DE1230634B

DE1230634B - Ventil fuer Vakuumanlagen, insbesondere von Korpuskularstrahlgeraeten

Info

Publication number: DE1230634B
Application number: DES83953A
Authority: DE
Inventors: Dr Otto Wolff; Emil Hentschel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1963-02-28
Filing date: 1963-02-28
Publication date: 1966-12-15
Also published as: US3314448A; GB1038892A

Description

Ventil für Vakuumanlagen, insbesondere von Korpuskularstrahlgeräten Die Erfindung betrifft ein Ventil für Vakuumanlagen mit gegeneinander vakuumdicht abschließbaren Kammern, von denen eine Kammer mit einem Raum niedrigeren Druckes, beispielsweise einer Vakuumpumpe, und eine andere Kammer mit einem Raum höheren Druckes (Rezipienten) in Verbindung steht, insbesondere Vorvakuumventil für die Vakuumanlage von Korpuskularstrahlgeräten, wie Elektronenmikroskopen.
Sie besteht darin, daß eine dritte Kammer in solcher Anordnung bezüglich der zwei erstgenannten Kammern vorgesehen ist, daß in bei Mischventilen an sich bekannter Weise die zwei erstgenannten Kammern eine Wand gemeinsam mit einer dritten Kammer haben, in der zum Verbinden der Kammern dienende Öffnungen vorgesehen sind, die durch einen Ventilteller vakuumdicht verschließbar sind, der von der dritten Kammer aufgenommen ist.
Die Erfindung erlaubt die Verwendung der dritten Kammer als Schleuse, die das Eindringen störender Gase oder Dämpfe in mit dem Ventil in Verbindung stehende Geräte verhindert, wofür bisher Ventile mit mehreren Ventiltellern verwendet wurden.
Man kann die Zahl der an dem Ventilteller vorzusehenden Dichtungsflächen bzw. Dichtungen in an sich bekannter Weise dadurch verringern, daß die zwei erstgenannten Kammern koaxial zueinander angeordnet sind, wobei die dann außenliegende der zwei Kammern in der genannten Ebene eine in sich geschlossene, vorzugsweise ringförmige Öffnung besitzt, die die Öffnung in der dann innenliegenden der zwei Kammern umschließt.
Für die im folgenden beschriebenen weiteren Ausbildungen des erfindungsgemäßen Ventils wird Schutz nur im Zusammenhang mit der vorgenannten Erfindung beansprucht.
In den F i g. 1 bis 4 ist die Wirkungsweise des Ventils nach der Erfindung schematisch dargestellt. Es handelt sich dabei um ein Magnetventil, dessen Anker 1 sich je nach dem Erregungszustand des Magnetsystems, d. h. je nach der Amperewindungszahl der Erregerwicklung 2, in der unteren Stellung (F i g. 1 und 4) oder in der oberen Stellung (F i g. 2 und 3) befindet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich der Anker 1 bei erregtem Magnetsystem in der der abgehobenen Stellung des Ventiltellers 3 zugeordneten Lage, während er bei aberregtem Magnetsystem durch die Feder 4 nach unten gedrückt wird.
Ehe auf weitere Einzelheiten eingegangen wird, soll die Anordnung der Ventilkammern kurz beschrieben werden. Die beiden miteinander zu verbindenden bzw. vakuumdicht gegeneinander abzuschließenden Kammern sind mit R und P bezeichnet, und zwar handelt es sich bei der Kammer R um die mit dem Rezipienten, der in den Figuren nicht dargestellt ist, verbundene Kammer und bei der Kammer P um die mit einem Raum geringeren Druckes, also beispielsweise einer Vakuumpumpe, in Verbindung stehende Kammer.
Außer den beiden erstgenannten Kammern weist das Ventil erfindungsgemäß die dritte Kammer S auf, die als Schleusenkammer ausgebildet ist. Man erkennt, daß die zwei erstgenannten Kammern R und P koaxial zueinander angeordnet sind und die außenliegende Kammer R in einer zur Bewegungsrichtung des Ventiltellers 3 senkrechten Ebene eine in sich geschlossene, in diesem Ausführungsbeispiel ringförmige Öffnung 5 besitzt, die die Öffnung 6 in der inneren Kammer P umschließt. Dadurch ist es möglich, daß der Ventilteller 3 den gegenseitigen vakuumdichten Abschluß aller drei Kammern gegeneinander mit der entsprechend der Öffnung 5 geformten einzigen Dichtung 7 erzielt. Selbstverständlich ist es grundsätzlich auch möglich, mehrere Dichtungen zu verwenden.
