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Die Erfindung betrifft eine Absperr- und Durchschleusvorrichtung,
welche aus einem Gehäuse und einem als Rotationskörper ausgebildeten, einen freien
Durchtritt ermöglichenden Verschlußstück besteht; wobei dieses beim Öffnungs- und
Schließvorgang nach Abhebung mindestens eines mit der Gehäusewand elastisch und
vakuumdicht verbundenen Abdichtelementes frei und praktisch reibungslos in eine
vorgegebene Stellung drehbar ist.
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Die bekannten Kugel-, Platten-, Nadel- und Schieberventile und entsprechend
oder ähnlich ausgebildete Durchschleusvorrichtungen haben unter anderem die Nachteile,
entweder nur für einen bestimmten Zweck verwendet werden zu können oder als Mehrzweckventil
einen erheblichen Konstruktions-und Materialaufwand notwendig zu machen. Dabei sind
für große Durchtrittsöffnungen mechanisch bewirkte Bewegungen erheblichen Ausmaßes
erforderlich, wobei die mechanischen Bewegungs- und Verschlußelemente den freien
Durchtritt behindern. Die Bewegungselemente, wie z. B. Hebel und Gestänge, müssen
zum Teil mittels Durchführungen aus dem Gehäuse herausverlegt werden, was zu Undichtigkeiten
und zu schwer evakuierbaren Räumen, z. B. beim Hochvakuum, führt. Durchführungslose
Ventile, welche elektromagnetisch und hydraulisch oder pneumatisch betätigt werden,
erlauben im allgemeinen jedoch nur kleine Durchtrittsöffnungen. Das Ausmaß und die
Dauerfestigkeit der Abdichtung, insbesondere bei wiederholten Öffnungs- und Schließvorgängen,
ist von mehreren Faktoren abhängig, wie z. B. Materialabnutzung der Dichtflächen
infolge des erforderlichen Anpreßdruckes oder infolge Ausheizens oder Verstellen
der Einstellung am Gestänge, z. B. bei Plattenventilen. Hähne haben zwar den Vorteil
des freien Durchtrittes, weisen aber als Nachteil große Reibungsflächen bei der
Drehung des Kükens gegenüber dem Hahngehäuse auf.
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Es sind auch bereits Hähne bekanntgeworden, bei denen im Gehäuse beweglich
angeordnete Ventilsitze mechanisch oder hydraulisch vom Küken abhebbar sind. Jedoch
weisen diese Hähne entweder keine vakuumdichten Verbindungen zwischen Ventilsitzen
und Gehäuse auf oder die vorzugsweise mechanischen Betätigungselemente zur Bewegung
von Küken und Ventilsitzen zeigen den bereits erwähnten Nachteil einer unvollkommenen
Abdichtung.
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Diese aufgezeigten Mängel lassen sich durch die Erfindung vermeiden,
oder treten nicht mehr in nachweisbarem Umfange auf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabestellung zugrunde, eine Absperr- und
Durchschleusvorrichtung, welche aus einem Gehäuse und einem innerhalb des Gehäuses
zwischen Ventilsitzen drehbar angeordneten als Rotationskörper ausgebildeten Verschlußstück
besteht, zu schaffen, welche bei Betätigung sowohl eine den Querschnitten der Verbindungsstutzen
angepaßte Durchlaßöffnung freigibt, als auch eine fast reibungslose Bewegung des
Verschlußkörpers ermöglicht und welche möglichst innerhalb des Gehäuses keine mechanisch
bewegten Teile mit Durchführungen durch das Gehäuse aufweist.
