DE1808567B2

DE1808567B2 - Vakuumregelventil und betriebsverfahren hierzu

Info

Publication number: DE1808567B2
Application number: DE19681808567
Authority: DE
Inventors: Gustav Dr Ruppert Udo 1000 Berlin Khpping
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1968-11-13
Filing date: 1968-11-13
Publication date: 1972-03-23
Also published as: DE1808567A1; GB1230715A; CH488131A; FR2023167A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Vakuumregelveiitil zur Druck- bzw. Temperatursteuerung in Kryostaten, Wobei der Ventildurchlaß in Abhängigkeit von einem fcn Kryostaten angeordneten Meßfühler veränderbar fet. Außerdem ist ein vorteilhaftes Betriebsverfahren •ngegeben.

Für verschiedene Anwendungszwecke werden Vakuumregelventile benötigt, bei denen die Einstellung einer veränderbaren Durchlaßöffnung mit besonders kleiner Einstellzeit erfolgt, so daß bei Verwendung derartiger Vakuumregelventile in Regelsystemen nur geringe Regelschwankungen auftreten. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet liegt in der Konstanthaltung einstellbarer tiefer Temperaturen in Verdampferkryostaten, wobei das Vakuumregelventil zwischen dem Verdampfer des Kryostaten und der Vakuumpumpe in der Abgasleitung angeordnet ist und in Abhängigkeit von der Temperatur am Verdampferkörper oder an der Probe gesteuert wird (Lit.: beispielsweise

G. Klipping, »Chemie-Ingenieur-Technik«, 36 (1964), Seite 430 bis 441, insbesondere Seite 436/437). Durch die deutsche Patentschrift 1 029 640 ist ein elektromagnetisch gesteuertes Ventil für die Abdichtung bei hohen Drücken vorbekannt, welches ein mit abnehmendem Querschnitt gestaltetes Ventilelement aufweist, das zur Schaffung der verschiedenen Durchlaßwerte in einen Ventilanschluß mit veränderbarer Tauchtiefe eintaucht. Hierzu ist das Ventilelement an einer vorgespannten elastischen Membran, die eine Wand der vom Medium durchströmten Ventilkamjier bildet, befestigt, und diese Membran wird mit emem Ringmagneten ausgelenkt. Ein derartiges elektromagnetisches System erlaubt zwar die Einstellung verschiedener Durchflußwerte durch Regelung der Stromstärke, es ist jedoch für die Erreichung kleiner Einstellzeiten ungeeignet, weil sich im durch die Membran abgeschlossenen Innenraum des Ringmagneten ein relativ starres Luftpolster bildet, das durch seine Dämpfungswirkung ein unmittelbares Nachfolgen der Lage der Membran bei Änderungen der Stromstarice verhindert.

Zum Stande der Technik gehören feiner Belüftungsventile, z. B. nach der USA .-Patentschrift 3 167 094. Diese zeigt ein Schnellschaltventil mit einem Anschlußstück, das wahlweise mit einer Vakuumleitung oder mit der Umgebungsatmosphäre verbindbar ist. Das Ventil besitzt zwei stabile Betriebslagen, nämlich mit freigegebenem Durchlaß zur Vakuumleitung und mit belüftetem Ansatzstück. Das Einnehmen der Betriebslagen und die Abdichtung werden jeweils durch den äußersten Luftdruck und durch das Vakuum in der Ansaugleitung unterstützt. Zur Bewegung des Ventilelementes dient ein Tauchspulenantrieb, und dessen Tauchspule ist an einer Ringmembran aufgehängt. Dabe. handelt es sich jedoch nicht um ein Vakuumregelventil, denn das Prinzip eines Wechsels zwischen dem stabilen Betriebszustand der Belüftung und dem des Anschlusses an die Vakuumleitung erlaubt keine Einstellung von verschiedenen Durchlaßwerten. Außerdem ist kein Ventilelement mit abnehmendem Querschnitt, sondern tine Rohrhüise mit einem schneidenförmigen Rand und einer kegelmantelförmigen Auflagefläche vorgesehen, ein solches elektromagnetisches Ventil ist somit für die rasche und praktisch trägheitslose Einstellung verschiedener Durchlaßwerte prinzipiell unTeeignet. In gleicher Weise muß die USA-Patentschrift 3 001 549 betrachtet werden, in der ein in zwei Endlagen steuerndes Überdruckventil zur Abtastung von Lochkarten beschrieben witd. Der dort vorhandene Tauchspuknantrieb liefert lediglich die Stellimpulse, wobei die jeweils angesteuerte Endlage durch einen Schnappmechanisrnus mit Unterstützung des Dificrenzdruckes des strömenden Mediums erreicht wird.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, ein Vakuumregelventil mit kleiner Einstellzeit zu schaffen, bei dessen Anwendung die Regelschwankungen in Kryostaten auf ein zulässiges Maß herabgesetzt werden können. Das Kennzeichnende der Erfindung ist in der Kombination folgender an sich bekannter Merkmale zu sehen:

