens eine Vakuumkammeröffnung besitzt, durch welche die Halbleiterelemente oder anderen Substrate in die und aus der Vakuumkammer führbar sind, sowie mindestens eine Vakuumpumpe zum Evakuieren der Vakuumkammer. Beispielsweise durchlaufen in einer Fertigungsanlage für Halbleiter-Wafer oder Flüssigkristall-Substrate die hochsensiblen Halbleiter- oder Flüssigkristall-Elemente sequentiell mehrere Prozess-Vakuumkammern, in denen die innerhalb der Prozess-Vakuumkammern befindlichen Teile mittels jeweils einer Bearbeitungsvorrichtung bearbeitet werden. Sowohl während des Bearbeitungsprozesses innerhalb der Prozess-Vakuumkammern, als auch während des Transports von Kammer zu Kammer müssen sich die hochsensiblen Halbleiterelemente oder Substrate stets in geschützter Atmosphäre - insbesondere in luftleerer Umgebung - befinden.
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Hierfür kommen zum einen Peripherieventile zum Öffnen und Schliessen einer Gaszu- oder -abfuhr und zum anderen Transferventile zum Öffnen und Schliessen der Transferöffnungen der Vakuumkammern für das Ein- und Ausführen der Teile zum Einsatz.
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Die von Halbleiterteilen durchlaufenen Vakuumventile werden aufgrund des beschriebenen Anwendungsgebiets und der damit verbundenen Dimensionierung als Vakuum-Transferventile, aufgrund ihres mehrheitlich rechteckigen Öffnungsquerschnitts auch als Rechteckventil und aufgrund ihrer üblichen Funktionsweise auch als Schieberventil, Rechteckschieber oder Transferschieberventil bezeichnet.
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Peripherieventile werden insbesondere zur Steuerung oder Regelung des Gasflusses zwischen einer Vakuumkammer und einer Vakuumpumpe oder einer weiteren Vakuumkammer eingesetzt. Peripherieventile befinden sich beispielsweise innerhalb eines Rohrsystems zwischen einer Prozess-Vakuumkammer oder einer Transferkammer und einer Vakuumpumpe, der Atmosphäre oder einer weiteren Prozess-Vakuumkammer. Der Öffnungsquerschnitt derartiger Ventile, auch Pumpenventile genannt, ist in der Regel kleiner als bei einem Vakuum-Transferventil. Da Peripherieventile abhängig vom Einsatzgebiet nicht nur zum vollständigen Öffnen und Schliessen einer Öffnung, sondern auch zum Steuern oder Regeln eines Durchflusses durch kontinuierliches Verstellen des Öffnungsquerschnitts zwischen einer vollständigen Offenstellung und einer gasdichten Geschlossenstellung eingesetzt werden, werden sie auch als Regelventile bezeichnet. Ein mögliches Peripherieventil zur Steuerung oder Regelung des Gasflusses ist das Pendelventil.
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Bei einem typischen Pendelventil, wie beispielsweise aus der
US 6,089,537 (Olmsted) bekannt, wird in einem ersten Schritt ein in der Regel runder Ventilteller über eine in der Regel ebenfalls runde Öffnung von einer die Öffnung freigebenden Stellung in eine die Öffnung überdeckende Zwischenstellung rotatorisch geschwenkt. Im Falle eines Schieberventils, wie beispielsweise in der
US 6,416,037 (Geiser) oder der
US 6,056,266 (Blecha) beschrieben, ist der Ventilteller, wie auch die Öffnung, meist rechteckig ausgebildet und wird in diesem ersten Schritt linear von einer die Öffnung freigebenden Stellung in eine die Öffnung überdeckende Zwischenstellung geschoben. In dieser Zwischenstellung befindet sich der Ventilteller des Pendel- oder Schieberventils in einer beabstandeten Gegenüberlage zu dem die Öffnung umgebenden Ventilsitz. In einem zweiten Schritt wird der Abstand zwischen dem Ventilteller und dem Ventilsitz verkleinert, so dass der Ventilteller und der Ventilsitz gleichmässig aufeinander gedrückt werden und die Öffnung im Wesentlichen gasdicht verschlossen wird. Diese zweite Bewegung erfolgt vorzugsweise im Wesentlichen in eine senkrechte Richtung zum Ventilsitz.
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Die Abdichtung kann z.B. entweder über einen auf der Verschlussseite des Ventiltellers angeordneten Dichtungsring, der auf den die Öffnung umlaufenden Ventilsitz gepresst wird, erfolgen, oder über einen Dichtungsring auf dem Ventilsitz, gegen den die Verschlussseite des Ventiltellers gedrückt wird. Durch den in zwei Schritten erfolgenden Schliessvorgang wird der Abdichtring zwischen dem Ventilteller und dem Ventilsitz kaum Scherkräften, die den Abdichtring zerstören würden, unterworfen, da die Bewegung des Ventiltellers im zweiten Schritt im Wesentlichen geradlinig senkrecht auf den Ventilsitz stattfindet.
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Unterschiedliche Dichtvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der
US 6,629,682 B2 (Duelli). Ein geeignetes Material für Dichtungsringe und Dichtungen bei Vakuumventilen ist beispielsweise Fluorkautschuk, auch FKM genannt, insbesondere das unter dem Handelsnamen „Viton“ bekannte Fluorelastomer, sowie Perfluorkautschuk, kurz FFKM.
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Aus dem Stand der Technik sind zudem unterschiedliche Antriebssysteme zur Erzielung diese Kombination einer beim Pendelventil rotatorischen und beim Schieberventil translatorischen Bewegung des Ventiltellers parallel über die Öffnung und einer im Wesentlichen translatorischen Bewegung senkrecht auf die Öffnung bekannt, beispielsweise aus der
US 6,089,537 (Olmsted) für ein Pendelventil und aus der
US 6,416,037 (Geiser) für ein Schieberventil.
