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Die Erfindung betrifft ein Vakuumventil zum Unterbrechen, Freigeben oder Regeln eines im Innenbereich des Vakuumventils entlang eines Fliesswegs strömenden Flusses eines Mediums nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Ausführungsformen von Vakuumventilen bekannt, durch deren Ventilgehäuse ein Ventilkanal verläuft, der mittels eines Ventilverschlusses gasdicht schliessbar ist. Insbesondere im Bereich der IC- und Halbleiterfertigung, die in einer geschützten Atmosphäre möglichst ohne das Vorhandensein verunreinigender Partikel stattfinden muss, kommen diverse Vakuumventile zum Einsatz. Beispielsweise durchlaufen in einer Fertigungsanlage für Halbleiter-Wafer oder Flüssigkristall-Substrate die hochsensiblen Halbleiter- oder Flüssigkristall-Elemente sequentiell mehrere Prozesskammern, in denen die innerhalb der Prozesskammer befindlichen Halbleiterelemente mittels jeweils einer Bearbeitungsvorrichtung bearbeitet werden. Sowohl während des Bearbeitungsprozesses innerhalb der Prozesskammer, als auch während des Transports von Prozesskammer zu Prozesskammer müssen sich die hochsensiblen Halbleiterelemente stets in geschützter Atmosphäre – insbesondere in luftleerer und partikelfreier Umgebung bzw. einer Schutzgasatmosphäre – befinden. Die Prozesskammern sind beispielsweise über Verbindungsgänge miteinander verbunden, wobei die Prozesskammern mittels Vakuumventile zum Transfer der Teile von der einen zur nächsten. Prozesskammer geöffnet und im Anschluss zur Durchführung des jeweiligen Fertigungsschritts gasdicht verschlossen werden können. Ausserdem werden bewegliche Transferkammern verwendet, die an den Prozesskammern andocken und die Halbleiterelemente in Schutzatmosphäre zwischen den Prozesskammern transportieren können.
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Derartige, von Halbleiterteilen durchlaufene Vakuumventile werden aufgrund des beschriebenen Anwendungsgebiets und der damit verbundenen Dimensionierung auch als Vakuum-Transferventile, aufgrund ihres rechteckigen Öffnungsquerschnitts auch als Rechteckventil und aufgrund ihrer üblichen Funktionsweise auch als Schieberventil, Rechteckschieber oder Transferschieberventil bezeichnet. Schieberventile mit einem keilförmigen Ventilverschluss werden auch Keilschieber genannt.
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Weiters werden Vakuumventile zum Öffnen und Schliessen von Gaskanälen oder Regeln eines Flusses eines Mediums durch den Gaskanal eingesetzt. Derartige Ventile befinden sich beispielsweise innerhalb eines Rohrsystems zwischen einer Prozesskammer oder einer Transferkammer und einer Vakuumpumpe oder der Atmosphäre. Der Öffnungsquerschnitt derartiger Ventile, auch Pumpenventile genannt, ist in der Regel wesentlich kleiner als bei einem Vakuum-Transferventil. Unterschiedliche Ausbildungen solcher Vakuumventile sind bekannt, beispielsweise Vakuum-Eckventile, Schieberventile, Butterflyventile, Drehklappenventile und Pendelventile.
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Zu unterscheiden ist zwischen solchen Vakuumventilen, die lediglich zum vollständigen Öffnen und vollständigen Schliessen eines Gaskanals oder einer sonstigen Öffnung ausgebildet sind und keine bestimmte Zwischenstellung konstant einnehmen können, und solchen Vakuumventilen, die zum Einnehmen einer Zwischenstellung zwischen dem vollständig geöffneten und dem vollständig geschlossenen Zustand ausgebildet sind und daher zum Regeln eines Durchflusses geeignet sind. Derartige Ventile werden daher auch als Regelventile bezeichnet.
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Abhängig von der jeweiligen Antriebstechnologie wird ausserdem insbesondere zwischen Ventilen mit einerseits einer linearen und andererseits einer rotatorischen Schliess- und Öffnungsbewegung unterschieden, wobei auch eine Bewegungskombination möglich ist.
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Vakuumventile, deren Durchflussquerschnitt durch eine Drehbewegung des Ventilverschlusses veränderbar ist, sind beispielsweise Drehklappenventile, die auch als Butterflyventile oder als Drosselklappenventile bezeichnet werden, sowie Pendelventile, Jalousienventile oder Chevrontypventile. Bei einem Drehklappenventil wird der entlang des Fliesswegs strömende Fluss des Mediums durch eine Drehbewegung einer im Fliessweg angeordneten Verschlussklappe unterbrochen, freigegeben oder geregelt, wobei zumindest eine Komponente der Drehachse der Verschlussklappe senkrecht zur Fliessachse des Fliesswegs verläuft. Derartige Drehklappenventile, Butterflyventile und Drosselklappenventile sind allgemein bekannt und werden unter anderem in der
GB 2 404 237 (Wareham) oder der
US 2004/0129909 A1 (Wiese) gezeigt. Ein Jalousienventil besitzt mehrere derartige Klappen, deren Drehachsen meist parallel zueinander und senkrecht zur Fliessachse des Fliesswegs verlaufen. Ein Chevrontypventil weist zwei zueinander verdrehbare aufeinander liegende parallele Schliessplatten mit einer im Wesentlichen parallel zur Fliessachse verlaufenden Drehachse auf. Die Schliessplatten haben jeweils – insbesondere radial verlaufende schlitzartige – Öffnungen, die in einer ersten relativen Verdrehung der Schliessplatten zueinander fluchten und den Fliessweg somit freigeben, und in einer zweiten relativen Verdrehung der Schliessplatten überdeckt sind und den Fliessweg somit blockieren. Bei einem Pendelventil, wie beispielsweise aus der der
US 6,089,537 (Olmsted) bekannt, wird ein Verschlussteller um eine im Wesentlichen parallel zur Fliessachse verlaufende Achse in den Fliessweg hineingeschwenkt, so dass sich der Öffnungsquerschnitt reduziert und der Fliessweg blockiert werden kann.
