DE1808567A1 - Vakuum-Drosselventil - Google Patents

Description

MAX-FLANGK—ii'JJi'jLL.KJliAi¹'? zur Förderung cu^:r- Y/iiUum-uch; ften e.7,

Vakuum-Drosselventil

Einstellbarer, elektromagne tisch betutigbarr;· Vakuum-D fo:>i,'.-.L-ventil, insbesondere Kur Steuerung des Druckes b;*w. der Temperatur in einam Kryostaten.

Zur Einstellung konstanter tiefer Temperaturen in Verdampferkryostaten sind dampfdruckgesteuerte und elektromagm³tisch gesteuerte Drosselventile mit und ohne Bypass bekannt, die in der Absaugleitung dee Kryostaten angeordnet werden und die Kältemittelzufuhr in den Kryostaten in Abhängigkeit von der " Temperatur am Kühlkopf oder an der Probe steuern (Lit.: bsp-v. G.Klipping, "Chemie-Ingenieur-Technik" 36 (1964) S.430-441, insbesondere S. 4.'*^>/37). Ferner sind Druckregler unterschiedlicher Konstruktion bekannt, die zur Konstanthaltung bestimmter vorwählbarer Unterdrucke in Kryostaten dienen. Derartige Druckreglor sind gleichneiHk Temperaturregler, da beim Betrieb des Kryostaten unter vermin-i... L^riiii DracS: 'ie Temperatur im Kryostaten vom Uruck über der verdampfenden Flüssigkeit bestimmt wird (Lit.: DBi' I 151 2b4; A.Elfner, <r.Hildebrandt, G.Kli -ning, "Kältetechnik-Klirnut/iiUpri^g" 1ü (19<»6) U. 233-237; H. ö.Sommers, "ßeview of Scientific Inntruments" Zb (1954) S.793-794; !.Simon,"Review of Scientific Instruments" 20 (1949) S.832; u.a.m.). -

Soweit dif=· l»f^jkannten Drosnrvl.ventile mechanisch, d.h. in Abhängigkfit vom Dampfdruck, über einen Referenzdruck oder in'Verbindung mit ein (Mn pneumatischen Signal Verstärker gesteuert wercjfπ, haben nie ver;veiiif>dene Nachteile. Die Dampfdrucksteuerung iut entüui'fi'.'l-iend deri physikalischen Daten des Füllgases jeweils nur für bestimmte Temperaturbereiche geeignet. Der tibeivnng in einen anderen Hereich erfordert einen Wechsel des Ψü 1.1 gasen, und einige Temperaturbereiche sind mangels geeignet»r Füll#αBt-J überhaupt nicht zugänglich. Bei Verwendung pneu-

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matischer Verstärker ergeben sich kompliziertere Konstruktionen, die ungünstig zu fertigen sind und relativ viele Fehlerquellen aufweisen.

Die bekannten elektromagnetischen Regelventile arbeiten diskontinuierlich (nur Auf- und Zu-Stellung des Ventils möglieh), d.h«, es ist ein Bypase erforderlich, um einen zur Einstellung beliebiger tiefer -Temperaturen in Kryostaten ausreichend großen Regelbereich zu erhalten und die Kegelschwankungen auf ein zulässiges Maß herabzusetzen. Bei dieser Arbeitsweise des Ventils - kontinuierlicher Gasstrom durch den einstellbaren Bypaea _un<3 zusätzlich diskontinuierlicher geregelter Gasstrom durch das elektromagnetisch gesteuerte Ventil - ist es unmöglich, eine den Temperaturechwankungen im Kryostaten genau folgende kontinuierliche Veränderung des Gasstromes durch das Ventil zu erreichen.

Aus der Schwachstromtechnik sind andererseits sogenannte "elektrodynamische Systeme" bekannt, die aus einem Magneten (Permanentmagnet oder Elektromagnet) mit ringförmigem Spalt und einer innerhalb dieses Spaltes federnd angeordneten Spule bestehen. Die Windungen der Spule verlaufen senkrecht zu den Feldlinien des Magneten. Wird die Spule von Strom durchflossen, so wird sie mit einer der Spannung proportionalen Kraft senkrecht zum Magnetfeld aus der Ruhelage ausgelenkt. Derartige Systeme werden bspw. zur Erzeugung der Tonschwingungen in Lautsprechern verwendet (Lit.% bspw. Büscher, "Kleines ABG der Elektroakustik", 4. Aufl., S.41, Abb. 29 u..30, Francis-Verlag, München 1963).