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Das Anpressen des Ventiltellers auf den Ventilsitz muss insbesondere für Vakuumanwendungen derart erfolgen, dass sowohl die geforderte Gasdichtigkeit innerhalb des gesamten Druckbereichs sichergestellt ist, als auch eine Beschädigung des Abdichtmediums, insbesondere des Dichtmaterials bzw. Abdichtrings (z.B. O-Ring), durch zu grosse Druckbeanspruchung vermieden wird. Um dies zu gewährleisten, sehen bekannte Ventile eine in Abhängigkeit von der zwischen den beiden Ventiltellerseiten herrschenden Druckdifferenz geregelte Anpressdruckregelung des Ventiltellers vor. Besonders bei grossen Druckschwankungen oder dem Wechsel von Unterdruck auf Überdruck, oder umgekehrt, ist eine gleichmässige Kraftverteilung entlang des gesamten Umfangs des Abdichtrings jedoch nicht immer gewährleistbar. Generell wird jedoch angestrebt, den Dichtring von Abstützkräften, die sich aus dem an das Ventil anliegenden Druck ergeben, zu entkoppeln.
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Da oben genannte Ventile unter anderem bei der Herstellung hochsensibler Halbleiterelemente in einer Vakuumkammer zum Einsatz kommen, muss eine entsprechende Abdichtwirkung auch für solche Vakuumkammern verlässlich gewährleistet sein. Hierfür ist insbesondere der Zustand des gesamten Ventils oder insbesondere eines Dichtmaterials oder einer bei Verpressung mit dem Dichtmaterial in Kontakt stehenden Dichtfläche von Bedeutung. Im Verlauf der Betriebsdauer eines Vakuumventils können typischerweise Veränderungen von Ventilkomponenten durch Abnutzungen des Dichtmaterials oder der Dichtflächen sowie durch strukturelle Veränderungen der Ventilkomponenten, z.B. Antriebseinheit oder Ventilstange, aufgrund von Umwelteinflüssen (Temperatur, Feuchtigkeit, Stösse etc.) auftreten.
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Eine Störungsquelle kann auch durch die Lagerung des Ventilverschlusses bzw. einer Antriebswelle gegeben sein. Diese kann daraus resultieren, dass das Pendelventil ab Werk in einer bestimmten Lage zusammengebaut und kalibriert ist, die Einbaulage des Ventils beim Kunden sich jedoch von der Lage des Zusammenbauens unterscheidet. Durch diese Lageänderung kann aufgrund eines gegeben Lagerspiels ein Versatz des Ventilverschlusses relativ zum Ventilsitz, insbesondere bei Anfahren der Schliessposition resultieren.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Pendelventil, insbesondere Vakuumpendelventil, bereitzustellen, welches die oben genannten Nachteile vermindert oder vermeidet.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Pendelventil bereitzustellen, welches eine verlässliche Dichtfunktionalität in einem eingebauten Zustand bereitstellt.
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Diese Aufgaben werden durch die Verwirklichung der kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Merkmale, die die Erfindung in alternativer oder vorteilhafter Weise weiterbilden, sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
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Die grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung ist es ein Vakuumpendelventil mit einem Sensor zur Entfernungsbestimmung so vorzusehen, dass mittels des Sensors ein Abstand zu einer mit einem Ventilverschluss verbundenen Fläche bestimmt werden kann und dieser Abstand von einer schwenkbar einstellbaren Öffnungsstellung des Verschlusses sowie einer räumlichen Ausrichtung des Ventils, z.B. aufgrund von auf den Ventilverschluss wirkenden Gravitationskräften, abhängen kann. Mittels der Entfernungsmessung kann so eine Lagekalibrierung des Ventilverschlusses durchgeführt werden und ein eventueller Versatz von einer Solllage kompensiert werden.
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Die Erfindung betrifft also ein Pendelventil, insbesondere ein Vakuumpendelventil, zur Regelung eines Volumen- oder Massenstroms und/oder zum Verschliessen und Öffnen einer Ventilöffnung. Das Pendelventil weist einen Ventilsitz auf, der die eine Öffnungsachse definierende Ventilöffnung definiert und eine die Ventilöffnung umlaufende erste Dichtfläche aufweist. Der Ventilsitz kann z.B. an einem Ventilgehäuse ausgeformt sein. Zudem ist ein Ventilverschluss vorgesehen, insbesondere ein Ventilteller, zur Regelung des Volumen- oder Massenstroms und/oder zum gasdichten Verschliessen der Ventilöffnung mit einer zweiten zu der ersten Dichtfläche korrespondierenden Dichtfläche. Der Ventilverschluss ist um eine Schwenkachse schwenkbar gelagert.
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Das Pendelventil weist auch eine mit dem Ventilverschluss gekoppelte Antriebseinheit auf, die zur derartigen Bereitstellung einer Schwenkbewegung des Ventilverschlusses um die Schwenkachse eingerichtet ist, dass der Ventilverschluss von einer Offenposition, in welcher der Ventilverschluss die Ventilöffnung zumindest teilweise freigibt, in eine Schliessposition, in welcher der Ventilverschluss in oder über der Ventilöffnung positioniert ist und den Öffnungsquerschnitt der Ventilöffnung (vollständig) überdeckt, und zurück verstellbar ist.
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In der Schliessposition kann insbesondere ein dichtender Kontakt der ersten Dichtfläche und der zweiten Dichtfläche vermittels einem dazwischen vorliegenden Dichtmaterial (z.B. ein Fluorpolymer aufweisender Dichtring) bestehen und die Ventilöffnung dadurch gasdicht verschlossen sein.
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Das Pendelventil weist eine Kalibrierfläche und einen Positionssensor zur Bestimmung einer Entfernung zwischen dem Positionssensor und der Kalibrierfläche auf.
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Der Positionssensor ist mit einer festen Positionsrelation relativ zum Ventilsitz angeordnet. Die Kalibrierfläche ist derart mit dem Ventilverschluss verbunden und derart beweglich angeordnet, dass eine Position der Kalibrierfläche bei einer Schwenkbewegung des Ventilverschlusses und die Entfernung zwischen dem Positionssensor und der Kalibrierfläche variieren.