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Die
US 3,586,289 (Priese) offenbart eine Ventileinheit, bestehend aus einem Körper mit einem durchführenden Fluid-Durchlass und einer darin ausgebildeten Apertur, welche den Durchlass kreuzt, des Weiteren mit einem in dem Körper angeordneten Ventilelement, welches drehbar zwischen einer offenen und einer geschlossenen Ventilposition ist, einem mit diesem Ventilelement und sich auswärts durch die Apertur erstreckenden Schaft, wobei der Schaft rotierbar zur Ermöglichung von Rotation des Ventilelements in dem vorgenannten Körper angeordnet ist, und mit Dichtungsvorrichtungen zur Verhinderung eines Fluid-Austritts entlang des Schafts aus dem vorgenannten Körper. Die Dichtungsvorrichtungen umfassen mindestens eine Dichtungseinheit mit einem Keilring und einem radial einwärts davon angeordneten O-Ring sowie eine Aufnahmekammer, welche den Schaft radial umgibt.
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Bei Schieberventilen wird ein Ventilverschluss, insbesondere ein Verschlussteller, linear in meist senkrechter Richtung zur Fliessachse in den Fliessweg hinein geschoben. Das gasdichte Schliessen erfolgt entweder mittels dieser linearen Bewegung oder zusätzlich durch eine zweite Bewegung in paralleler Richtung zum Fliessweg. Ein Schieberventil, bei welchem der Schliess- und Dichtvorgang über eine einzige lineare Bewegung erfolgt, ist beispielsweise entweder ein Keilventil, wie unter anderem in der
US 6,367,770 B1 (Duelli) dargestellt, oder das unter der Produktbezeichnung „MONOVAT Reihe 02 und 03” bekannte und als Rechteckinsertventil ausgestaltete Transferventil der Firma VAT Vakuumventile AG in Haag, Schweiz, dessen Aufbau und Funktionsweise beispielsweise in der
US 4,809,950 (Geiser) und der
US 4,881,717 (Geiser) beschrieben wird.
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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 ist beispielsweise das unter dem Handelsnamen Viton
® bekannte elastische Dichtungsmaterial.
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Gemeinsam ist all diesen Vakuumventilen, dass im Innenbereich des Ventilgehäuses im Fliessweg mindestens ein bewegbarer Ventilverschluss angeordnet ist, mittels welchem ein Unterbrechen, Freigeben oder Regeln des entlang des Fliesswegs strömenden Flusses eines Mediums durch die Bewegung des Ventilverschlusses bewirkbar ist. Diese Bewegung kann insbesondere eine Drehbewegung und/oder eine Linearbewegung sein.
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Dabei kann der Ventilantrieb zur Erzeugung der Bewegung innerhalb des Vakuumbereichs vorgesehen sein. Bekannt sind Konstruktionen, bei denen vakuumtaugliche Schrittmotoren unter Verzicht auf Schmiermittel verwendet werden. Die Herstellung solcher Motoren erfordert spezielle Materialien für Lager, etc., um die Erzeugung von unerwünschten Partikeln, die unter anderem durch Reibung entstehen, im Vakuumbereich gering zu halten. Auch wenn durch die Anordnung des Antriebs im Innenbereich des Vakuumventils die Übertragung einer Bewegung vom Atmosphärenbereich in den Vakuumbereich vermieden wird und auf entsprechende Abdichtungen verzichtet werden kann, ist diese Anordnung des Antriebs im Vakuumbereich vor allem bei Verwendung in hochsensiblen Ultrahochvakuumanwendungen vergleichsweise aufwändig und vereinzelt gar nicht möglich.
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Der Ventilantrieb zur Erzeugung der Bewegung wird daher meist ausserhalb des Vakuumbereichs im Atmosphärenbereich angeordnet, wobei die Bewegung dann über mindestens ein Glied, insbesondere eine Welle, von dem Atmosphärenbereich in den Innenbereich des Ventils mittels einer dichtenden Durchführung gasdicht geführt wird.
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Zum Übertragen von rotatorischen oder translatorischen bzw. linearen Bewegungen von ausserhalb eines Vakuumbereichs ins Innere eines Vakuumbereichs mit hoher Präzision, hoher Stabilität und hohen Drehmomenten bzw. Kräften sind Vakuum-Dreh- oder Lineardurchführungen mit einer von der Vakuumseite bis zur Atmosphärenseite durchgehenden Welle bekannt, wobei die Welle über die dichtende Wellendurchführung gasdicht ins Vakuum geführt ist, indem mindestens ein Dichtring zwischen der Welle und der Durchführung angeordnet ist.