Entsprechend der Erfindung wird ein Vakuum-Drosselventil vorgeschlagen, dessen Kennzeichen darin besteht, daß das Ventil- > element mit dem bewegbaren Teil eines elektrodynamischen Antriebssystems in Verbindung steht. Ein solches Drosselventil ist vielseitig anwendbar in Vakuumapparaturen. Besonders vorteilhaft kann es zur Druck·» bzw. Temperaturregelung in Kryostaten vorwendet werden, wobei das Ventil durch einen im Kryostaten angeordneten Meßfühler,, der mit dem elektrodynamischen

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Antriebssystem in Verbindung stent, in Abhängigkeit von der Temperatur bzw. dem Druck im Kryostaten gesteuert wird.

Bei einem derartigen Drosselventil kann es zweckmäßig daß das elektrodynamische Antriebssystem eine in den Luftspalt eines Magneten eingreifende An triebe spule aufweist, die an eiu<,.. Membranelement befestigt ist, welches das Ventilelement trägt. Als Magnete kommen für ein solches System sowohl Permanentmagnete als auch Elektromagnete in Frage. Die Befestigung der beweglichen Antriebsspule an einem das Ventilelement tragenden Membranelement bietet den Vortpil, daß eine genaue Zentrierung der Spule im Luftspalt des Magneten bei Erhaltung einer hohen Beweglichkeit des Gesamtsystems möglich iet.

Um eine kontinuierliche Veränderbarkeit des Durchlaßquersehni Ma bei einwandfreiem Schließen des Ventils zu erreichen, kann er; günstig Bein, daß das Ventileleme'nt mit in Richtung zum Ventilsitz abnehmendem Absperr-Querschnilt gestaltet ist ^t,Λ einen ebenen Randteil aufweist, der in der Abdichtlage gegen eine angepaßte Dichtungefläctie des ringförmigen Ventilsitze» anliegt.

Bei einer vorteilhaften Ausbildung kann das Ventileleiuent einen freien Innenraum aufweisen, Welcher in der Absperrlage des Vakuum-Drosselventils über eine Ausnehmung mit dem Vakuum des Absauganschluesee kommuniziert, und der freie Irmenraum des Ventilelemente kann mit einem Faltenbalg verbunden sein, Ä welcher einseitig gelriusefest und gasdicht an einem Teil des elektrodynamiBchen Antriebssysteme gelagert list. Das Ventilelement wird bei dieser Ausbildung besoniers leicht, und das Auftreten von Druckdü.''erenzen an; Ventilelement wird vermieden. Der Faltenbalg dichtet den Innenraum des Ventileler.ent» gegen den übrigen Innenrauin α ?s Ventilgehauses ab und kann gleichzeitig zur Verbesserung der Führung des Ventilelemnts dienen.

Um die Montage zu erleichtern und ein reibungsfreies Kegelspiel des Ventils zu begünstigen, kaim es nützlich sein, daß das Ventilgehäuse in de:¹. Weise geteilt irst, daß der Ventilsitz gegenüber dem Ventilelt?r.ent durch die gegeneinander verschiebbaren Gehäuse teile sen tr.', er bar ist.

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Es kann ferner zweckmäßig sein, daß der Magnet; des elektrodynamischen Antriebssysteins eine axiale Bohrung aufweist., welche mit dem Absauganschluß des Vakuum-Drosselventils verbunden ist. Damit wird eine besonders Redrungene Bauweise des Ventils erreicht.

Bei einer vorteilhaften Ausbildung des Drosselventils kann das elektrodynamische Antriebssystem mit einer veränderbaren wechselspannungsüberlagerten Gleichspannung gespeist werden. Damit kann eine Schwingungscharakteristik des Ventilelements erreicht und damit die Stell- und Schalteigenschaften des Ventils verbessert werden.