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Das Kennzeichnende an einer Absperr- und Durchschleusvorrichtung gemäß
der Erfindung wird nun darin gesehen, daß das Verschlußstück und das abhebbare Abdichtelement
über vom Gehäuseinnenraum vakuumdicht abgetrennte, durchführungslose Vorrichtungen
betätigbar sind. Hierbei wird mindestens ein Ventilsitz durch ein mit der Gehäusewand
vakuumdicht verbundenes elastisches Verbindungselement beim öffnungs- oder Schließungsvorgang
vom Verschlußstück so weit abg"hoben, daß dieses freigegeben wird und fast reibungslos
in eine vorgegebene Stellung gedreht werden kann. Im allgemeinen genügt es, wenn
die zwei gegenüberliegenden, das Verschlußstück umfassenden Ventilsitze je 1 mm
vom Verschlußstück abgehoben werden. Das Abheben der Ventilsitze vom Vexschlußstück
kann zweckmäßigerweise mittels des elastischen Verbindungselementes pneumatisch,
hydraulisch, thermisch oder elektromagnetisch und elektrisch und/oder mechanisch
über eine vom Gehäuseinnenraum vakuumdicht abgetrennte Vorrichtung erfolgen.
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Das Verschlußstück kann z. B. durch Gewichtsverlagerung und elektromagnetisch,
vorzugsweise gekoppelt mit der Betätigung des elastischen Verbindungselementes und/oder
mechanisch über ein im Behälterinnenraum angeordnetes Gestänge und/oder mittels
einer an einem Drehpunkt des Verschlußstückes und vakuumdicht getrennt von dessen
Aufhängung von außerhalb des Gehäuses angreifenden Drehvorrichtung in durch Arretierungsmittel
vorgegebene Stellungen gedreht werden.
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Innerhalb des evakuierbaren Gehäuses sind vorzugsweise zwei sich gegenüberliegende
und das Verschlußstück umschließende Ventilsitze vorgesehen, welche durch elastische
Verbindungselemente, die mit der Gehäusewand vakuumdicht verbunden sind, mit je
einem Anschlußflansch in Verbindung stehen. Das von den Ventilsitzen abdichtend
umgebene Verschlußstück ist innerhalb des Gehäuses drehbar gelagert.
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Als elastische Verbindungselemente können Faltenbälge, vorzugsweise
doppelwandige Faltenbälge, Membranen oder aus flexiblen Materialien gefertigte elastische
Körper, wie z. B. Gummimuffen usw. verwendet werden, welche vakuumdicht innerhalb
des Gehäuses an der Gehäusewand befestigt sind und mit ihren Durchtrittsöffnungen
einerseits in an der Außenwand des Gehäuses angebrachte Flansche, andererseits in
die Ventilsitze einmünden. Das mindestens eine durchgehende Öffnung aufweisende
Verschlußstück kann z. B. als kugel- oder zylinderförmiger Rotationskörper ausgebildet
sein und ist vorzugsweise mit je einem Zapfen in gegenüberliegenden Gehäusewänden
drehbar gelagert, wobei der eine Zapfen in einer Ausstülpung der Gehäusewand nach
außen als Magnet- oder Drehfeldkupplung ausgebildet sein kann. Die elastischen Elemente
können in einer anderen geeigneten Ausführungsform aus je zwei vakuumdicht mit Gehäuse
und den die Ventilsitze tragenden Rohrstücken verbundenen Faltbälgen aus Materialien
mit verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten bestehen, welche in deren vom Behälterinnenraum
getrennten Zwischenräumen Heizspiralen enthalten, die bei Stromdurchgang eine Erwärmung
und Verformung des Membrankörpers und damit verbundene Bewegung der Ventilsitze
vom oder zum Verschlußstück bewirken.
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Die Erfindung ist nicht auf ein Ventil mit geradlinigem Durchgang
beschränkt, sondern kann auch als Eckventil, Mehrkanalventil, Steuerventil, Mischventil
oder Dosierventil Anwendung finden. Bei einem Dosierventil wird das Verschlußstück
über eine Untersetzung langsam an dem nur geringfügig in seinem
Druck
gegen das Verschlußstück entlasteten Ventilsitz vorbeibewegt, so daß sich eine bestimmte
Durchlaßrate einstellen läßt.