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Der Positionssensor kann in einer Ausführungsform als optisch messender Entfernungssensor, als induktiver Entfernungsbestimmungssensor oder als akustisch messender Abstandssensor ausgebildet sein.
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Mit einer derartigen Anordnung kann somit eine zumindest von der Stellung des Ventilverschlusses abhängige Entfernung zwischen dem Sensor und der Kalibrierfläche bestimmt werden.
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In einer Ausführungsform kann das Pendelventil eine Kopplung aufweisen, wobei die Kopplung den Ventilverschluss mit der Antriebseinheit koppelt bzw. verbindet und die Kalibrierfläche mit der Kopplung oder dem Ventilverschluss bereitgestellt ist.
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Die Kopplung kann insbesondere eine Welle und/oder ein Getriebe aufweisen oder als solche bzw. solches ausgebildet sein und die Kalibrierfläche kann als ein mit der Kopplung verbundener oder mit der Kopplung ausgeformter Anschlag bereitgestellt sein.
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Die Kalibrierfläche kann also beispielsweise an einer Motorwelle oder einem mit der Welle in Verbindung stehenden beweglichen Element angeordnet sein und wird damit bei einem Schwenken des Ventilverschlusses entsprechend bewegt. So kann mit einer Messung der Distanz zu der Kalibrierfläche auf eine Stellung des Ventilverschlusses rückgeschlossen werden. Insbesondere kann eine Winkelstellung des Verschlusses um die Schwenkachse, also eine Lage des Verschlusses mit und zwischen der Offenposition und der Schliessposition, bestimmt werden. In andren Worten kann anhand der bestimmten Entfernung zwischen dem Positionssensor und der Kalibrierfläche eine aktuelle Lage des Ventilverschlusses relativ zum Ventilsitz bestimmt werden.
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Gemäss einer Ausführung kann das Pendelventil eine Steuerungs- und Verarbeitungseinheit mit zumindest einer Steuerungsfunktionalität und einer Kalibrierfunktionalität aufweisen. Die Steuerungsfunktionalität ist zur Steuerung der Schwenkbewegung des Ventilverschlusses eingerichtet. Damit kann beispielsweise ein Öffnen und Schliessen des Ventils aber auch jede Druckregelungseinstellung zwischen der Offenposition und der Schliessposition gesteuert werden.
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Die Kalibrierfunktionalität ist derart konfiguriert, dass bei deren Ausführung die Entfernung zwischen der Kalibrierfläche und dem Positionssensor als Kalibrierwert bestimmt wird und der Kalibrierwert mit einem Referenzwert verglichen und eine entsprechende Kalibrierinformation erzeugt wird.
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Der Referenzwert kann insbesondere als Referenzentfernung zwischen der Kalibrierfläche und dem Positionssensor bereitgestellt sein.
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Diese Referenzentfernung kann weiter insbesondere eine Entfernung zwischen der Kalibrierfläche und dem Positionssensor in einer Soll-Schliessposition des Ventilverschlusses bereitstellen oder dieser entsprechen. In der Soll-Schliessposition sind eine Projektion der ersten Dichtfläche und eine Projektion der zweiten Dichtfläche auf eine Ebene parallel zur ersten und/oder zweiten Dichtfläche zumindest teilweise, insbesondre vollständig, überlagert.
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In der Soll-Schliessposition können die erste Dichtfläche und die zweite Dichtfläche konzentrisch angeordnet sein.
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In der obigen Ausführungsform kann also der Ventilverschluss z.B. mittels der Steuerungs- und Verarbeitungseinheit in die Soll-Schliessposition versetzt werden. Hierbei kann von extern (nicht seitens einer Funktionalität das Ventils selbst, sondern z.B. durch einen Anwender) verifiziert werden, dass eine entsprechend genaue Positionierung des Ventilverschlusses oder der zweiten Dichtfläche relativ zum Ventilsitz oder der ersten Dichtfläche vorliegt. In dieser Soll-Schliessposition kann dann eine Messung mit dem Positionssensor durchgeführt werden und der so erfasste Entfernungswert als Referenzwert hinterlegt werden. Dieser Vorgang wird vorzugsweise bei der Fertigung des Ventils durchgeführt.
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In einer Ausführungsform wird im Rahmen der Kalibrierfunktionalität der Kalibrierwert in der Schliessposition des Ventilverschlusses bestimmt. Die Schliessposition (auch: Ist-Schliessposition) entspricht dabei der Position bzw. Lage, die von dem Verschlusselement eingenommen wird, wenn das Verschlusselement allein mittels der Steuerungs- und Verarbeitungseinheit in die Schliessposition versetzt wird. Hierbei erfolgt keine weiter (externe) Verifikation dieser Position, sondern es wird typischerweise angenommen, dass damit die gewünschte Schliessposition erreicht ist. Der Kalibrierwert kann entsprechend eine Entfernung zwischen der Kalibrierfläche und dem Positionssensor in dieser gesteuert angefahrenen Schliessposition des Ventilverschlusses bereitstellen oder dieser entsprechen.
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Das Bestimmen des Kalibrierwerts kann vorzugsweise nach einem Einbau des Pendelventils in einer Produktionsstätte (z.B. in einer Fertigungsstrasse für Halbleiter) oder einer dortigen Montage durchgeführt werden.
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In einer Ausführungsform kann die Kalibrierinformation insbesondere einer Abweichung der Ist-Schliessposition von der Soll-Schliessposition entsprechen. Die Kalibrierinformation kann alternativ oder zusätzlich eine Differenz aus der in der Soll-Schliessposition bestimmten Entfernung und der in der Ist-Schliessposition bestimmten Entfernung sein.
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Gemäss einer Ausführungsform kann im Rahmen der Kalibrierfunktionalität die Steuerungsfunktionalität in Abhängigkeit von der Kalibrierinformation angepasst werden.