In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt; es zeigen:

Figur 1 einen Schnitt durch ein Ventil mit einem

Permanentmagneten im elektrodynamischen System,

Figur 1a einen um 90° gedrehten Schnitt durch ,asselbe

Ventil an der in FigVI mit A-A' gekennzeichneten Stelle,

Figur ? einen Schnitt durch ein « jlil mit einem Elektromagneten im elektrodynamischen System,

Figur 2a einen um"90° gedrehten Schnitt durch dasselbe

Ventil an der in Fig.2 mit B-B¹ gekennzeichneten Stelle. "" ■

Wie Fig.1 zeigt, besteht das Ventilgehäuse aus einem topffö'rmigen Unterteil 1 und einem Deckelstück 2, die durch eine Flanschverbindung 3 lösbar und begrenzt gegeneinander verschiebbar miteinander verbunden sind. Innerhalb des topffö'rmigen Gehäuseunterteils 1 ist ein Permanentmagnet 4- angeschraubt. Der Permanentmagnet 4 ist rotationssymmetrisch und besteht hier aus einem pennanentmagnetiEchen konusförmigen Kernstück 5» an welches zur Erzielung der pev.'ünschten Magnetform zwei aus Eisen bestehende

gr

Drehteile 6 und V fest angesetzt sind. Der Magnet kann Jedoch auch anders gestaltet sein. Zur Halterung des Magneten im Gehäuse unterteil 1 ist a m'ie n an das Magnetteil 7 ein mit Bohrungen 8 versehener HalterunpsririF 9 angesetzt. Zwischen de.n beiden Magnet

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teilen 6 und 7 ergibt sich ein ringförmiger Spalt 10, in dem die elektrische Spule 11 angeordnet ist, deren elektrische Zuleitung über eine Durchführung 22 im Gehäuseunterteil 1 nach außen geführt ist. Die Spule 11 ist an einer ringförmigen gewellten Membran 12 befestigt, die ihrerseits am offenen Ende des Gehäuse Unterteils 1 angeschraubt ist. Die Membran ist beim Anschrauben gegen das Gehäuseunterteil 1 begrenzt verschiebbar, so daß die Spule 11 genau im Spalt 10 des Magneten 4- zentrierbar iet. Damit wird erreicht, daß sie sich reibungsfrei im Spalt des Magneten bewegt.

An der Membran 12 ist auch das Ventilelement 13 befestigt. Das Ventilelement 13 weist einen ebenen Randteil 14 auf, der bei vollständig geschlossenem Zustand des Ventils als Dichtungs-¹ fläche dient. Das obere Ende des Ventilelements 13 weist einen in Richtung zum Ventilsitz abnehmenden Durchmesser auf, so daß das Ventilelement 13 eine gerundete Form hat, die eine kontinuierliche Veränderung des Durchlaßquerschittes des Venbils begünstigt. Das Ventilelement 13 ist als Hohlkörper ausgebildet, ist also besonders leicht, und es ist mit einer Ausnehmung 15 versehen, die einen Druckausgleich zwischen beiden Seiten des Ventilelements 13 ermöglicht, so daß das Ventilelement 13 keiner Druckbelastung unterliegt. Zur Abdichtung des Innenraumes des Ventilelements 13 gegen den restlichen Innenraum des Ventilgehäuses ist ein Faltenbalg 16 mit dem Ventilelement 13 verbunden, dessen freies Ende gehäusefest und gasdicht am Magnetstück 6 gehaltert ist,

Gaseintritt 17 und Gasaustritt 18 des Ventils sind hier am Gehäusedeckelstück 2 angeordnet und mit Anschlußflanschen 19,20 versehen. Das GehäusedeckeIstück 2 trägt auch den mit einem Dichtungselement versehenen Ventilsitz 21.

Wie Fig.1a zeigt, ist die Membran 12 mit Bohrungen 23 zum Druckausgleich innerhalb des Gehäuses 1,2 versehen.