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In einer weiteren geeigneten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist an einer, vorzugsweise magnetisierbaren, Membran ein mit Führungselementen
und dem Ventilsitz versehenes Rohrstück angebracht, welches in einem Verbindungsstück
zum Anschlußflansch verschiebbar angeordnet ist. Das Rohrstück ist aus je einem
magnetischen und einem antimagnetischen Teilstück hergestellt und taucht in das
Verbindungsstück zum Anschlußflansch, das von einem Elektromagnet bzw. einer Spule
umgeben ist, ein, so daß das Rohrstück und/oder die Membran beim Einschalten des
Stromes gegen das Verschlußstück angedrückt oder von diesem wegbewegt bzw. abgehoben
wird.
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Zur besseren Abdichtung des Ventilsitzes am Verschlußstück empfiehlt
es sich, eine Feder im Verbindungsstück zum Anschlußflansch vorzusehen, welche das
Rohrstück mit dem Ventilsitz in Ruhestellung gegen das Verschlußstück preßt. Beim
Einschalten des Elektromagneten wird das Rohrstück mit dem Ventilsitz gegen die
Feder vom Verschlußstück weggezogen. Das im Magnetfeld angeordnete Rohrstück kann
auch über ein innerhalb des Ventilgehäuses befindliches Gestänge mit einem weiteren
auf der gegenüberliegenden Seite des Verschlußstückes angebrachten, von einer Membran
gehaltenen zweiten Rohrstück so in Wirkverbindung stehen, daß beim Einschalten des
Elektromagneten beide Ventilsitze vom Vcrschlußstück abgehoben werden.
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Mit der Bewegung der auf beiden Seiten des Ventilstückes in Magnetfeldern
angeordneten von Membranen gehaltenen Rohrstücke, deren die Ventilsitze aufweisenden
Seiten dem Verschlußstück zugekehrt angeordnet sind, kann die Drehung des Verschußstückes
gekoppelt sein, indem in demselben Permanentmagnete vorgesehen sind, welche mittels
an der Gehäuseaußenwand angebrachter Schaltmagnete eine Einstellung des Verschlußstückes
bewirken. Die Durchtrittsöffnungen des Verschlußstückes können gegebenenfalls mit
Dichtungselementen, insbesondere metallischen oder nichtmetallischen Werkstoffringen
oder Auflageflächen versehen sein, wobei es in einigen Fällen angebracht sein kann,
die Ventilsitze dem Verschlußstück anzupassen und ebenfalls mit Dichtungselementen
zu versehen. Die Abdichtung des Verschlußstückes gegenüber dem Ventilsitz kann durch
die Drosselwirkung des Spaltes zwischen den Rotationsflächen des Verschlußstückes
und den koaxialen Auflageflächen des Ventilsitzes erfolgen. Es lassen sich so hoch
ausheizbare Ventile für Ultrahochvakuumanlagen herstellen.
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Es ist vorteilhaft, jedoch nicht Bedingung, daß die Durchlaßöffnungen
der Ventilsitze und des Verschlußstückes gleiche Querschnitte aufweisen. Oftmals
genügt es schon, z. B. im Falle unterschiedlicher Durchmesser der Durchlaßöffnungen,
wobei der Durchmesser der Durchlaßöffnung des Verschlußstückes kleiner als der Durchmesser
der Durchlaßöffnungen der Ventilsitze ist, als Ventilsitz rohrförmige Durchlaßstutzen
zu verwenden, wobei zur Abdichtung deren dem Verschlußstück zugewandtes Rohrende
dient.
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Zum Einschleusen von Objekten ist am Gehäuse ein (Evakuier- und/oder)
Einschleusstutzen angeordnet. Auf der gegenüberliegenden Seite des Einschleus-Stutzens
ist ein über den Durchmesser der Durchtrittsöffnung des Verschlußstückes hinausgehendes
Blindstück vorgesehen, damit das eingebrachte Objekt während der Drehbewegung innerhalb
des Verschlußstückes verbleibt.
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In einer Anlage, welche z. B. durch flexible Rohre eine gewisse Bewegung
der einzelnen Teile zuläßt, bewährt sich ein Ventil gemäß der Erfindung, bei welchem
das Gehäuse von den über ein starres Mittelstück verbundenen Federbälgen gebildet
ist. Eine derartige Vorrichtung kann von Hand bedient werden, indem zur mechanischen
Betätigung der Federbälge eine, vorzugsweise an drei Punkten aufliegende Spannvorrichtung
vorgesehen ist.