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Derartige einfache Dreh- oder Lineardurchführungen kommen in zahlreichen Vakuumventilen zum Einsatz und haben sich dank fortschrittlicher Dichtstoffe für viele Einsatzbereiche bewährt. Als problematische erweisen sich jedoch Anwendungsbereiche, bei welchen der Dichtstoff grösseren Temperaturschwankungen und/oder sehr grossen Druckdifferenzen zwischen dem Atmosphärenbereich und dem Vakuumbereich ausgesetzt ist. Die meisten zum Einsatz kommenden Dichtstoffe expandieren bei Wärmeeinwirkung, wodurch die Verpressung der Dichtung mit der Welle ansteigt. Übersteigt die Kraft zwischen der stehenden Dichtung und der bewegtem Welle einen bestimmten Grenzwert, steigt der Verschleiss der Dichtung erheblich an. Unter Umständen wird die Dichtung sogar beschädigt und versagt, so dass es zu einer Gaseindringung kommt und eventuell ein erheblicher Schaden entsteht. Andererseits muss zur Gewährleistung der Dichtigkeit zwischen Dichtung und Welle stets eine Mindestanpresskraft eingehalten werden. Abhängig vom thermischen Expansionskoeffizienten des Dichtungswerkstoffs ist der Temperaturbereich, innerhalb welchem das Vakuumventil unter Gewährleistung der Dichtigkeit und der Standzeiten betrieben werden kann, begrenzt.
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Zum Ermöglichen eines hochdichten Übertragens von rotatorischen Bewegungen vom Aussenbereich ins Innere eines Vakuumbereichs sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche Vorschläge bekannt.
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In der
US 4,885,947 (Balter et al.) wird eine Vakuum-Drehdurchführung mit einer ersten und einer zweiten Welle zum Übertragen von rotatorischen Bewegungen vom Aussenbereich der Vakuumkammer ins Innere der Vakuumkammer beschrieben. Dabei ist die erste Welle als Hohlwelle ausgebildet und die zweite Welle ist in der ersten Welle drehbar gelagert. Die Wellen bilden keine von der Vakuumseite bis zur Atmosphärenseite durchgehende Wellen. Die Übertragung der Drehbewegungen erfolgt über einen komplexen Übertragungsmechanismus. An dem äusseren Ende hat die erste Welle eine relativ zu der Rotationsachse geneigte und exzentrisch angeordnete Ausnehmung, in welche eine konische Hülse hineinragt. Durch eine Taumelbewegung der konischen Hülse wird die erste Welle rotiert. Die Rotation der zweiten Welle erfolgt ebenfalls über einen Exzenterantrieb. Die Wellen werden über jeweils einen Faltenbalg abgedichtet. Durch den komplexen Aufbau dieser Vakuum-Drehdurchführung ist die Präzision und Stabilität der Übertragung der Drehbewegungen beeinträchtigt. Weiterhin können nur relativ kleine Drehmomente übertragen werden.
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Aus der
US 2005/0210648 A1 ist eine Vorrichtung zum Vorspannen einer Packungsdichtung in einem Nadelventil bekannt. Der um seine Achse verdrehbare Ventilschaft des Nadelventils ist auf dichtende Weise in das Ventilinnere geführt, wobei eine Packungsdichtung im Gehäuse für eine Abdichtung zwischen dem zylindrischen Ventilschaft und einer zylindrischen Wandung des Ventilgehäuses sorgt. Die zylindrische Wandung umschliesst den zylindrischen Ventilschaft, wobei die Packungsdichtung in dem ringförmigen Zwischenbereich zwischen der Wandung und dem Ventilschaft angeordnet ist. Die ringförmige Packungsdichtung besteht aus einem Paar ineinander geführter, keilförmiger Packungselemente. Eine auf die Packungselemente mittels Federn ausgeübte axiale Kraft bewirkt, dass die Packungsdichtung in radialer Richtung zwischen dem zylindrischen Ventilschaft und der zylindrischen Wandung verquetscht wird, so dass der ringförmige Zwischenraum zwischen dem zylindrischen Ventilschaft und der zylindrischen Wandung vollständig durch die Packungsdichtung auf dichtende Weise ausgefüllt wird. Die axiale Kraft wird durch Federn bewirkt. Ein Problem der beschriebenen Vorrichtung zum Vorspannen der Packungsdichtung besteht darin, dass es im Falle einer aufgrund thermischer Einflüsse bedingten Expansion der Packungsdichtung in radialer Richtung zwangsläufig zu einem drastischen Anstieg der radialen Dichtungskraft auf den zylindrischen Ventilschaft und somit zu einem erhöhten Verschleiss der Dichtung, insbesondere beim Verdrehen des Ventilschafts, kommt. Zwar mag die beschrieben Vorrichtung bedingt geeignet sein, eine axiale Expansion der Packungsdichtung parallel zum Ventilschaft durch die Nachgiebigkeit der Feder auszugleichen, jedoch ist sie zur Gewährleistung einer im Wesentlichen radialen Dichtkraft der Dichtung auf den verdrehbaren Ventilschaft bei thermisch bedingter Ausdehnung der Dichtung in Richtung radial zum Ventilschaft nicht geeignet.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein einfach aufgebautes Vakuumventil zur Verfügung zu stellen, bei welchem eine im Atmosphärenbereich erzeugte Bewegung innerhalb eines grossen Temperaturbereichs unter Gewährleistung der Gasdichtigkeit in den Innenbereich des Vakuumventils übertragen werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Verwirklichung der Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Merkmale, die die Erfindung in alternativer oder vorteilhafter Weise weiterbilden, sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung umfasst ein Vakuumventil zum Unterbrechen, Freigeben oder Regeln eines im Innenbereich des Vakuumventils entlang eines Fliesswegs strömenden Flusses eines Mediums. Dieses Vakuumventil kann somit sowohl ein zwischen zwei oder mehreren diskreten Zuständen – z. B. offen und geschlossen – umschaltbares Ventil oder ein beliebig einstellbares Regelventil mit innerhalb gewisser Grenzen frei einstellbarem Strömungsquerschnitt sein. Das durch das Ventil strömende Medium ist vorzugsweise ein Gas, oder auch eine Flüssigkeit. Das Vakuumventil hat ein Ventilgehäuse, welches den Innenbereich des Vakuumventils von dem äusseren Atmosphärenbereich des Vakuumventils gasdicht trennt. Der Fliessweg läuft durch den Innenbereich des Vakuumventils. Das Ventilgehäuse kann einstückig sein oder aus mehreren Einzelteilen bestehen, die derart miteinander verbunden sind, dass der Innenbereich vakuumdicht vom Atmosphärenbereich getrennt ist. Das Ventilgehäuse weist vorzugsweise mindestens zwei Anschlüsse auf, welche Öffnungen zum Innenbereich des Vakuumventils bilden und durch welche der Fliessweg führt. Mittels des Vakuumventils ist die durch den Innenbereich des Vakuumventils führende Verbindung und somit der ermöglichte Fluss des Mediums zwischen den mindestens zwei Anschlüssen unterbrechbar und freigebbar oder im Falle eines Regelventils durch Variieren des Strömungsquerschnitts regelbar.
