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Vorrichtung zum Regeln geringer Gasströmungen Die Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zum Regeln geringer Gasströmungen. Diese Aufgabe liegt z. B. bei
der Speisung regelbarer Ionenquellen mit Gas oder bei der Messung der Pumpgeschwindigkeit
einer Molekularpumpe vor.
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Die Aufgabe, sehr geringe Gasmengen in einen Vakuumraum einzuführen,
wurde bereits für verschiedene Gase gelöst, indem ihre Diffusion durch geeignete
Stoffe ausgenutzt wird, z. B. Palladium bei Wasserstoff, wobei die von diesem Stoff
abgegebene Gasmenge von der Temperatur abhängt, welcher er ausgesetzt wird. Die
durch diese Methode erhaltene Durchflußmenge kann jedoch weder geregelt noch genau
bestimmt werden.
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Man hat daher versucht, Apparate herzustellen, welche durch ein physikalisches
Mittel gesteuert werden, welches bequem meßbar ist und reproduzierbare Vorgänge
hervorruft.
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So hat man bei den bisher benutzten Vorrichtungen dieser Art die fehlerhafte
Dichtigkeit zwischen zwei miteinander in Berührung gebrachten rauhen Körpern ausgenutzt,
oder auch die relative Dehnung von zwei Teilen, z.B. eines Nadelverschlußgliedes
und seines Sitzes.
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In diesem Fall ist die Benutzung von zwei Werkstoffen mit verschiedenen
linearen Ausdehnungskoeffizienten zur Bildung dieser beiden Teile mißlich, da einerseits
die Durchflußmenge durch die Vorrichtung von der Umgebungstemperatur abhängig wird
und da andererseits die Schließung der Vorrichtung ihre Abkühlung auf eine bestimmte
Temperatur bedingt, welche nur sehr wenig unterschritten werden kann, da sonst ein
Teil durch den andern infolge ihrer schnell die Elastizitätsgrenzen übersteigenden
Verformungen zerstört wird.
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Es sind bereits Vorrichtungen hergestellt worden, bei welchen diese
beiden Teile aus Glas bestehen, wobei die Bewegung des einen Teils gegen den anderen
durch eine Differentialdehnung ihrer auf verschiedene Temperaturen gebrachten Halter
erzielt wird. Bei sehr geringen Durchflußmengen haben jedoch diese Vorrichtungen
nicht die erforderliche Anpassungsfähigkeit und Empfindlichkeit, und da die Einstellung
ihrer Nullstellung ein für allemal vorgenommen wird, läßt ihre Dichtigkeit in der
Schließstellung zu wünschen übrig.
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Es ist auch ein Nadelventil bekannt, das insbesondere bei Anlagen
zur Erzeugung von Gas durch Reaktion einer Flüssigkeit mit geeigneten Stoffen verwendet
wird und das für den Durchfluß der Flüssigkeit mit konstantem Druck sorgt; eine
an ihrem Ende nadelartig zugespitzte Stange ragt dabei in einen entsprechend ausgearbeiteten,
am Ende eines als Ventilgehäuse dienenden Rohres befindlichen Sitz und kann mittels
einer an ihrem entgegengesetzten Ende angebrachten Rändelschraube, wenn sie mit
einem Außengewinde versehen und von einer entsprechenden Führung mit Innengewinde
aufgenommen wird, durch Links- oder Rechtsdrehung einen größeren oder kleineren
Durchtrittsquerschnitt zwischen Nadelfläche und Ventilsitzfläche freigeben.
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Man hat auch schon bei Zerstäuberdüsen für Lackspritzpistolen die
Steuerung des durch Preßluft mitgerissenen Lackzuflusses mittels einer Nadelsteuerung
vorgenommen.
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Ziel der Erfindung ist es, Vorrichtungen zur genauen Regelung geringer
Gasströmungen so auszubilden, daß die Regelung ihrer Durchflußmenge anpassungsfähiger,
empfindlicher und genauer als bisher ist und daß sie vollständig geschlossen werden
können; außerdem soll es mit Hilfe mechanischer Mittel möglich werden, ihre Nullstellung,
d. h. ihre dichte Schließung bei einer beliebigen gegebenen Temperatur einzuregeln.