Der dritten Kammer S sind als Schleusenkammer Mittel zugeordnet, die vor dem Abheben des Ventiltellers 3 eine Entlüftung bzw. Entgasung der Schleusenkammer S vornehmen. Zu diesem Zweck besteht der Ventilstößel aus zwei Teilen 8 und 9, von denen das zur Entlüftung der Schleusenkammer S dienende Teil 8 an seinem Ende fest mit dem Anker 1 des Magnetsystems des Ventils verbunden ist, während das zur Betätigung des Ventiltellers 3 dienende Teil 9 des Ventilstößels fest mit dem Ventilteller 3 verbunden ist. Es handelt sich dabei um das in den Figuren obere Ende des Teiles 8 und das untere Ende des Teiles 9. Man erkennt, daß das Teil 8 an seinem anderen Ende einen oder mehrere Entlüftungskanäle 10 aufweist und daß dieses Ende des Teiles 8 nach dem Aufsetzen des Ventiltellers 3 in Abhängigkeit von der Erregung des Magnetsystems so weit in die Kammer P hineinragt, daß der Entlüftungskanal 10 durch Verbinden der Schleusenkammer S mit der Kammer P die Entlüftung der Schleusenkammer S bewirkt (F i g. 2) oder der Entlüftungskanal 10 unwirksam ist (F i g. 1 und 4).
Die bisher beschriebene Anordnung arbeitet also folgendermaßen: Im Fall der F i g. 1 befindet sich der Ventilteller 3 in der aufgesetzten Stellung, alle drei Kammern sind gegeneinander vakuumdicht abgeschlossen, das Magnetsystem ist nicht erregt. Im Fall der F i g. 2 befindet sich zwar der Ventilteller 3 noch in seiner aufgesetzten Lage, aber infolge Erregung des Magnetsystems ist der Anker 1 in die obere, der abgehobenen Stellung des Ventiltellers 3 entsprechenden Lage bewegt worden. Er hat dabei das Teil 8 des Ventilstößels mitgenommen, so daß dessen anderes Ende nicht mehr so weit wie im Fall der F i g. 1 in die Kammer P hineinragt. Das hat zur Folge, daß nunmehr der Entlüftungskanal 10 insofern wirksam wird, als er eine Verbindung zwischen der Schleusenkammer S und der Kammer P herstellt. Er war bisher unwirksam, da seine beiden Enden in der Kammer P bzw. sein oberes Ende im Bereich der Dichtung 11 lagen.
Man erkennt, daß im Gegensatz zum Teil 8 das hülsenartige Teil 9 des Ventilstößels, dessen unteres Ende fest mit dem Ventilteller 3 verbunden ist, noch seine Stellung beibehält. Es wird unter dem Einftuß der Feder 12 erst dann in seine obere, in F i g. 3 dargestellte Lage gebracht, wenn ein Ausgleich zwischen den Drücken in den Kammern S und P über den Entlüftungskanal 10 erfolgt ist. Es ist einzusehen, daß die Feder 12 so dimensioniert sein kann, daß entweder bei absoluter Druckgleichheit oder aber schon bei einer bestimmten Druckdifferenz die Bewegung des Teiles 9 und damit das Abheben des Ventiltellers 3 erfolgt. Die Geschwindigkeit des Druckausgleichs läßt sich durch geeignete Wahl von Durchmesser und Gestalt des Entlüftungskanals 10 beeinflussen.
F i g. 3 zeigt nun die Endlage der einzelnen Elemente bei erregtem Magnetsystem. Bei Aberregung des Magnetsystems nehmen die Elemente 1, 3 und 8 gemäß F i g. 4 wieder ihre ursprüngliche Lage ein.
In seinem in den Figuren oberen Bereich wirkt der Anker 1 auf den Belüftungsstößel 13, der mit seinem die in erforderlicher Anzahl vorhandenen Belüftungskanäle 14 aufweisenden Ende in einem von der Erregung des Magnetsystems abhängigen Maße in das Freie hinausragt. Der Belüftungsstößel 13 wird in seine in den F i g. 2, 3 und 4 angedeutete obere Stellung, die der abgehobenen Lage des Ventiltellers 3 entspricht, unmittelbar durch den Anker 1 (Auflagefläche 15) gebracht, während er sich bei in die untere Stellung bewegtem Anker 1 unter dem Einfluß der Feder 16 gegen die von seiner Dichtung 17 ausgeübte Reibungskraft bewegt. Dies hat zur Folge, daß; wie F i g.1 erkennen läßt, der Belüftungskanal.14 erst dann die Schleusenkammer S mit dem Außenrauen verbindet und damit diese Kammer unter Außendruck setzt, wenn durch Aufsetzen des Ventil= tellers 3 der gegenseitige vakuumdichte Abschluß -der Kammern P, R und S bereits gewährleistet ist. Dadurch, daß sich die Schleusenkammer S nach Aufsetzen des Ventiltellers 3 unter Atmosphärendruck - oder einem anderen geeignet gewählten Druck -befindet, wird ein sicherer Abschluß der drei Kammern gegeneinander durch die Dichtung 7 gewährleistet.