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Ausserdem besitzt das Vakuumventil einen Ventilantrieb, der im Atmosphärenbereich, also ausserhalb des Innenbereichs, eine Bewegung erzeugen kann. Der Ventilantrieb kann als Elektro-, Pneumatik- oder Hydraulikmotor, insbesondere als Schrittmotor oder Pneumatikzylindereinheit, oder als ein sonstiger Antrieb zur Erzeugung einer rotatorischen oder translatorischen, also linearen, Bewegung ausgebildet sein. Der dem Vakuumventil allgemein zugeordnete Ventilantrieb ist am Ventilgehäuse angekoppelt, in diesem zumindest teilweise integriert oder von diesem entkoppelt.
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Eine Welle ist mit dem Ventilantrieb derart gekoppelt, dass die von dem Antrieb im Atmosphärenbereich erzeugte Bewegung zu einer Bewegung der Welle führt oder diese Bewegung darstellt. Unter der Welle ist allgemein ein mechanisches Glied zur Übertragung einer rotatorischen oder translatorischen Bewegung zu verstehen, beispielsweise eine gerade rotations- oder nicht-rotationssymmetrische Welle oder Schubstange, wobei die Bewegung vorzugsweise entweder eine Drehbewegung um die Längsachse der Welle oder eine lineare Schubbewegung entlang der Längsachse der Welle ist. Die Welle besitzt eine geometrische Wellenachse, die insbesondere von der geometrischen Längsachse der Welle gebildet wird und die insbesondere durch den geometrischen Querschnittsmittelpunkt verläuft.
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Die Welle ist von dem Atmosphärenbereich in den vakuumdichten Innenbereich des Ventilgehäuses mittels einer dichtenden Wellendurchführung gasdicht geführt. Die Wellendurchführung ist dynamisch dichtend, d. h. die Dichtheit der Wellendurchführung ist nicht nur im statischen Zustand der Welle sondern auch bei Bewegung der Welle gewährleistet. Mittels der Welle ist die von dem Ventilantrieb erzeugte Bewegung von dem Atmosphärenbereich in den Innenbereich übertragbar. Die Wellendurchführung verhindert eine Gasverbindung zwischen dem Atmosphärenbereich und dem Innenbereich und stellt eine gasdichte, aber eine Relativbewegung ermöglichende, direkte oder indirekte Verbindung zwischen dem statischen Ventilgehäuse und der dynamischen Welle sicher.
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Im nach aussen vakuumdichten Innenbereich des Vakuumventils ist im Fliessweg ein Ventilverschluss angeordnet. Dieser Ventilverschluss ist mit der Welle gekoppelt, so dass die durch den Ventilantrieb erzeugte Bewegung über die Welle zu einer Bewegung des Ventilverschlusses führt, wobei der Ventilantrieb, die Welle, die Wellendurchführung, der Ventilverschluss der Ventilsitz und das Ventilgehäuse derart ausgebildet sind, dass durch die Bewegung das Unterbrechen, Freigeben oder Regeln des entlang des Fliesswegs strömenden Flusses des Mediums bewirkbar ist.
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Die Wellendurchführung besitzt einen ersten Dichtring, der aus einem sich bei Wärmeeinwirkung expandierenden Werkstoff besteht, insbesondere einen O-Ring aus einem Elastomer. Der Werkstoff kann ein Fluorelastomer sein, beispielsweise einer der unter folgenden Bezeichnungen im Handel erhältlichen Werkstoffe: Viton®-Fluorelastomer, z. B. Viton®A, Viton®B; Dai-el®-Fluorelastomer, z. B. Dai-el® G 902 etc.; TecnoflonTN oder TecnoflonTM-Fluorelastomer.