Fig.2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des Ventils, bei der das Ventilgehäuse aus einem Unterteil 25, einem Mittelteil 2C-

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und einem Deckelstück 27 besteht, die durch die Flanschverbindungen 28 und 29 miteinander verbunden sind (30,31 = Dichtungselemente). Das Gehäuseunterteil 25 ist mit einem in das Ventilgehäuse hineinragenden eine durchgehende axiale Bohrung aufweisenden zylindrischen Zapfen versehen, auf den die Wicklung 3^;-des Elektromagneten aufgebracht ist. Die elektrische Zuleitung des Elektromagneten ist über eine Durchführung 33 im Mittelteil des Ventilgehäuses nach außen geführt. Unterteil 25 und Mittelteil 26 des Ventilgehäuses sind gleichzeitig Bestandteil des Elektromagneten und sind dementsprechend so geformt, daß sich ein ringförmiger Spalt 34 für die elektrische Spule 35 ergibt. Der Magnet kann jedoch auch anders geformt sein und als gesondertes Bauelement in das Ventilgehäuse eingesetzt sein. Die Spule 35» deren Zuleitung ebenfalls über eine Durchführung 36 im Mittelteil 26 des Ventilgehäuses nach außen geführt ist, ist hier an drei bandförmigen gewellten Membranelementen 37 gehaltert, die am Mittelteil 26 des Ventilgehäuses befestigt sind und die neben der Spule 35 auch das Ventilelement 38 tragen. Das Ventilelement 38 ist ebenso ausgebildet, wie es^bereits an Hand von Fig.1 beschrieben wurde, weist jedoch keine durchgehende Ausnehmung zum Druckausgleich auf. Die Gaseintrittsöffnung 39 mit Anschlußflansch 40 und der Ventilsitz 41 sind wiederum am GeLäusedeckeIstück 27 angeordnet, während sich der Gasaustritt 42 mit dem Anschlußflansch 43 bei dieser Ausführung am Gehäuseunterteil 25 befindet. In diesem Fall ist also das Ventilelement 38 der zwischen Gaseintritt und Gasaustritt herrschenden Druckdifferenz ausgesetzt, was jedoch durch eine entsprechende Dimensionierung des Ventilelements und des Magneten ohne weiteres ausgeglichen werden kann.

Das Ventil ist vorteilhaft überall dort in Vakuumapparaturen zu verwenden, wo ein automatisch steuerbares Ventil mit hoher Ansprechempfindlichkeit benötigt wird. Besondere Vorteile bietet _; die Anwendung des Ventils zur Druck- bzw. Temperaturregelung in Kryostaten. Dabei ist das Ventil in die zur Förderpumpe führende Abgasleitung des Kryostaten eingesetzt. Die elektrische Zuleitung (22 bzw. 36) der Spule (11 bzw. 35) des elektrodynamischen Systems ist über ein geeignetes an sich bekanntes Regelgerät mit einem Druck- oder Temperaturmeßfühler im Kryostaten verbunden, während im Fall des zweiten Ausführungsbeispiels der Elektromagnet (32)

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im-allgemeinen an eine Gleiehspanmmgsquelle angeschlossen ist. Sowohl die der Antriebsspule als auch die dem Magneten zugeführte Spannung kann wechselspannungsüberlagert sein.

Im stationären Betrieb gelangt bei positiver oder negativer Abweichung des Druckes bzw. der Temperatur im Kryostaten vom Sollwert ein entsprechendes Spannungssignal vom Meßfühler zur Spule des elektrodynamischen Systems, die dadurch weiter in den Magneten hineingezogen oder weiter aus dem Magneten herausgelenkt wird, wodurch das Ventil weiter geöffnet oder weiter geschlossen wird, was zum Ausgleich der Sollwertabweichung der geregelten Größe führt.