Obwohl dieses Ventil also an sich unter der vollen Differenz von Druck im Außenraum und Druck in der beispielsweise mit einer Vakuumpumpe verbundenen Kammer P steht, wird durch die mittels der beiden Teile 8 und 9 des Ventilstößels ermöglichte Entlüftung der Schleusenkammer S eine Vergrößerung der zur Betätigung des Ventils erforderlichen Kraft in vorteilhafter Weise vermieden.
Während die F i g. 1 bis 4 dazu dienen sollten, schematisch die Wirkungsweise eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Ventils zu erläutern, ist in den F i g. 5 und 6 eine konstruktive Ausführung eines derartigen Ventils dargestellt. F i g. 5 zeigt im wesentlichen einen Mittelschnitt in Achsrichtung, während F i g. 6 eine Aufsicht bei abgenommener Kappe 20 wiedergibt. Die bereits in den F i g. 1 bis 4 vorhandenen Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
In F i g. 5 ist die der F i g. 1 entsprechende Lage von Ventilteller 3, Anker 1 und Belüftungsstößel 13 wiedergegeben. In diesem Ausführungsbeispiel hat der Belüftungsstößel einen axial verlaufenden Belüftungskanal 14 mit mehreren radialen Austritten 14', die mittels entsprechender Ausnehmungen oder einer Senkung 21 in dem Formteil 22 in der gezeichneten Lage die Belüftung der in der Figur nicht dargestellten Schleusenkammer S vornehmen. Zur Beschleunigung dieser Belüftung weist der Anker 1 Ausnehmungen 23 zum Durchströmen der Luft auf. Selbstverständlich kann er auch, wie dies in den F i g. 1 bis 4 durch das Bezugszeichen 18 angedeutet ist, im wesentlichen in Richtung seiner Achse verlaufende Bohrungen besitzen.
Der Anker 1 wird mit seinem oberen Ende dadurch geführt, daß er mit seiner konischen Außenform in den Gegenkonus 24 des Formteiles 22 eingreift.
In dem in den F i g. 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiel erfüllt- der Belüftungsstößel 13 noch eine weitere Aufgabe: Er betätigt nämlich, wenn er in die in F i g. 7 nochmals dargestellte obere Lage gelangt, über die Rolle 25 den Schalter 26, der ebenso wie die Kabelschellen 27 und die Lötösen 27a für die. Zuleitungen zu dem Magnetsystem auf der Abschlußplatte 28 angeordnet ist. Dieser Schalter kann dazu dienen, ein .bestimmtes Signal oder einen Befehl zu erzeugen. Man kann ihn aber, gegebenenfalls gleichzeitig, dazu benutzen, die Erregung des Magnetsystems z. B. in -der- Weise zu beeinflussen, daß eine Umschaltung von Asprechstrom auf Haltestrom erfolgt.
Die Funktion der übrigen Teile des Ventils nach F i g. 7 ist, soweit sie nicht bereits an Hand der F i g. 1 bis 4 erläutert wurde; aus den Figuren erkennbar.
F i g. 7 läßt eine von der Gestaltung der Kammern R, P und S in den F -i g. 1 bis 4 abweichende Formgebung der Kammern R und P erkennen. Es handelt sich dabei um ein Ventil, das, wie in F i g. 8 ausführlich dargestellt, im Rahmen eines Ventilblocks Anwendung finden soll. Es ist bekannt, beispielsweise bei der Vakuumanlage für Elektronenmikroskope die verschiedenen Ventile in Baukastenform zu einem Block zusammenzufassen. Die einzelnen Ventile besitzen dabei gesonderte, miteinander lösbar verbundene Gehäuse, die vakuumdicht gegen den Außenraum abgedichtete Durchbrüche für die erforderlichen Verbindungen aufweisen.
Infolge der insbesondere durch koaxiale Anordnung der zwei Kammern P und R erzielten gedrängten Bauweise ist das erfindungsgemäße Ventil besonders gut zum Einsatz in einem derartigen Ventilblock geeignet. Dabei ist beispielsweise an seine Verwendung als Vorvakuumventil gedacht.