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An Hand von schematischen Zeichnungen soll das Prinzip der Erfindung
und hierfür bevorzugte Ausführungsformen wiedergegeben werden. Es zeigen F i g.
1 eine Durchschleus- und Absperrvorrichtung im Längsschnitt, F i g. 2 eine teilweise
aufgeschnittene Draufsicht nach F i g. 1, F i g. 3 eine vereinfachte Ausführungsform
einer Absperrvorrichtung im Längsschnitt, F i g. 4 eine Draufsicht der Vorrichtung
nach Fig.3, F i g. 5 bis 8 weitere geeignete magnetisch mittels Membranen betätigte
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche insbesondere als Fein-
und ausheizbare Hochvakuumventile zur Anwendung gelangen können.
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Man erkennt in den F i g. 1 und 2 ein Gehäuse 1, mit einem angesetzten
Ein- oder Auslaßstutzen 11 zur Be- bzw. Entlüftung oder Evakuierung des Gehäuses
1, mit angesetzten Ein- und Auslaßrohransätzen mit Anschlußfianschen 6 und 7 und
einem Schleusenstutzen 5 mit gegebenenfalls eingesetzten Schauglas 51. Die Ein-
und Auslaßrohransätze mit Anschlußflanschen 6 und 7 weisen durchgehende Durchlaßöffnungen
33 und 303 auf, welche mit einer Durchlaßöffnung 21 eines Verschlußstückes
2 einen geraden Durchlaß bilden. Das Verschlußstück 2 ist im Bereich des Durchlasses
von gegenüberliegenden Abdichtelementen 3 und 30 umschlossen. Die den Ventilsitz
bildenden Abdichtelemente 3 und 30 sind über elastische Elemente, im vorliegenden
Falle Doppelfaltenbälge 31 und 301, vakuumdicht mit den Wänden des
Gehäuses 1 verbunden, wobei die öffnungen der genannten Elemente gleichen Querschnitt
aufweisen und eine gemeinsame Achse haben. Man erkennt ferner an den Faltenbälgen
31 und 301 je einen Anschlußflansch 32 und 302, welche zur Evakuierung oder Versorgung
mit einem Druckmedium dienen. Zweckmäßigerweise ist an den Faltenbälgen 31 und 301
noch je ein nicht gezeigtes Belüftungsventil vorgesehen. Das Verschlußstück 2 ist
mit einem Zapfen 22 in einem Drehpunkt in der Gehäusewand aufgehängt. Zum verkantungsfreien
Abheben bzw. Andrücken der Abdichtelemente 3 und 30 können diese mit den Faltenbälgen
geführt werden.
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Die Faltenbälge (31, 301) können aus je zwei Membranen aus Materialien
mit verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten bestehen, welche in deren vom Behälterinnenraum
getrennten Zwischenräumen Heizspiralen enthalten, die bei Stromdurchgang eine Erwärmung
und Verformung des Membrankörpers und eine damit verbundene Bewegung der Abdichtelemente
bewirken.
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Die F i g. 3 und 4 lassen ebenfalls die im wesentliehen
gleichen
Elemente erkennen. Die Lagerung des Verschlußstückes 2 erfolgt hierbei in einem
starren Mittelstück 8, welches zwischen den das Gehäuse 1 bildenden Faltenbälgen
31 und 301 mit diesen vakuumdicht verbunden, angeordnet ist. Die Ein- und Auslaßrohransätze
mit Anschlußflanschen 6 und 7 gehen in dieser Anordnung in ihren die Abdichtelemente
3 und 30 aufnehmenden Teilen in kreisförmige Platten über, an deren Peripherien
die Faltenbälge 31 und 301 angeschweißt sind. Auf dem z. B. kugelförmigen Verschlußstück
2 ist ein die Durchlaßöffnung 21 umgebender Dichtungsring 23 angebracht. Eine Ausstülpung
812 des Mittelstückes 8 nimmt den Zapfen 22 auf, während auf der gegenüberliegenden
Seite ein weiterer Zapfen 202 in einer Wandaussparung des Mittelstückes 8 gelagert
ist. In F i g. 4 erkennt man noch einen Betätigungsknopf für eine Magnetkupplung
4 sowie eine Spannvorrichtung 9, welche an drei Punkten angreift, was jedoch
aus Gründen der übersichtlichkeit nicht gezeigt ist.