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Bei einer Vorrichtung zum Regeln geringer Gas-Strömungen unter Verwendung
eines rohrförmigen Körpers, dessen eines Ende eine einen Ventilsitz aufweisende
Öffnung hat, wobei in dem Körper ein mit dem Ventilsitz zusammenwirkendes und ihm
gegenüber durch mechanische Stehmittel einstellbares, als Nadel ausgebildetes Verschluß-
und Regelglied angeordnet
ist, ist gemäß der Erfindung das der
Nadelspitze abgewandte Ende des Verschluß- und Regelgliedes axial kraftschlüssig
mit dem rohrförmigen Körper verbunden; um eine genaue Einstellung der Nadelspitze
gegenüber ihrem Ventilsitz bei jeder beliebigen Temperatur zu ermöglichen, wirken
die mechanischen Stellmittel auf den rohrförmigen Körper ein.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist als Stellmittel beispielsweise
in bekannter Weise ein Widerstandsdraht vorgesehen, der zur regelbaren Erwärmung
des rohrförmigen Körpers dient und um oder in diesem angeordnet ist. Die mechanischen
Stellmittel können auch aus einem rahmenartigen Gestell, in welches der rohrförmige
Körper eingesetzt ist, und Regeleinrichtungen zur Längenänderung des Gestelles bestehen,
so daß der rohrförmige Körper gestaucht werden kann.
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Als Regeleinrichtung zur Längenänderung des Gestelles können Schraubanordnungen
dienen. Eine solche Schraubanordnung kann aus einer Lochschraube bestehen, die mit
ihrem Außengewinde in das der Nadelspitze abgewandte Ende des Gestelles einschraubbar
ist und mit ihrem freien inneren Ende sich auf dem Ende des rohrförmigen Körpers
abstützt.
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Weiter kann die Schraubanordnung von einer Schraube gebildet werden,
die in einen auf das Gestell etwa in der Mitte seiner Längserstreckung aufgesetzten
Rahmen einschraubbar ist und sich mit ihrem freien inneren Ende auf dieser Längswand
des Gestelles abstützt.
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Der rohrförmige Körper und das als Nadel ausgebildete Verschlußglied
können in bekannter Weise aus Metallen oder Legierungen mit gleichem thermischem
Ausdehnungskoeffizienten und vorzugsweise aus dem gleichen Metall und der gleichen
Legierung hergestellt sein.
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Der Erfindungsgegenstand ist nachstehend unter Bezugnahme auf die
Zeichnung beispielshalber erläutert. Fig. 1 zeigt in einem Axialschnitt eine Vorrichtung
nach der Erfindung, deren Nadel mechanisch und thermisch betätigt wird; Fig. 2 zeigt
die gleiche Vorrichtung in schaubildlicher Darstellung; Fig. 3 bis 5 sind Diagramme,
welche einige mit einer Vorrichtung nach Fig. 1 erhaltene Versuchsergebnisse zeigen.
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In Fig. 1 und 2 sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen
Teile dargestellt.
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Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung weist ein als Nadel vorgesehenes
Verschluß- und Regelglied 1 auf, welches bei 2 an den rohrförmigen Körper 3 der
Vorrichtung angeschweißt ist. Diese beiden Teile bestehen aus Werkstoffen mit gleichem
linearem Ausdehnungskoeffizienten und sind elastisch hinreichend verformbar und/oder
Wärmeleiter, wie Metalle und Legierungen.
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Die Nadel weist in einem Teil ihrer Länge einen Längskanal 4 auf,
welcher am freien Ende zur Bildung eines Rohransatzes 5 erweitert ist. Dieser Kanal
4 mündet durch zwei seitliche Öffnungen 6 und 7 in den Hohlraum 8 des Körpers 3.
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Der Sitz 9 ist in einem eingeschnürten Teil des Körpers 3 gebildet,
welcher den Hohlraum 8 von einer einen weiteren Rohransatz 10 bildenden Ausnehmung
im Körper 3 trennt.
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Der Körper 3 ist in der Längsrichtung zwischen den beiden Endseiten
11 und 12 eines Gestells 13 eingespannt, welches aus einem Werkstoff mit dem gleichen
Ausdehnungskoeffizienten wie der Körper 3 besteht. Dieses Gestell ist z. B. auf
der dem Sitz 9 abgewandten Seite mit einer Lochschraube 14 versehen, welche in die
Endseite 12 eingeschraubt werden und sich gegen den Körper 3 legen kann.
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Die Wände des Gestelles zwischen den beiden Endseiten sind als zwei
parallele Platten vorgesehen, die bei 15, 16, 17 und 18 so geschwächt sind, daß
sie leicht verformbar sind. Sie werden in ihrem mittleren Teil von einem Rahmen
19 umgeben, dessen Preßdruck durch das Einschrauben einer Schraube 20 geregelt werden
kann, deren Achse zu der des Körpers 3 senkrecht liegt.
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Eine Drehung der Schrauben 14 und 20 hat eine Änderung der Längsabmessung
des Körpers 3 zur Folge (welcher aus einem genügend elastischen Werkstoff bestehen
muß), wobei die Schraube 14 auf den Körper unmittelbar und die Schraube 20 auf diesen
mittelbar durch Durchbiegung der Wände des Käfigs einwirkt.