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Insbesondere kann die Kalibrierinformation eine Abweichung des Kalibrierwertes von dem Referenzwert angeben und die Steuerungsfunktionalität derart angepasst werden, dass bei einer Schwenkbewegung des Ventilverschlusses in die Schliessposition die so erreichte Schliessposition (Ist-Schliessposition) der Soll-Schliessposition entspricht.
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Erfindungsgemäss kann damit durch eine zunächst durchgeführte Referenzmessung der Distanz zwischen Kalibrierfläche und Sensor und eine nachfolgende Kalibriermessung der Distanz zwischen Kalibrierfläche und Sensor eine Kalibration des Pendelventils durchgeführt werden. Hierzu kann basierend auf einem Vergleich der Referenzmessung und der Kalibriermessung eine Anpassung der Steuerung vorgenommen werden.
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Die Anpassung der Steuerungsfunktionalität kann derart erfolgen, dass das Verschlusselement in Folge der Anpassung so mittels der Steuerungsfunktionalität in die Schliessposition versetzbar ist, dass eine Abweichung der in der Ist-Schliessposition bestimmbaren Entfernung von der in der Soll-Schliessposition bestimmbaren Entfernung verringert oder vermieden (eliminiert) wird. Hierfür können typischerweise Steuerungsparameter der Steuerungsfunktionalität wie Schwenkdauer, Schwenkgeschwindigkeit, Schwenkwinkel, Motorstrom etc. angepasst werden.
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In einer Ausführungsform kann das Pendelventil eine Trenneinrichtung zur Trennung eines Prozessatmosphärenbereichs von einem Aussenatmosphärenbereich aufweisen. Insbesondere betrifft dies eine Ausgestaltung des Pendelventils als Vakuumpendelventil.
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Der Prozessatmosphärenbereich ist insbesondere als ein Bereich zu verstehen, der durch eine Prozesskammer (Vakuumkammer) definiert sein kann. In diesem Bereich kann eine Prozessatmosphäre, insbesondere ein Vakuum, zur Bearbeitung von Substraten (z.B. Halbleiter) hergestellt werden. Für diesen Bereich vorgesehene Komponenten müssen z.B. hinsichtlich Materialbeständigkeit und erhöhten Anforderungen genügen. Der Aussenatmosphärenbereich ist entsprechend insbesondere als ein Bereich zu verstehen, in dem normale atmosphärische Bedingungen vorliegen, z.B. Raumluft.
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Die Antriebseinheit kann hier zumindest teilweise, insbesondere vollständig, dem Aussenatmosphärenbereich und der Ventilverschluss insbesondere dem Prozessatmosphärenbereich zugeordnet sein.
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Die Trenneinrichtung des Ventils kann beispielsweise durch einen Balg gebildet sein. Der Balg kann z.B. innerhalb des Ventilgehäuses oder der Antriebseinheit vorgesehen sein.
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Ein aus dem Stand der Technik bekanntes und beispielsweise in dem
U.S. Patent 6,772,989 beschriebenes Ventil weist einen Ventilkörper mit zwei Anschlüsse, einen in einem die beiden Anschlüsse verbindenden Fliessweg im Fliessraum angeordneten Ventilsitz und eine dem Ventilsitz gegenüberliegende Öffnung auf. In einem die Öffnung verschliessenden Ventildeckel ist ein Kolben eines pneumatischen Zylindersystems angeordnet, welcher über eine Ventilstange einen Ventilteller, der den Ventilsitz öffnet und schliesst, antreibt. Der Ventildeckel ist durch eine Balgplatte gasdicht an der Öffnung angebracht. Die beiden Enden eines Balgs, der die Ventilstange umgibt, sind gasdicht an der inneren Randfläche der Balgplatte und am Ventilteller befestigt. Der Ventilteller weist an der dem Ventilsitz zugewandten Fläche eine ringförmige Halterungsnut auf, in welcher ein Dichtring angeordnet ist.
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Übertragen auf das erfindungsgemässe Pendelventil kann die Ventilstange durch die Kopplung (z.B. Getriebe oder Welle) verkörpert sein.
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Das Ventilgehäuse des Pendelventils ist z.B. aus Aluminium oder Edelstahl gefertigt, oder mit Aluminium oder einem anderen geeigneten Material innen beschichtet, während der Ventilteller und der Balg meist aus Stahl bestehen. Der in seiner Längsachse innerhalb des Bereichs des Verstellwegs des Tellers ausdehnbare und zusammendrückbare Balg dichtet den Fliessraum luftdicht von der Ventilstange und dem Antrieb ab. Zur Anwendung kommen vor allem zwei Typen von Bälgen. Einerseits der Membranbalg, andererseits der Wellenbalg, welcher letzterer sich gegenüber dem Membranbalg dadurch auszeichnet, dass er keine Schweissnähte aufweist und leichter gereinigt werden kann, jedoch einen geringeren maximalen Hub aufweist.
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Die Erfindung betrifft ausserdem ein Verfahren zum Kalibrieren eines oben beschriebenen Pendelventils. Das Verfahren weit zumindest folgende Schritte auf:
- • Bestimmen einer Entfernung zwischen der Kalibrierfläche und dem Positionssensor als Kalibrierwert,
- • Vergleichen des Kalibrierwerts mit einem Referenzwert, wobei der Referenzwert eine Referenzentfernung (Soll-Entfernung) zwischen der Kalibrierfläche und dem Positionssensor bereitstellt,
- • Bereitstellen einer eine Abweichung des Kalibrierwertes von dem Referenzwert angebenden Kalibrierinformation, und
- • derartiges Anpassen einer Steuerung der Schwenkbewegung des Ventilverschlusses basierend auf der Kalibrierinformation, dass bei einer Schwenkbewegung des Ventilverschlusses in die Schliessposition die so erreichte Schliessposition einer Soll-Schliessposition entspricht.