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Der erste Dichtring umschliesst die Welle gasdicht in radialer Richtung dichtend konzentrisch. In anderen Worten umgibt der erste Dichtring die Welle gürtelartig, wobei zwischen der Innenfläche des ersten Dichtrings und der Aussenfläche der Welle ein dichtender Kontakt besteht. Die in Bezug zur Wellenachse in radialer Richtung wirkende Anpresskraft des ersten Dichtrings ist derart, dass die Welle abhängig von der Ausführungsform der Erfindung eine Drehbewegung um die Wellenachse und/oder eine lineare Schubbewegung entlang der Wellenachse relativ zum ersten Dichtring bei einem im Wesentlichen vakuumdichten Kontakt zwischen dem erste Dichtring und der Welle vollziehen kann.
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Die Wellendurchführung hat ausserdem eine Auflagefläche, die mit dem Ventilgehäuse direkt oder indirekt gekoppelte ist und die Welle umgibt und umschliesst. Beispielsweise wird die Auflagefläche von einem Absatz in einem Loch des Ventilgehäuses gebildet, wobei die Welle durch das Loch hindurchgeführt ist und der Absatz im Loch die Welle rings umschliesst. Dabei kann die Auflagefläche entweder von einem Abschnitt des Ventilgehäuses oder einem sonstigen Element, das mit dem Ventilgehäuse gekoppelt ist, beispielsweise einer Manschette oder Hülse, gebildet werden.
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Der erste Dichtring liegt gasdicht dichtend auf der Auflagefläche auf und fixiert den Dichtring in eine Richtung parallel zur Welle und somit zur Wellenachse, also in axialer Richtung. Hierzu weist die Auflagefläche in eine Richtung axial zur Welle, so dass der Dichtring in eine Richtung parallel zur Welle axial fixiert ist. Die Auflagefläche verläuft im Wesentlichen in einer Ebene, zu welcher die Wellenachse eine Normale bildet. In anderen Worten verlaufen hierbei die Normalen der Auflagefläche parallel zur Wellenachse. Es ist jedoch auch möglich, dass sich diese Normalen der Auflagefläche in Richtungen erstrecken, die zwar nicht parallel zur Wellenachse sind, aber auch nicht senkrecht zur Wellenachse. In anderen Worten muss die Auflagefläche nicht zwangsläufig eine geometrisch genaue Ebene bilden, sondern kann insbesondere auch eine nach innen oder aussen geneigte Fläche eines Kegelabschnitts sein, weshalb im Rahmen der Erfindung von einer Auflagefläche die Rede ist, die „im Wesentlichen” in der genannten Ebene verläuft.
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Zwischen dem ersten Dichtring und der Auflagefläche besteht somit ein gasdichter Kontakt zumindest teilweise in axialer Richtung, wobei der erste Dichtring gasdicht in axialer Richtung dichtend auf der Auflagefläche aufliegt und gasdicht in radialer Richtung dichtend die Welle umschliesst. Über den ersten Dichtring besteht also ein gasdichter Kontakt zwischen der Auflagefläche und der Welle.
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Weiters umfasst die Wellendurchführung einen Abstützring, der konzentrisch rings um die Welle und in axialer Gegenüberlage zur Auflagefläche angeordnet ist. Der Abstützring besteht aus einem im Wesentlichen starren Werkstoff. Hierunter ist zu verstehen, dass der Abstützring im Vergleich zu dem ersten Dichtring nicht oder nur vernachlässigbar elastisch ist und bei Wärmeeinwirkung im Vergleich zum ersten Dichtring nicht oder nur vernachlässigbar expandiert. Der Abstützring besteht vorzugsweise aus einem Metall, einer Legierung, einem Keramikwerkstoff oder einem sonstigen starren Werkstoff, der im Vergleich zu einem Elastomer oder einem sonstigen Dichtstoff des ersten Dichtrings kaum zur thermischen Expansion neigt.
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Der Abstützring ist relativ zur Auflagefläche, zum Ventilgehäuse sowie parallel zur Wellenachse und somit parallel zur Welle begrenzt axial bewegbar. Somit ist der Abstand zwischen der Auflagefläche und dem Abstützring innerhalb eines Bereichs variierbar. Der Abstützring hat auf einem zur Auflagefläche weisenden Abschnitt ein inneres konisches Segment, das konzentrisch um die Welle verläuft und diese umschliesst. In anderen Worten besitzt der Abstützring einen Innenkegelabschnitt, wobei die Mittelachse des Kegelabschnitts mit der Wellenachse zusammenfällt. Das konische Segment weitet sich in Richtung zur Auflagefläche mit einem Konus-Öffnungswinkel auf. In anderen Worten vergrössert sich der Innendurchmesser des Abstützrings in Richtung zur Auflagefläche, insbesondere stetig. Unter dem konischen Segment ist allgemein ein Abschnitt des Abstützrings zu verstehen. Das innere konische Segment des Abstützrings weitet sich in Richtung zur Auflagefläche beispielsweise mit einem Konus-Öffnungswinkel von 45° bis 135°, insbesondere 60° bis 120°, insbesondere 80 bis 100°, auf, wobei der Konus-Öffnungswinkel als der innere Winkel der virtuellen Kegelspitze des Kegels, der von dem konischen Segment aufgespannt wird, zu verstehen ist.