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Diese Veränderung der Längsabmessung hat eine Veränderung des Abstandes
der Zone der Schweißstelle 2 in bezug auf den Sitz 9 und somit eine Veränderung
der Lage der Nadelspitze 21 in bezug auf diesen Sitz zur Folge, so daß die vom Rohransatz
5 über den Kanal 4, die Öffnungen 6 und 7 und die zwischen dem Sitz 9 und der Spitze
21 freigelegte Öffnung zum Rohransatz 10 fließende Medienmenge geregelt werden kann.
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Hierbei kann die Schraube 14 für die Grobregelung und die Schraube
20 für die Feinregelung dienen (eine Umdrehung der Schraube 14 hat eine Verstellung
der Nadel zur Folge, welche mehr als das Zehnfache der durch eine Umdrehung der
Schraube 20 erzeugten beträgt). In der Praxis benutzt man die Schraube 14, um die
die Vorrichtung in der Ruhestellung durchströmende Gasmenge auf Null einzustellen,
und die Schraube 20 zur Einstellung der Durchflußöffnung zwischen Nadelspitze und
Sitz.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird um den Körper 3 ein Widerstandsdraht
22 gewickelt, welcher in an sich bekannter Weise isoliert ist und eine Wärmemenge
zur Ausdehnung des Körpers 3 liefert. Damit ein besserer Temperaturgradient erhalten
wird, wird die Wicklung in der dem Sitz 9 benachbarten Zone des Körpers 3 angebracht.
Hierbei erfolgt die Längenänderung des Körpers 3 durch Wärmedehnung. Die Länge der
Nadel (welche, wie der Körper 3, aus einem wärmeleitenden Werkstoff besteht), wird
ebenfalls verändert; da jedoch die Wärmezufuhr in der Zone des Sitzes 9 erfolgt,
bildet sich in der Vorrichtung ein zu dem Wärmefluß proportionaler Temperaturgradient
aus, welcher von dem Sitz 9 über die Schweißstelle 2 zur Nadel geht, wobei die Spitze
21 der Nadel auf der kältesten Temperatur bleibt. Die Dehnung der Nadel ist daher
kleiner als die des Körpers 3, wodurch die Spitze 21 von dem Sitz 9 abgehoben und
somit die Durchflußöffnung geöffnet wird.
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Der umgekehrte Vorgang tritt bei der Abstellung der Heizung ein. Die
Temperaturen der Nadel und des Sitzes gleichen sich rasch aus, und das Ende 21 der
Nadel legt sich von neuem auf den Sitz 9, wodurch jede Verbindung zwischen den Rohransätzen
5 und 10 unterbrochen wird.
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In der beschriebenen Vorrichtung bestehen der Körper 3 und die Nadel
aus Messing gleicher Qualität. Nur die äußerste aufgesetzte Spitze 21 der Nadel
ist
aus ausgeglühtem Wolfram. Diese mit Silber an die Nadel hart
angelötete Spitze wird in der weiter unten beschriebenen Weise für die Bearbeitung
des Sitzes benutzt und nach Beendigung derselben an Ort und Stelle gelassen.
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Da die Wolframspitze geschliffen ist, wird die im Sitz befindliche
Öffnung trocken von Hand gebohrt, indem man die Nadel unter einem mäßigen Druck
in dem Körper 3 dreht und den Vorgang mit der binokularen Lupe verfolgt, bis die
Spitze sichtbar wird. Man nimmt dann unter einem sehr geringen Druck die Vergrößerung
der Öffnung und ihr Einschleifen vor, wobei man nacheinander die unter dem Namen
Englischrot und Chromgrün bekannten Schleifmittel benutzt.
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Die Wandstärke des Sitzes, in welcher die Öffnung hergestellt ist,
muß in der Längsrichtung bei dem verwendeten Messing in der Nähe von 200,u liegen.
Unterhalb von 100,u ist die Wand biegsam und verstellt sich mit der Nadel. Ferner
wird ihre Festigkeit dann sehr gering, und der Sitz kann unter einem Stoß oder bei
einer plötzlichen Abkühlung der Vorrichtung platzen. Über 300 ,u wird das Bohren
der Öffnung schwierig, und die Wand ist nicht mehr genügend elastisch, um ohne bleibende
Verformung eine auftretende Überbelastung aufzunehmen.