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Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger, insbesondere einer Steuer- und Verarbeitungseinheit eines oben beschriebenen Pendelventils, gespeichert ist, oder Computer-Daten-Signal, verkörpert durch eine elektromagnetische Welle, zur Durchführung bzw. Steuerung der Schritte des obigen Verfahrens. Das Computerprogrammprodukt kann einen hierfür ausgestalteten Algorithmus aufweisen.
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Das erfindungsgemässe Ventil wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen rein beispielhaft näher beschrieben. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die beschriebenen Ausführungsformen sind in der Regel nicht massstabsgetreu dargestellt und sie sind auch nicht als Einschränkung zu verstehen.
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Im Einzelnen zeigen
- 1a-b eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Vakuumpendelventils;
- 2a-b eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Pendelventils in der Schliessposition in einer Querschnittsansicht sowie einen vergrösserten Ausschnitt des Pendelventils im Bereich der Antriebseinheit;
- 3a-b eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Pendelventils in der Offenposition in einer Querschnittsansicht sowie einen vergrösserten Ausschnitt des Pendelventils im Bereich der Antriebseinheit; und
- 4 einen Querschnitt im Randbereich des Ventilverschlusses eines erfindungsgemässen Ventils.
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Die 1a und 1b zeigen eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Vakuumpendelventils 10. Das Ventil 10 ist insbesondere ausgebildet zum Regeln eines Massenstroms und zum im Wesentlichen gasdichten Unterbrechen eines Fliesswegs. Das Ventil 10 hat ein Ventilgehäuse 11, welches eine Öffnung 12 aufweist. Die Öffnung 12 hat hier beispielsweise einen kreisrunden Querschnitt. Die Öffnung 12 wird von einem Ventilsitz umschlossen. Dieser Ventilsitz weist eine axial, in einer Schliessposition in Richtung eines Ventilverschlusses 14 (Ventilteller) weisenden und quer zu einer Öffnungsachse A verlaufenden, die Form eines Kreisrings aufweisenden erste Dichtfläche 13 auf, welche im gezeigten Beispiel am Ventilgehäuse 11 ausgeformt ist.
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Der Ventilverschluss 14 ist um eine Rotationsachse R schwenkbar und im Wesentlichen parallel zur Öffnungsachse A verstellbar. In einer Geschlossenstellung S (1a) des Ventiltellers 14 (Ventilverschluss), ist die Öffnung 12 mittels des Ventiltellers 14, welcher eine zweite Dichtfläche mit Dichtmaterial aufweist, überdeckt. Eine Offenstellung des Ventils 10 ist in 1b gezeigt. Der Ventilverschluss 14 ist dabei derart um die Schwenkachse geschwenkt, dass die Öffnung 12 vollständig freigegeben ist und der Ventilverschluss 14 in dem Ventilgehäuse 11 vorliegt.
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Der Ventilverschluss 14 ist über einen seitlich an dem Verschluss angeordneten, sich senkrecht zur Öffnungsachse erstreckenden Arm (nicht gezeigt) mit einer Antriebseinheit 19 (z.B. Motor) verbunden. Dieser Arm befindet sich in der Schliessstellung (1a) des Ventiltellers 14 ausserhalb des entlang der Öffnungsachse A geometrisch projizierten Öffnungsquerschnitts der Öffnung 12.
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Der Antrieb 19 ist durch Einsatz eines entsprechenden Getriebes derart ausgebildet, dass der Ventilteller 14 - wie bei einem Pendelventil üblich - mittels einer Querbewegung x durch den Antrieb 19 quer zur Öffnungsachse A und im Wesentlichen parallel über den Querschnitt der Öffnung 12 und senkrecht zur Öffnungsachse A in Form einer Schwenkbewegung um die Schwenkachse R zwischen einer Offenposition (1b) und einer Schliessposition (1a) schwenkbar ist.
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Als Schliessposition ist ein Zustand des Ventilverschlusses 14 zu verstehen, in welchem der Ventilverschluss 14 die Öffnung 12 zumindest überdeckt. In der Schliessposition kann der Ventilverschluss 14 kontaktlos relativ zum Ventilsitz vorliegen (Zwischenstellung; es wird keine vollständige Abdichtung der Öffnung durch Kontaktieren des Dichtmaterials mit sowohl der ersten als auch der zweiten Dichtfläche bereitgestellt). In der Schliessposition kann jedoch auch ein gasdichtes Verschliessen der Öffnung 12 (Abdichtstellung) bereitgestellt sein. Hierbei ist das Dichtmaterial seitens des Ventilverschluss 14 mit der ersten Dichtfläche 13 in Kontakt. Der Ventilverschluss 14 ist hierzu entsprechend einer entlang der Öffnungsachse A erfolgenden Längsbewegung y durch den Antrieb 19 linear verschiebbar.
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Wie bereits erwähnt ist der Ventilteller 14 in der Offenposition in einem seitlich neben der Öffnung 12 angeordneten Verweilabschnitt positioniert, so dass die Öffnung 12 und der Fliessweg freigegeben sind. In der Zwischenstellung ist der Ventilteller 14 über der ersten Öffnung 12 beabstandet positioniert und überdeckt den Öffnungsquerschnitt der Öffnung 12. In der Abdichtstellung ist die Öffnung 12 gasdicht geschlossen und der Fliessweg unterbrochen, indem ein gasdichter Kontakt zwischen dem Ventilverschluss 14 und der Dichtfläche 13 des Ventilsitz (vermittels des Dichtmaterials) besteht.
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Um ein automatisiertes und geregeltes Öffnen und Schliessen des Ventils zu ermöglichen, kann das Ventil eine elektronische Steuerungs- und Verarbeitungseinheit 18 aufweisen, die derart ausgebildet ist und mit dem Antrieb 19 in derartiger Verbindung steht, dass der Ventilteller 14 zum gasdichten Abschliessen eines Prozessvolumens oder zum Regeln eines Innendrucks dieses Volumens entsprechend verstellbar ist. Eine solche Steuerungs- und Verarbeitungseinheit 18 kann zusammen mit dem Ventil, einer Prozesskammer und z.B. einer Periphereinheit (z.B. Gaseinlasseinheit) den Kern einer Vakuumbearbeitungsvorrichtung bilden, wie beispielsweise in der Halbleiterproduktion eingesetzt.