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Der erste Dichtring wird zumindest teilweise rings von dem konischen Segment des Abstützrings umschlossen und ist zwischen dem konischen Segment und der Auflagefläche eingeklemmt. Eine elastische Feder, beispielsweise eine Spiralfeder um die Welle, drückt den Abstützring derart axial in Richtung zur Auflagefläche, dass das konische Segment den ersten Dichtring elastisch nachgiebig auf die Auflagefläche und die Welle im Wesentlichen mit konstantem Anpressdruck drückt. Das konische Segment übt hierbei sowohl eine Kraft in Richtung radial zur Welle, als auch parallel zur Welle in Richtung zur Auflagefläche auf den ersten Dichtring aus. Kommt es zu einer Ausdehnung des ersten Dichtrings, so vergrössert sich dessen Aussendurchmesser und die sowohl in axialer wie auch radialer Richtung wirkende Kraft zwischen dem ersten Dichtring und dem Abstützring wird grösser. Der Abstützring gibt dieser Kraft jedoch nach, indem er sich in axialer Richtung weg von der Auflagefläche verstellen lässt, wobei die Feder zusammengedrückt wird. In anderen Worten wird mittels des Abstützrings und dessen konischer Innengestaltung die radiale Expansion des ersten Dichtrings in eine axiale Bewegung des Abstützrings umgewandelt. Dieser axialen Bewegung wirkt die Feder nachgiebig entgegen. Der Konus-Öffnungswinkel ist also derart, dass eine bei einer Wärmeeinwirkung auf den ersten Dichtring hervorgerufene radiale Expansion des ersten Dichtrings eine axiale Bewegung des Abstützrings in Richtung weg von der Auflagefläche bewirkt. Die elastische Feder ist hierbei derart ausgelegt, dass sie der durch die radiale Expansion bewirkten axialen Bewegung des Abstützrings nachgibt.
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Der erste Dichtring ist als erster O-Ring ausgebildet. In axialer Richtung besteht ein im Wesentlichen ringförmiger, gasdichter Kontakt zwischen dem ersten O-Ring und der Auflagefläche. In radialer Richtung besteht ein im Wesentlichen ringförmiger, gasdichter Kontakt zwischen dem ersten O-Ring und der Welle. Zwischen dem ersten O-Ring und dem inneren konischen Segment des Abstützrings besteht ein abstützender, vorzugsweise ebenfalls ringförmiger Kontakt, so dass der erste O-Ring in schräge Richtung zur Welle und in schräge Richtung zur Auflagefläche abgestützt wird. Der erste O-Ring weist somit rings drei Kontaktbereiche auf, nämlich einen ersten Kontaktbereich mit der Auflagefläche, einen zweiten Kontaktbereich mit der Welle und einen dritten Kontaktbereich mit dem inneren konischen Segment des Abstützrings. Im Querschnitt des ersten O-Rings bilden die drei Kontaktbereiche ein Dreieck, in dessen Ecken die Kontaktbereiche angeordnet sind. Der Kontaktbereich mit dem inneren konischen Segment des Abstützrings liegt vorzugsweise den beiden anderen Kontaktbereichen gegenüber, so dass das innere konische Segment den ersten O-Ring gleichmässig sowohl auf die Auflagefläche, als auch auf die Welle drückt.
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In einer ersten möglichen Ausführungsform der Erfindung weist der zur Auflagefläche weisende Abschnitt des Abstützrings auf den Innenbereich und der Abstützring und die Feder sind im Atmosphärenbereich angeordnet. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass die partikelgenerierenden Elemente, insbesondere die Feder, nicht im Innenbereich des Ventils sind.
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In einer zweiten möglichen Ausführungsform der Erfindung weist der von der Auflagefläche weg weisende Abschnitt des Abstützrings auf den Innenbereich und der Abstützring und die Feder sind im Innenbereich angeordnet.
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Gemäss einer möglichen Ausführungsform ist der Ventilantrieb zur Erzeugung einer Drehbewegung ausgebildet. Die Wellendurchführung ist hierbei eine Wellendrehdurchführung.
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Das Schliessen und Öffnen oder Regeln des Fliesswegs ist durch eine Drehbewegung der Welle und des Ventilverschlusses um die Wellenachse bewirkbar. Das Vakuumventil ist beispielsweise ein Butterflyventil, ein Drehklappenventil, ein Drosselklappenventil, ein Pendelventil, ein Jalousienventil oder ein Chevrontypventil.
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Gemäss einer anderen möglichen Ausführungsform ist der Ventilantrieb zur Erzeugung einer Linearbewegung ausgebildet. Die Wellendurchführung ist somit eine Wellenschiebedurchführung. Das Schliessen und Öffnen oder Regeln des Fliesswegs ist durch eine lineare Schiebebewegung der Welle und des Ventilverschlusses entlang der Wellenachse bewirkbar. Das Vakuumventil ist beispielsweise ein Schieberventil, ein Transferventil oder ein Keilschieber.