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Die Länge der Vorrichtung beträgt 80 mm bei einem Außendurchmesser
von 8 mm. Bei diesen Abmessungen übersteigt das Spiel in der Durchmesserrichtung
zwischen dem Sitz und der Nadelspitze nicht einen Bruchteil eines Mikrons, was eine
genaue Zentrierung nur schwer ermöglicht, welche übrigens unbeständig wäre. Tatsächlich
legt sich die Nadelspitze 21 gegen den Sitz 9 längs einer gemeinsamen Erzeugenden
ihrer konischen Oberfläche. Der für das Gas gelassene Durchlaß hat also eine verwickelte
Form. Es kann jedoch angenommen werden, daß der Ausdruck für die Durchflußmenge
für ein gegebenes Gas bei einer gegebenen Temperatur folgende Form hat:
bei molekularem Betrieb und
bei laminarem Betrieb, worin bedeutet:
| Q = gewichtsmäßige Durchflußmenge, |
| P = Druck vor dem Hahn, |
| s = Spiel in der Durchmesserrichtung |
| zwischen dem Sitz und der Spitze, |
| d = mittlerer Durchmesser der Öffnung, |
| e = Dicke der Membran, |
| K1 und KZ = Konstante. |
Die Kurven der Figur 3 zeigen den Einfluß des Spiels in der Durchmesserrichtung
8 (welches als Ordinate in Mikron in einem logarithmischen Maßstab aufgetragen ist)
auf die (als Abszisse in Kubikzentimetern je Stunde in einem logarithmischen Maßstab
aufgetragene) Durchflußmenge Q von Luft oder Wasserstoff durch verschiedene erfindungsgemäße
Vorrichtungen.
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Die Kurve I betrifft eine derartige Regelvorrichtung unter einem Luftdruck
von 1 Atmosphäre, die Kurven II und II' eine andere Vorrichtung unter einem Luftdruck
von 1 Atmosphäre bzw. einem Wasserstoffdruck von 1 Atmosphäre, die Kurve III noch
eine andere Vorrichtung unter einem Wasserstoffdruck von 2 Atmosphären und die Kurve
IV eine vierte Vorrichtung unter einem Wasserstoffdruck von 4 Atmosphären.
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Wie man sieht, erhält man bei diesen geringen Durchflußmengen Geraden
mit einer Steigung von etwa 0,5, was auf eine Strömung in molekularem Zustand deutet.
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Die Kurven der Fig. 4 zeigen die Veränderung der (als Ordinate in
Kubikzentimetern je Stunde in einem logarithmischen Maßstab aufgetragenen) Durchflußmenge
Q in Abhängigkeit von dem (als Abszisse in Atmosphären in einem logarithmischen
Maßstab aufgetragenen) Druck P für ein und dieselbe Vorrichtung und für verschiedene
Werte des Spiels in der Durchmesserrichtung s, wobei die gestrichelten Kurven dem
Fall entsprechen, daß das geregelte Gas Wasserstoff(H) ist, während bei den vollausgezogenen
Kurven das geregelte Gas Luft (A) ist.
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Das gewählte Spiel in der Durchmesserrichtung betrug:
| 0,125 Mikron für die Kurven A1 und Hl, |
| 0,4 Mikron für die Kurven A2 und HZ, |
| 1 Mikron für die Kurven A3 und H3, |
| 2,4 Mikron für die Kurven A4 und H4. |
Schließlich zeigen die für eine gegebene Vorrichtung aufgestellten Maßstäbe der
Fig. 5, wie die verschiedenen Regelparameter die (als Abszisse in Kubikzentimetern
in der Stunde in einem logarithmischen Maßstab aufgetragene) Durchflußmenge Q beeinflussen.
Die Kurve dieser Figur wurde für die der Kurve II der Fig. 3 entsprechende Vorrichtung
gezeichnet, welche unter einem Wasserstoffdruck von vier Atmosphären stand.
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Die verschiedenen benutzten Parameter sind (von links nach rechts
auf Fig. 5) die Stärke i des Stroms in der Wicklung 22 in A
(logarithmischer
Maßstab); der Temperaturunterschied 4o- zwischen dem Körper (Zone des Sitzes) und
der Nadelspitze 21 in Celsiusgraden; die Zahl der Umdrehungen n beim Lösen der Schraube
20; der Winkel a der Stellschraube 14 in Grad; die Heizleistung W in Watt,
wenn sich die Vorrichtung im Gestell befindet; und das Spiel in der Durchmesserrichtung
s in Mikron.
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Bei der Schließung weist die Vorrichtung keine nennenswerte Undichtigkeit
auf.
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Die Betätigung der Regelvorrichtung erfordert nur geringe Energie.
Sie erfordert insbesondere nur ein geringes Drehmoment (in der Größenordnung von
200 Gramm-Zentimeter an der Schraube 20) und/oder eine sehr geringe elektrische
Leistung in der Größenordnung von einigen zehntel Watt (sie erreicht nur einen Wert
von 3 Watt für eine Strömungsmenge von 100 cm3 in der Stunde, wie in Fig. 5 angegeben).