Die beschriebene Formgebung der Kammern des Ventils ermöglicht aber noch eine andere Ausführung des Ventilblocks, nämlich in der Weise, daß die mit dem Rezipienten bzw. die mit einem Raum niedrigeren Druckes in Verbindung stehende Kammer des einen Ventils die mit einem Raum niedrigeren Drukkes bzw. die mit dem Rezipienten in Verbindung stehende Kammer des benachbarten Ventils bildet. Das bedeutet, daß, wie in F i g. 8 dargestellt, die Kammer R des mittleren Ventils identisch mit der Kammer P sowohl des linken als auch des rechten Nachbarventils ist. Man kann also in vorteilhafter Weise einen Dreikammerventilblock durch Zusammenbau von mehreren Dreikammerventilen erzeugen, ohne dabei jedem Ventil ein besonderes Gehäuse zuordnen zu müssen. Dabei macht sich eine winklige Ausführung der einzelnen Kammern, wie sie im Fall der F i g. 7 vorliegt, besonders günstig bemerkbar.
In F i g. 9 ist die in F i g. 8 dargestellte Anordnung in Aufsicht wiedergegeben. Man erkennt den einfachen Aufbau dieses Ventilblocks aus drei einzelnen Ventilen nach der Erfindung.
Der raumsparende Aufbau des Ventilblocks nach F i g. 9 bietet in einfacher Weise die Möglichkeit, einen größeren Ventilblock aus mehreren der beschriebenen Blöcke, gegebenenfalls unter Hinzufügung einer anderen Ventilanordnung, zu schaffen. Dies ist in den F i g. 10 und 11 - in F i g. 10 in Aufsicht, in F i g. 11 in Seitenansicht - dargestellt.
An den beiden langen Seitenflächen eines beispielsweise als Hochvakuumventil dienenden Hauptkammermagnetventils 30 sind zwei Blöcke aus Ventilen nach der Erfindung angeflanscht. Die Blöcke sind mit 31 und 32 bezeichnet, wobei der Block 31 identisch mit dem in den F i g. 7 bis 9 dargestellten ist. Mit 33, 34 und 35 sind die Vorvakuummeßröhren bezeichnet, während 36 eine Hochvakuummeßröhre darstellt. 37 sind die Anschlüsse für den Rezipienten, beispielsweise ein Elektronenmikroskop, während die Stutzen 38 und 39 Vorvakuumanschlüsse darstellen, 40, 41 und 42 sind Belüftungsventile, 43 ist derAnschluß für die Hochvakuumpumpen.
Die Betätigung des Ventils kann statt auf elektrischem Wege auch mit mechanischen oder pneumatischen Mitteln vorgenommen werden. Gegebenenfalls können auch andere als die dargestellten Formen der Kammern verwendet werden.

Claims

Patentansprüche: 1. Ventil für Vakuumanlagen mit gegeneinander vakuumdicht abschließbaren Kammern, von denen eine Kammer mit einem Raum niedrigeren Druckes, beispielsweise einer Vakuumpumpe, und eine andere Kammer mit einem Raum höheren Druckes (Rezipienten) in Verbindung steht, insbesondere Vorvakuumventil für die Vakuumanlage von Korpuskularstrahlgeräten, wie Elektronenmikroskopen, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Kammer (F i g. 1; S) als Schleusenkammer in solcher Anordnung bezüglich der zwei ersten Kammern (P, R) vorgesehen ist, daß die zwei erstgenannten Kammern in bei Mischventilen an sich bekannter Weise eine Wand gemeinsam mit der dritten Kammer haben, in der zum Verbinden der Kammern dienende Öffnungen (5, 6) vorgesehen sind, die durch einen Ventilteller (3) vakuumdicht verschließbar sind, der von der dritten Kammer aufgenommen ist.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schleusenkammer (S) Mittel (10) zugeordnet sind, die vor dem durch Abheben des Ventiltellers (3) erfolgenden Aufheben den gegenseitigen vakuumdichten Abschlusses eine Entlüftung bzw. Entgasung der Schleusenkammer vornehmen.
3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (5, 6) in einer zur Bewegungsrichtung des Ventiltellers (3) senkrechten Ebene liegen.