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Durch die Erfindung ist es möglich, den radialen Anpressdruck zwischen der Wellenaussenfläche und der Innenfläche des ersten Dichtrings selbst bei stark erhöhter Temperatur und damit verbundener thermischer Expansion des ersten Dichtrings im Wesentlichen konstant zu halten und somit ein Vakuumventil zu schaffen, das innerhalb eines vergrösserten Temperaturbereichs eingesetzt werden kann.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist ein zweiter Dichtring vorgesehen, der auf einem von der Auflagefläche weg weisenden Abschnitt des Abstützrings zwischen der beispielsweise zylindrischen Innenfläche des Abstützrings und der beispielsweise zylindrischen Aussenfläche der Welle angeordnet ist. Zwischen dem ersten Dichtring in einer axialen Richtung, dem zweiten Dichtring in der anderen axialen Richtung, der Welle in nach innen gerichteter radialer Richtung und dem Abstützring in nach aussen gerichteter radialer Richtung ist einen Schmiermittelbereich vorgesehen. In diesem Schmiermittelbereich ist ein Schmiermittel aufgenommen, das durch die beiden Dichtringe am Austreten gehindert wird. Das Schmiermittel erzeugt einen dichtenden Fettfilm auf der Welle und somit insbesondere zwischen der Welle und dem ersten Dichtring. Das Schmiermittel erhöht die Dichtigkeit des ersten Dichtrings und somit der Wellendurchführung und vermindert den Verschleiss des ersten Dichtrings bei Bewegung der Welle. Ausserdem wird durch die erhöhte Wärmekapazität des Schmiermittels die Wärmekapazität der gesamte Wellendurchführung erhöht, so dass im Falle eines kurzzeitigen Temperaturanstiegs im Ventilinneren der Temperaturanstieg des ersten Dichtrings und somit dessen thermische Expansion reduziert wird. Ausserdem dient der zweite Dichtring der mechanischen Führung zwischen dem Abstützring und der Welle.
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Das erfindungsgemässe Vakuumventil wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen schematisch dargestellten konkreten Ausführungsbeispiels rein beispielhaft näher beschrieben. Im Einzelnen zeigen:
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1 einen schematischen Querschnitt durch ein Vakuumventil mit einer Wellendurchführung in einer Übersichtsansicht, und
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2 einen schematischen Querschnitt durch eine Wellendurchführung mit zwei Dichtringen in einer Detailansicht.
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In 1 ist mittels eines schematischen Querschnitts in einer Übersichtsansicht ein Vakuumventil 1, das zum Unterbrechen, Freigeben und Regeln eines im Innenbereich 3 des Vakuumventils 1 entlang eines Fliesswegs F strömenden Flusses eines Mediums geeignet ist, dargestellt. Der Fliessweg F verläuft in die Bildebene hinein und ist mittels des Pfeils F dargestellt. Das Vakuumventil 1 hat ein Ventilgehäuse 2, welches den Innenbereich 3 des Vakuumventils 1 von dem äusseren Atmosphärenbereich 4 gasdicht trennt. An dem Ventilgehäuse 2 ist ein Ventilantrieb 5 angekoppelt, mittels welchem eine Bewegung im Atmosphärenbereich 4 erzeugt werden kann. Da in 1 ein so genanntes Drehklappenventil gezeigt ist, ist der Ventilantrieb 5 zur Erzeugung einer Drehbewegung ausgebildet, die mittels des Pfeils 9 veranschaulicht ist.
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Eine Welle 6 ist mit dem Ventilantrieb 5 gekoppelt und von diesem um die geometrische Wellenachse 7 drehbar. Die Welle 6 ist rotationssymmetrisch und gerade in Bezug auf die Wellenachse 7. Mittels einer dichtenden Wellendurchführung 20 ist die Welle 6 von dem Atmosphärenbereich 4 in den Innenbereich 3 durch das Ventilgehäuse 2 gasdicht geführt, so dass die von dem Ventilantrieb erzeugte Bewegung mittels der Welle 6 vom Atmosphärenbereich 4 in den Innenbereich 3 geführt wird.
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Im Innenbereich 3 ist im Fliessweg F ein Ventilverschluss 8 in Form einer drehbaren Verschlussklappe angeordnet, der mit der Welle 6 gekoppelt, an dieser montiert und von dieser geführt ist. Mittels des Ventilverschlusses 8 wird das Unterbrechen, Freigeben oder Regeln des entlang des Fliesswegs F strömenden Flusses des Mediums durch die drehende Bewegung, veranschaulicht durch den Pfeil 9, bewirkt. In der dargestellten Stellung des Ventilverschluss 8 ist das Vakuumventil 1 geschlossen und der Fliessweg F somit unterbrochen.
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In der 2 wird eine Wellendurchführung 20, insbesondere die Wellendurchführung 20 des Ausführungsbeispiels aus 1 oder eines anderen Vakuumventiltyps, gezeigt. Die Wellendurchführung 20 besitzt einen ersten Dichtring 21 in Form eines ersten O-Rings, der aus einem sich bei Wärmeeinwirkung expandierenden Werkstoff, beispielsweise einem Elastomer, besteht und der die zylindrische Aussenfläche der Welle 6 gasdicht in radialer Richtung dichtend konzentrisch umschliesst. Der erste Dichtring 21 liegt auf einer Auflagefläche 22 auf, die mit dem Ventilgehäuse 2 gekoppelte ist. Unter der Auflagefläche ist diejenige Fläche zu verstehen, auf welcher der erste Dichtring 21 tatsächlich aufliegt. Im vorliegenden Beispiel ist die Auflagefläche 22 im Ventilgehäuse 2 ausgeformt. Die Auflagefläche 22 umgibt die Welle 6 und weist in eine Richtung axial zur Welle 6. In anderen Worten verlaufen die Normalen der Ebene 22a der Auflagefläche 22 parallel zur Wellenachse 7. Wieder in anderen Worten liegt die Auflagefläche 22 in einer Ebene 22a, welche senkrecht von der Wellenachse 7 durchstossen wird. Die geometrische Wellenachse 7 der Welle 6 bildet also eine Normale zu dieser Ebene 22a. Der erste Dichtring 21 liegt gasdicht in axialer Richtung dichtend derart auf der Auflagefläche 22 auf, dass der erste Dichtring 21 in eine Richtung parallel zur Welle 6 axial fixiert ist. Im vorliegenden Fall verläuft diese Richtung zum Innenbereich 3.