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Die Stellung des Ventiltellers 14 kann anhand einer Regelgrössen und eines ausgegebenen Steuersignals variabel eingestellt werden. Als Inputsignal kann eine Information z.B. über einen aktuellen Druckzustand in dem mit dem Ventil verbundenen Prozessvolumen erhalten werden. Zudem kann dem Regler eine weitere Inputgrösse, z.B. ein Massenzustrom in das Volumen, bereitgestellt werden. Anhand dieser Grössen und anhand eines vorgegebenen Solldrucks, der für das Volumen eingestellt bzw. erreicht werden soll, kann dann eine geregelte Einstellung des Ventils über die Zeit eines Regelzyklus erfolgen, so dass ein Massenabfluss aus dem Volumen mittels des Ventils über die Zeit geregelt werden kann. Hierzu ist hinter dem Ventil typischerweise eine Vakuumpumpe vorgesehen, d.h. das Ventil ist zwischen der Prozesskammer und der Pumpe angeordnet. Somit kann ein gewünschter Druckverlauf eingeregelt werden.
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Durch die Einstellung der Position des Ventilverschlusses 14 kann ein jeweiliger Öffnungsquerschnitt für die Ventilöffnung 12 eingestellt und damit die mögliche Gasmenge eingestellt werden, die pro Zeiteinheit aus dem Prozessvolumen evakuiert werden kann. Der Ventilverschluss 14 kann zu diesem Zweck eine von einer kreisrunden Form abweichende Form aufweisen, insbesondere um einen möglichst laminaren Medienfluss zu erreichen.
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Zur Einstellung des Öffnungsquerschnitts kann der Ventilteller 14 durch die Steuerungs- und Verarbeitungseinheit 18 mittels der Querbewegung x durch den Antrieb 19 von der Offenposition in die Zwischenstellung und mittels der Längsbewegung y durch den Antriebs 19 von der Zwischenstellung in die Abdichtstellung verstellt werden. Zum vollständigen Öffnen des Fliesswegs ist der Ventilteller 14 dann durch die Steuerung mittels der Längsbewegung y von der Abdichtstellung in die Zwischenstellung und von dort aus mittels der Querbewegung x von der Zwischenstellung in die Offenposition verstellbar.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Antrieb 19 als ein Elektromotor ausgebildet, wobei das Getriebe derart umschaltbar ist, dass ein Antreiben des Antriebs 19 entweder die Querbewegung x oder die Längsbewegung y bewirkt. Der Antrieb 19 und das Getriebe werden von der Regelung elektronisch angesteuert. Derartige Getriebe, insbesondere mit Kulissenschaltungen, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Weiters ist es möglich, mehrere Antriebe zum Bewirken der Querbewegung x und der Längsbewegung y einzusetzen, wobei die Steuerung die Ansteuerung der Antriebe übernimmt. In einer solchen Ausführungsform sind die mehreren Antriebe als Teile der Antriebseinheit zu verstehen.
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Das präzise Regeln bzw. Einstellen des Durchflusses mit dem beschriebene Pendelventil ist nicht nur durch das schwenkende Verstellen des Ventiltellers 14 zwischen der Offenposition und der Zwischenstellung mittels der Querbewegung x, sondern vor allem durch lineares Verstellen des Ventiltellers 14 entlang der Öffnungsachse A zwischen der Zwischenstellung, der Abdichtstellung mittels der Längsbewegung y möglich. Das beschriebene Pendelventil kann für präzise Regelaufgaben eingesetzt werden.
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Sowohl der Ventilteller 14 als auch der Ventilsitz besitzen jeweils eine Dichtfläche - eine erste und eine zweite Dichtfläche. Die zweite Dichtfläche am Ventilverschluss weist zudem eine Dichtung auf. Diese Dichtung kann beispielsweise als Polymer mittels Vulkanisation auf die zweite Dichtfläche aufvulkanisiert sein. Alternativ kann die Dichtung z.B. als O-Ring in einer Nut des Ventilverschlusses ausgeführt sein. Auch kann ein Dichtmaterial auf den Ventilverschluss aufgeklebt sein und dadurch die Dichtung verkörpern. In einer alternativen Ausführungsform kann die Dichtung seitens des Ventilsitzes, insbesondere auf der ersten Dichtfläche 13, angeordnet sein. Auch Kombinationen dieser Ausführungen sind denkbar.
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Die Steuerungs- und Verarbeitungseinheit 18 kann beispielsweise in integrierter Bauweise mit dem Vakuumventil ausgebildet sein, d.h. die Steuerungs- und Verarbeitungseinheit wird durch und mit dem Ventil bereitgestellt. Alternativ kann die Steuerungs- und Verarbeitungseinheit physisch getrennt von dem Ventil 10 vorliegen und beispielsweise in einer drahtlosen Kommunikationsverbindung mit der Antriebseinheit 19 und/oder dem Positionssensor 21 stehen.
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Das Pendelventil 10 weist zudem einen Positionssensor 21 auf, der zur Bestimmung einer Entfernung zwischen dem Positionssensor 21 und einer Kalibrierfläche 22 ausgebildet ist. Der Positionssensor 21 ist mit einer festen Positionsrelation relativ zum Ventilsitz bzw. am Ventilgehäuse 11 angeordnet. Die Kalibrierfläche 22 steht mit dem Ventilverschluss 14 in Verbindung und ist derart beweglich angeordnet, dass eine Position der Kalibrierfläche 22 bei einer Schwenkbewegung des Ventilverschlusses 14 und die Entfernung zwischen dem Positionssensor 21 und der Kalibrierfläche 22 entsprechend variieren.