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Die F i g. 5 bis 8 zeigen im Prinzip die gleiche Anordnung und die
gleichen Elemente wie die der F i g. 1 und 2, wobei jedoch an Stelle der Faltenbälge
31 und 301 mindestens eine Membran 301 an ihrer Randlinie 308
vakuumdicht mit den Innenwänden des Behälters verschweißt angeordnet ist. Man erkennt
Elektromagnete, welche beim Einschalten entweder die Membran oder ein Zwischenrohrstück,
welches mit der Membran verschweißt ist und den Ventilsitz aufnimmt, bewegt.
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In der F i g. 5 ist ein beweglicher Abschluß gegenüber dem Verschlußstück
nur an einer Seite vorgesehen. Das Abdichtelement 30 wird durch ein Rohrstück 304/305
gebildet, welches mit der Membran vakuumdicht (307) verbunden ist. Das Rohrstück
ist aus einem nicht magnetisierbaren Teilstück 304 und einem magnetisierbaren Teilstück
305 zusammengesetzt. Der dem Ventilsitz 30 gegenüberliegende Ventilsitz 3 weist
eine koaxiale Auflagefläche 36 auf, welche den koaxialen Auflageflächen des Verschlußstückes
2 angepaßt ist. Der Abstand zwischen diesem Ventilsitz 3 und dem Verschlußstück
2 ist fest eingestellt und soll vorzugsweise 0,01 bis 0,1 mm betragen. Hierbei wird
die Abdichtung gegenüber dem evakuierten Behälterinnenraum durch die Drosselwirkung
des Spaltes zwischen den Auflageflächen erreicht.
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Innerhalb des Rohransatzes des Flansches 7 ist eine Arretierung 71
angeordnet, welche die Hubbewegung des Rohrstückes 304/305 auf den zuvor bestimmten
Wert festlegt. Der Rohransatz ist hierbei so lang ausgezogen, daß der in diesem
Beispiel beweglich angeordnete Elektromagnet 70 beim Ausheizen aus der Heizzone
zurückgezogen werden kann. Das Gehäuse ist mit einem Mantel 13 zur Aufnahme von
Heizelementen 131 umgeben.
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In F i g. 6 erkennt man eine Feder 72, welche das Rohrstück 304/305
in Ruhelage gegen das Verschlußstück 2 andrückt. Zur Arretierung weist das Rohrstück
304/305 noch eine Arretierung 306 auf.
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In F i g. 7 wird über ein Gestänge 300 innerhalb des Ventilgehäuses
das Abdichtelement 3 mit der Membran 31 gleichzeitig mit dem Abdichtelement 30 an
das Verschlußstück 2 angedrückt, bzw. von diesem abgehoben. Im Rohransatz des Flansches
6 ist ebenfalls eine Arretierung 61 vorgesehen.
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F i g. 8 läßt Permanentmagnete 23 bis 28 innerhalb des Verschlußstückes
2 erkennen, welche durch Umpolen eines am Gehäuse 1 angeordneten Elektromagneten
10 eine Drehbewegung des Verschlußstükkes 2 ermöglichen. Man erkennt ferner einen
den Rohransatz des Flansches 6 umgebenden Elektromagneten 60 und das aus zwei Materialien,
wie in F i g. 5 beschrieben, bestehende Zwischenrohrstück 34,35.
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Die Vorrichtung ermöglicht z. B. elektronisches Schweißen, Einführen
von Objekten in ein Elektronenmikroskop und Manipulationen mit radioaktiven Präparaten
im Vakuum, ferner den Transport und Abschluß von gasförmigen, flüssigen oder rieselförmigen
Medien.