4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei erstgenannten Kammern (P, R) koaxial zueinander angeordnet sind, daß die dann außenliegende (R) der zwei Kammern (P, R) in der Ebene eine in sich geschlossene, vorzugsweise ringförmige Öffnung (5) besitzt, die die Öffnung (6) in der dann innenliegenden (P) der zwei Kammern (P, R) umschließt, und daß der Ventilteller (3) zum gegenseitigen vakuumdichten Abschluß der Kammern (P, R, S) mit einer entsprechend der in sich geschlossenen Öffnung (5) geformten Dichtung (7) versehen ist.
5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schleusenkammer (S) weiterhin Mittel (14) zugeordnet sind, die nach der durch Aufsetzen des Ventiltellers (3) erfolgenden Herstellung des gegenseitigen vakuumdichten Abschlusses eine Belüftung der Schleusenkammer vornehmen.
6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil ein Magnetventil ist und ein Ventilstößel (8, 9) mit dem Anker (1) des Magnetsystems (2) verbunden ist.
7. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilstößel (8, 9) aus einem zur Entlüftung der Schleusenkammer (S) dienenden, in diese hineinragenden Teil (8), dessen eines Ende fest mit dem Anker (1) verbunden ist, und einem zur Betätigung des Ventiltellers (3) dienenden, ebenfalls in die Schleusenkammer (S) hineinragenden Teil (9) besteht, dessen eines Ende fest mit dem Ventilteller verbunden ist. B.
Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Ende des zur Entlüftung dienenden Teiles (8) mit mindestens einem Entlüftungskanal (10) versehen ist und nach Aufsetzen des Ventiltellers (3) in Abhängigkeit von der Erregung des Magnetsystems (2) aus der Schleusenkammer (S) durch den Ventilteller so weit in die mit einem Raum niedrigeren Druckes verbundene Kammer (P) hineinragt, daß der Entlüftungskanal entweder durch Verbinden der Schleusenkammer mit der mit einem Raum niedrigeren Druckes in Verbindung stehenden Kammer die Entlüftung der Schleusenkammer bewirkt oder der Entlüftungskanal unwirksam ist.
9. Ventil nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Ende des zur Betätigung des Ventiltellers (3) dienenden Teiles (9) in der Weise federnd (4) mit dem Anker (1) verbunden ist, daß bei Überdruck in der Schleusenkammer (S) bei der abgehobenen Stellung des Ventiltellers entsprechender Lage des Ankers der Ventilteller erst dann abgehoben wird, wenn mittels des zur Entlüftung der Schleusenkammer dienenden Teiles (8) ein Druckausgleich stattgefunden hat.
10. Ventil nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Betätigung des Ventiltellers (3) dienende Teil (9) des Ventilstößels (8, 9) dessen zur Entlüftung dienendes Teil (8) hülsenartig umgibt.
11. Ventil nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Anker (1) das eine Ende eines Belüftungsstößels (13) in der Weise federnd (16) verbunden ist, daß sein mit mindestens einem Belüftungskanal (14) versehenes anderes Ende in Abhängigkeit von der Erregung des Magnetsystems (2) so weit aus dem Ventilgehäuse herausragt, daß der Belüftungskanal entweder durch Verbinden der Schleusenkammer (S) mit dem Außenraum die Belüftung der Schleusenkammer bewirkt oder der Belüftungskanal unwirksam ist.
12. Ventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei der aufgesetzten Stellung des Ventiltellers (3) entsprechender Lage des Ankers (1) der Belüftungsstößel (13) erst dann unter der Wirkung einer Feder (16) in die zur Belüftung dienende Lage bewegt wird, wenn der Ventilteller aufgesetzt ist.
13. Ventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung der Verzögerung der Bewegung des Belüftungsstößels (13) die durch seine Dichtungen (17) erzielte Reibung ausgenutzt ist.
14. Ventil nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (1) mit mindestens einem Belüftungskanal (18) versehen ist.
15. Ventil nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Belüftungsstößel (13) mit seinem anderen Ende einen Schalter (F i g. 5; 26) zur Beeinflussung der Erregung des Magnetsystems (2), beispielsweise zur Umschaltung von Ansprech- auf Haltestrom, betätigt.
16. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß bei Zusammenfassung mehrerer Ventile zu einem Ventilblock die mit dem Rezipienten bzw. die mit einem Raum niedrigeren Druckes in Verbindung stehende Kammer (R bzw. P) des einen Ventils die mit einem Raum niedrigeren Druckes bzw. die mit dem Rezipienten in Verbindung stehende Kammer (P bzw. R) des benachbarten Ventils bildet (F i g. 8). In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 211364, 637 705, 825 189, 853 846, 855 846, 909 526; deutsche Auslegeschrift Nr. 1131058.