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Der Positionssensor 21 kann als induktiver oder optischer Sensor zur Bestimmung einer Entfernung zu einem Ziel (hier: Kalibrierfläche 22) ausgebildet sein.
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Die 2a zeigt das Pendelventil 10 nach 1a in der Schliessposition in einer Querschnittsansicht (Schnitt durch eine zur Öffnungsachse A orthogonalen Ebene). Die 2b zeigt einen Ausschnitt des Ventils 10 aus 2a im Bereich der Antriebseinheit 19.
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Der Positionssensor 21 ist im gezeigten Beispiel fest mit einem Teil der Antriebseinheit 19, z.B. mit dem Gehäuse, verbunden. Zudem ist eine elektrische Anbindung 23 des Sensors gezeigt, insbesondere ein Kabel, zur Energieversorgung des Sensors 21 und/oder zur Übertragung von Messsignalen vom Sensor 21 zur Steuerungs- und Verarbeitungseinheit 18. In einer alternativen Ausführungsform kann die Anbindung 23 entfallen und beispielsweise eine sensorintegrierte Energieversorgung (z.B. Batterie oder Akku) und eine drahtlose Kommunikation (z.B. WLAN, WiFi, Bluetooth, NFC etc.) vorgesehen sein.
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Der Positionssensor 21 ist dazu eingerichtet einen Abstand zu der Kalibierfläche 22 zu bestimmen. Die Kalibierfläche 22 ist einer beweglichen Kopplung 15 (Schwenkelement) zugeordnet. Das Schwenkelement 15 ist um die Schwenkachse Achse R drehbar gelagert und mittels der Antriebseinheit 19 antreibbar. Insbesondere weist die Kopplung 15 eine Welle der Antriebseinheit 19, insbesondere eines Motors der Antriebseinheit 19, oder ein Getriebe der Antriebseinheit 19 auf oder ist als solche bzw. solches ausgebildet. Die Kalibierfläche 22 kann als ein mit der Kopplung 15 verbundener Anschlag bereitgestellt sein.
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Die Kopplung 15 koppelt den Ventilverschluss 14 mit der Antriebseinheit 19 derart, dass die Beweglichkeit des Ventilverschlusses 14 durch die Antriebseinheit 19 durch die Kopplung 15 bereitgestellt ist.
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In einer Ausführungsform kann die Kopplung 15 die Motorwelle der als Elektromotor bereitgestellten Antriebseinheit 19 sein.
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In der mit 2a und 2b gezeigten Schliessposition liegt ein erster Abstand zwischen dem Positionssensor 21 und der Fläche 22 vor. In der mit 3a und 3b gezeigten Offenposition liegt ein zweiter Abstand zwischen dem Positionssensor 21 und der Fläche 22 vor. Der zweite Abstand ist grösser als der erste Abstand.
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Die für die Bereitstellung der Beweglichkeit des Ventilverschlusses 14 vorgesehene Kopplung 15 weist fertigungsbedingt typischerweise ein zumindest sehr kleines Lagerspiel relativ zum Ventilsitz auf. Als Spiel soll hier ein fertigungs- oder anwendungsbedingte Bewegungsfreiraum verstanden sein, in dem sich ein mechanisches Bauteil während oder nach der Montage gegen ein anderes oder mit einem anderen Bauteil, der Baugruppe bzw. Funktionseinheit frei bewegen lässt.
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Insbesondere bei der Konstruktion und Fertigung eines Vakuumventils ist das Spannungsfeld zwischen grossem Spiel in Verbindung mit einer leichtgängigen Beweglichkeit des Ventilverschlusses 14 und kleinem Spiel in Verbindung mit grosser Positioniergenauigkeit des Ventilverschlusses 14 zu berücksichtigen. Da eine präzise Positionierung des Ventilverschlusses 14 relativ zum Ventilsitz sowohl für eine verlässliche Abdichtung der Ventilöffnung 12 bedeutend ist als auch einem übermässigen oder vorzeitigen Verschleiss des Dichtmaterials vorbeugt, ist ein kleines Lagerspiel typischerweise vorzuziehen. Eine Vermeidung des Spiels kann jedoch allein schon zur Vermeidung grosser Reibungskräfte im Lager nicht vollständig gelingen.
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Bei der Fertigung bzw. Montage des Vakuumventils 10 werden die Ventilkomponenten derart aufeinander abgestimmt und montiert, dass insbesondere ein präzises Verschliessen der Ventilöffnung 12 durch eine entsprechende Bewegung des Ventilverschlusses 14 bereitstellbar ist. Die Kalibrierung wird also typischerweise derart vorgenommen, dass in der Schliessposition des Ventilverschlusses 14 ein präzises Übereinanderliegen der ersten und der zweiten Dichtfläche gegeben ist. Jedoch wird diese Montage und Einstellung (Kalibrierung) des Ventils 10 immer in einer bestimmten Ausrichtung (Kalibrierausrichtung) des Ventils 10, z.B. in einer horizontalen Ausrichtung (vgl. 1a und 1b), durchgeführt. Das Getriebespiel kann sich dann nachteilig auf die Funktionsverlässlichkeit des Ventils 10 auswirken, wenn das Ventil in einer Ausrichtung (Einbaulage) verbaut wird, die von der Kalibierausrichtung abweicht.
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Aufgrund insbesondere der Masse des Ventilverschlusses 14 wirkt die dadurch verursachte Gewichtskraft in Abhängigkeit der Ventilausrichtung in eine bestimmte Richtung und damit auch unterschiedlich auf die Kopplung 15 (insbesondere das Getriebe und die Lagerung). Auch durch die Bewegung des Verschlusses 14 verursachte Trägheitskräfte wirken entsprechend unterschiedliche, insbesondere in unterschiedliche Richtungen.
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Dies kann zur Folge haben, dass bei einem Einbau des Vakuumventils 10 in einer Einbaulage, die sich von der Kalibrierausrichtung unterscheidet, der Ventilverschluss 14 bei einem Anfahren der Schliessposition eine Lage bzw. Position einnimmt, die von kalibrierten Schliessposition abweicht.