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Ausserdem umfasst die Wellendurchführung 20 einen Abstützring 23, der aus einem starren Werkstoff, insbesondere einer Legierung, besteht und konzentrisch rings um die Welle 6 und in axialer Gegenüberlage zur Auflagefläche 22 angeordnet ist. Der Abstützring 23 ist relativ zur Auflagefläche 22 und zur Welle 6 begrenzt axial, also parallel zur Wellenachse 7, bewegbar. Auf einem zur Auflagefläche 22 weisenden Abschnitt 26 ist ein inneres konisches Segment 24 ausgeformt, das konzentrisch um die Welle 6 verläuft und diese umschliesst. Das innere konische Segment 24 weitet sich in Richtung zur Auflagefläche 22 und zum Innenbereich 3 auf. Der erste Dichtring 21 wird zumindest teilweise rings von dem inneren konischen Segment 24 umschlossen.
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Das innere konische Segment 24 des um die Wellenachse 7 rotationssymmetrischen Abstützrings 23 weitet sich im gezeigten Ausführungsbeispiel in Richtung zur Auflagefläche 22 mit einem Konus-Öffnungswinkel α von 90° auf.
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Wie in 2 mittels gestrichelter Linien gezeigt, ist unter dem Konus-Öffnungswinkel α der innere Winkel der Kegelspitze des virtuellen Kegels 30, der von dem inneren konischen Segment 24 aufgespannt wird, zu verstehen.
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Eine sich rings um die Welle 6 erstreckende spiralförmige elastische Feder 25 drückt den Abstützring 23 derart axial in Richtung zur Auflagefläche 22, dass das konische Segment 24 den ersten Dichtring 21 elastisch nachgiebig auf die Auflagefläche 22 und die Welle 6 im Wesentlichen mit konstantem Anpressdruck drückt. Kommt es nun zu einer thermischen Expansion des ersten Dichtrings 21, gibt der Abstützring 23 dieser Expansion durch eine lineare axiale Bewegung parallel zur Wellenachse 7 in Richtung zum Atmosphärenbereich 4 nach, so dass die radiale Anpresskraft zwischen dem ersten Dichtring 21 und der Aussenfläche der Welle 6 innerhalb bestimmter Grenzen nur unwesentlich steigt. In anderen Worten ist der Konus-Öffnungswinkel α derart, dass eine radiale Expansion des ersten Dichtrings 21, die bei einer Wärmeeinwirkung auf den ersten Dichtring 21 hervorgerufen wird, eine axiale Bewegung des Abstützrings 23 in Richtung weg von der Auflagefläche 22 bewirkt, wobei die elastische Feder 25 derart ausgelegt ist, dass sie der durch die radiale Expansion bewirkten axialen Bewegung des Abstützrings 23 nachgibt.
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Ausserdem ist ein zweiter Dichtring 28 vorgesehen, der auf einem von der Auflagefläche 22 weg weisenden Abschnitt 27 des Abstützrings 23 radial zwischen einer Innennut 31 des Abstützrings 23 und der Aussenfläche der Welle 6 angeordnet ist. Zwischen dem ersten Dichtring 21, dem zweiten Dichtring 28, der Welle 6 und dem Abstützring 23 ist ein Schmiermittelbereich 29 ausgeformt, der zur Aufnahme eines Schmiermittels zur Erzeugung eines dichtenden Fettfilms zwischen der Welle 6 und der ersten Dichtung 21 ausgebildet ist. Dieser Fettfilm erhöht die Dichtigkeit zwischen dem ersten Dichtring 21 und der Welle 6. Ausserdem wird der Verschleiss des ersten Dichtrings 21 reduziert und ungewollte Materialpartikel werden im Schmiermittel aufgefangen.
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Die in 2 gezeigte Wellendurchführung 20 des erfindungsgemässen Vakuumventils 1 ist sowohl als Wellendrehdurchführung als auch als Wellenschiebedurchführung einsetzbar. Im Falle einer Wellendrehdurchführung ist der Ventilantrieb 5 zur Erzeugung einer Drehbewegung ausgebildet und das Schliessen, Öffnen und Regeln des Fliesswegs F ist durch eine Drehbewegung der Welle 6 und des Ventilverschlusses 8 um die Wellenachse 7 bewirkbar. Im Falle einer Wellenschiebedurchführung ist der Ventilantrieb 5 zur Erzeugung einer Linearbewegung ausgebildet und das Schliessen, Öffnen und Regeln des Fliesswegs F wird durch eine lineare Schiebebewegung der Welle 6 und des Ventilverschlusses 8 entlang der Wellenachse 7 bewirkt.
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Auch wenn in den Ausführungsformen der 1 und 2 der zur Auflagefläche 22 weisende Abschnitt 26 des Abstützrings 23 auf den Innenbereich 3 weist und der Abstützring 23 und die Feder 25 im Atmosphärenbereich 4 angeordnet sind, ist alternativ auch eine entgegen gesetzte Anordnung möglich, bei welcher der von der Auflagefläche 22 weg weisende Abschnitt 27 des Abstützrings 23 auf den Innenbereich 3 weist und der Abstützring 23 und die Feder 25 im Innenbereich 3 angeordnet sind, also der Innenbereich 3 und der Atmosphärenbereich 4 in 2 vertauscht sind.