Die besonderen Vorteile eines solchen Ventils liegen darin, daß eine kontinuierliche Durchflußveränderung möglich ist, da die Spule und damit das Ventilelement, jede beliebige Stellung zwischen dem vollständig geöffneten Zustand und dem vollständig geschlossenen Zustand einnehmen kann. Bei Betätigung des Ventils durch ein Signal eines Meßfühlers in einem Kryostaten oder einem anderen Teil einer Vakuumapparatur iat der sich einstellende Ventilhub und damit die Durchlaßquerschnittveränderung jeweils der Sollwertabweichung an der Meßstelle direkt proportional. Da die beweglichen Teile des vorgeschlagenen Ventils massearm sind, wird eine hohe Ansprechgeschwindigkeit erreicht. Es ist jeweils nur ein minimaler Regelhub erforderlich. Daraus ergibt sich eine extrem hohe Stellgeschwindigkeit. Das Ventilelement arbeitet nahezu reibungsfrei, wodurch sich eine ausgezeichnete Einstellreproduzierbarkeit und eine hohe Einstellgenauigkeit ergibt. Weitere Vorteile liegen darin, daß die beweglichen Ventilteile praktisch keiner Abnutzung unterliegen und daß das Ventil weitgehend unabhängig ist von der Arbeitstemperatur. Da bei einem Solchen Ventil kein Bypass erforderlich ist, sondern der gesamte Durchsatz geregelt wird, ist der Betrieb mit diesem Ventil in höherem Maße wartungsfrei (keine Bypasseinstellung von Hand erforderlich) als es von herkömmlichen Vakuum-Drosselventilen bekannt ist.

Ferner ist die Ruhelage der Spule und damit die Ruhestellung des Ventils auf elektrischem Wege veränderbar, durch überlagern einer

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Wechselspannung auf die Spule oder auch den Elektromagneten kann eine bestimmte vorteilhafte Schwingungscharakteristik des Ventils erreicht werden und das Ventil kann gegebenenfalls auch als Auf/Zu-Ventil verwendet werden (Öffnen und Schließen durch Umpolen der Spannung).

Das Ventil zeichnet sich also durch eine vielseitige Verwendbarkeit und eine auf elektrischem Wege in weiten Grenzen variable Betriebscharakteristik aus.

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Claims (7)

Patentansprüche

1. Einstellbares, elektromagnetisch betätigbares Vakuum-Drosselventil, insbesondere zur Steuerung des Druckes bzw. der Temperatur in einem Kryostaten, dadurch g ekennze ichne t, daß das Ventilelement (13 bzw. ?8; mit dem bewegbaren Teil eines elektrodynamischen Antriebssystems (4,11 bzw. 25,26,32,35) in Verbindung steht.

2. Vakuum-Drosselventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrodynamische Antriebssystem eine in den Luftspalt eines Magneten (4 bzw. 25,26,32) eingreifende Antriebsspule (11 bzw. 35) aufweist, die an einem Membran**element (12 bzw. 37) befestigt ist, welches das Ventilelement (13 bzw. 38) tragt.

3. Vakuum-Drosselventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement (13 bzw. 38) mit in Richtung zum Ventilsitz (21 bzw. 41) abnehmendem Absperr-Querschnitt gestaltet ist und einen ebenen Randteil (14) aufweist, der in der Ajdichtlage regen eine angepaßte Dichtungsfläche des ringförmigen Ventilsitzes (21 bzw. 41) anliegt.

4. Vakuum-Drosselventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement (13 bzw. 38) einen freien Innenraum aufweist, welcher in der Absperrlage des Vakuum-Drosselventils über eine Ausnehmung (15) mit dem Vakuum des Absauganschlusses (18) kommuniziert, und daß der freie Innenraum des Ventilelements mit einem Faltenbalg (16) verbunden ist, welcher einseitig gehäusefest und gasdicht an einem Teil des elektrodynamischen Antriebssystems (4,11) gelagert ist.

5. Vakuum-DroBselvenbil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilgehäuse (1,^;< bzw. .⁰S₁Pf₁₅Py) in der Weise geteilt ist, daß der Ventilsitz gegenüber dem Ventilelement durch die gegeneinander verschiebbaren G-ehäuseteile zentrierbar ist.

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6« Vakuum-Drosselventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (25,26,32) des elektrodynamischen Antriebssystems eine axiale Bohrung (4-2) aufweist, welche mit dem Absauganschluß (4-3) des Vakuum-Drosselventils verbunden ist.

7. Vakuum-Drosselventil nach Anspruch 1, dadurch gekennze lehnet, daß das elektrodynamische Antriebssystem (11 bzw. 32,35) mit einer veränderbaren wechselspannungsüberlagerten Gleichspannung gespeist wird.

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