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Erfindungsgemäss kann eine solche Abweichung anhand einer Anstandsmessung mittels des Positionssensors 21 festgestellt und steuerungsseitig kompensiert werden. Der Vorteil dieses Ansatzes liegt auch darin, dass für eine Kalibrierung des Ventils in einer derartigen Einbauausrichtung kein aufwändiger mechanischer Eingriff erforderlich wird, sondern die Kalibrierung mittels der Ventilsteuerung erfolgen kann.
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Erfindungsgemäss kann zunächst ein Referenzwert für einen in der Kalibrierausrichtung in der Schliessposition vorliegenden Abstand zwischen der Kalibrierfläche 22 und dem Sensor 21 bestimmt werden. Dieser Referenzwert kann entsprechend eine Sollposition (Winkelstellung um die Schwenkachse R) für den Ventilverschluss 14 für das Erreichen der Schliessposition repräsentieren. In anderen Worten liegt dann der Ventilverschluss 14 bei einer Ermittlung des Referenzwertes als Abstand in der Soll-Schliessposition vor. Diese Ermittlung des Referenzwerts wird vorzugsweise werkseitig im Rahmen der Fertigung des Vakuumventils durchgeführt.
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Zudem kann ein Kalibrierwert für das Vakuumventil ermittelt werden. Der Kalibrierwert kann dabei eine Entfernung zwischen der Kalibrierfläche 22 und dem Positionssensor 21 sein, wobei der Ventilverschluss 14 in eine Schliessposition versetzt worden ist. D.h. der Ventilverschluss 14 wird durch Ansteuerung der Antriebseinheit mittels der Steuerungs- und Verarbeitungseinheit in die Schliessposition verschwenkt (open-loop). Die dabei erreichte Endposition des Ventilverschlusses 14 entspricht dabei insbesondere vordefinierten Ansteuerungswerten. Die Bestimmung des Kalibrierwert kann vorzugsweise kundenseitig, z.B. nach einem Einbau des Ventils in eine Produktionslinie, erfolgen
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Wie oben erwähnt kann z.B. aufgrund einer unterschiedlichen Ventilausrichtung oder z.B. aufgrund einer Repositionierung des Motors (z.B. auf der anderen Ventilseite) bei der Bestimmung des Kalibrierwertes eine Abweichung zwischen dem vorbestimmten Referenzwert und dem Kalibrierwert vorliegen. Eine solche Abweichung kann durch Vergleichen der beiden Werte als Kalibrierinformation abgeleitet und bereitgestellt werden.
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In einer Ausführungsform kann basierend auf der Kalibrierinformation eine Anpassung der Steuerungsfunktionalität zur Ansteuerung der Antriebseinheit erfolgen. Konkret können entsprechende Ansteuerungsparameter wie z.B. eine Endlage (Winkelstellung um die Schwenkachse R), Motorstrom, Schwenkdauer etc. derart angepasst werden, dass der Ventilverschluss 14 bei einem Anfahren der Schliessposition auch in der Einbaulage die Soll-Schliessposition entsprechend dem Referenzwert einnimmt. Damit kann eine Positionskalibrierung auf einfache Weis nach dem Einbau des Ventils (beim Kunden) realisiert werden und folglich die Verlässlichkeit der Abdichtwirkung und eine Präzision der korrespondierenden Positionierung der Dichtflächen in der Schliessposition bereitgestellt werden.
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Eine solche Kalibrierung kann beispielsweise nach dem Einbau des Ventils 10 und/oder in bestimmten Intervallen, z.B. nach einer bestimmten Anzahl von Öffnungs- und Schliessbewegungen oder nach einer gewissen Betriebsdauer, erfolgen.
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Die 3a zeigt das Pendelventil 10 nach 1b in der Offenposition in einer Querschnittsansicht (Schnitt durch eine zur Öffnungsachse A orthogonalen Ebene). Die 3b zeigt einen Ausschnitt des Ventils 10 aus 3a im Bereich der Antriebseinheit 19.
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Ein Abstand zwischen der Kalibrierfläche 22 und dem Positionssensor 21 ist dabei grösser als der Abstand in der Schliessposition. Entsprechend der oben beschriebenen Kalibrierung der Stellung des Ventilverschlusses 14 für die Schliessposition kann eine derartige Kalibrierung auch für die Offenposition in analoger Weise durchgeführt werden. Hierzu wird als Referenzwert ein Abstand in einer Soll-Offenposition bestimmt und als Kalibrierwert der Abstand nach einem Schwenken des Verschlusses 14 in die Offenposition.
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4 zeigt einen Querschnitt im Randbereich des Ventilverschlusses 14 (Ventilteller) in der Schliessposition. Der Ventilteller 14 weist eine zweite Dichtfläche 16 auf. Auf der zweiten Dichtfläche 16 ist eine Dichtung 17 (Dichtmaterial) aufvulkanisiert oder mittels eines alternativen Verfahrens damit verbunden. Die zweite Dichtfläche 16 bzw. das Dichtmaterial 17 befindet sich in einer Gegenüberlage zur ersten Dichtfläche 13 des Ventilsitzes. Gezeigt ist der Ventilverschluss 14 in einer die Schliessposition repräsentierenden Zwischenposition, wobei das Dichtmaterial 16 (noch) nicht (oder nicht mehr) in Kontakt mit der ersten Dichtfläche 13 ist, die Ventilöffnung jedoch von dem Ventilverschluss 14 überdeckt ist.
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Es versteht sich, dass diese dargestellten Figuren nur mögliche Ausführungsbeispiele schematisch darstellen. Die verschiedenen Ansätze können ebenso miteinander sowie mit Vorrichtungen und Verfahren des Stands der Technik kombiniert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6089537 [0008, 0011]
- US 6416037 [0008, 0011]
- US 6056266 [0008]
- US 6629682 B2 [0010]
- US 6772989 [0046]