1. Ein in setner Lage gegenüber dem Ventilsitz kontinuierlich einstellbares, mit abnehmendem Querschnitt gestaltetes Ventilelement ist an einer im Ventilgehäusequerschnitt eingespannten Membran befestigt.

2. Die eingespannte Membran ist mit einer in Abhängigkeit vom Meßfühler regelbaren Tauchspule verbunden, die in einen Luftspalt des Magneten eintaucht.

3. Die Membran weist mindestens eine Ausnehmung auf.

Bei einem solchen Aufbau kann die durch die Ausnehmung von jedem Differenzdruck entlastete Membran mit dem Ventilelemem der Bewegung der Tauchspule unmittelbar und genau folgen, so daß die Einstellung aller Durchlaßwerte nahezu trägheitslos erfolgt. Damit sind sehr genaue Regelvorgänge möglich, und es gelingt bei der Anwendung in Kryostaten trotz hoher und/oder wechselnder Wärmebelastung bis zu tiefsten Temperaturen im Bereich von 4,2 bis I⁰K eine Temperaturkonstanz .J T/T unterhalb von 10-·'·, in günstigen Fällen sogar unterhalb 10~° zu erreichen.

Es kann außerdem zweckmäßig sein, daß in den einen Tcil^raum des Ventilgehäuses beide Ventilanschlüsse münden, daß in dem anderen TeUraum der Tauchspulenantrieb untergebracht ist und daß das Yentilelement einen freien Innenraum aufweist, der über einen Faltenbalg an einen feststehenden Teil des Tauchspulensystems angeschlossen ist und einen komprimierbaren Ausgleichsraum bildet, der über einen Durchlaß im Ventilelement mit dem Innenraum des Ventilan^chlusses verbunden ist, in dessen Ansatz das Ventilelement eingreif:. Das Ventilelement wird bei dieser Ausbildung besonders leicht. Der Faltenbalg dichtet den komprirnierbaren Innenraum gegen den umgebenden Teilraum des Ventilgehäuses ab und kann gleichzeitig die Führung des Ventilelementes verbessern.

Eine sehr leicht bewegbare Membran kann in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung gegebenenfalls dadurch erreicht werden, daß diese Membran ^;n mehrere Membranstreifen unterteilt ist.

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

In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erli;ulimg dargestellt: es zeigt

l· i g. 1 einen Schnitt durch ein Ventil mit einem Permanentmagneten im elektrodynamischen System,

l·' ig. la einen um 90 gedrehten Schnitt durch da^clbe Ventil an der in F;g. 1 mit A-A' gekennzeichneten Stelle.

F i g. 2 einen Schnitt durch ein Ventil mit einem Elektromagneten im elektrodynamischen System.

F i g. 2 a einen um 90 gedrehten Schnitt durch dasselbe Ventil an der in F i g. 2 mit B-B' gekennzeichneten Stelle.

Wie F i g. 1 zeigt, besteht das Ventilgehäuse aus einem topfförmigen Unterteil 1 und einem Deckelstück 2, die durch eine Flanschverbindung 3 lösbar und begrenzt gegeneinander verschiebbar miteinander verbunden sind. Innerhalb des topfförmigen Gehäuseunterteils 1 ist ein Permanentmagnet 4 angeschraubt. Der Permanentmagnet 4 ist rotationssymmetrisch und besteht hier aus einem permanentmagnetischen konusförmigen Kernstück S, an welches zur Erzielung der gewünschten Magnetform zwei aus Eisen bestehende Drehteile 6 und 7 fest angesetzt sind. Der Magnet kann jedoch auch anders gestaltet sein. Zur Halterung des Magneten im Gehäuseunterteil I ist außen an das Magnetteil 7 ein mit Bohrungen 8 versehener Halterungsring 9 angesetzt. Zwischen den beiden Magnetteilen 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 Il ist an einer ringförmigen

ίο gewellten Membran 12 befestigt, die ihrerseits am offenen Ende des Gehäuseuntcrteils 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 zentrier-

bar ist. Damit wird erreicht, daß sie sich reibungsfrei im Spalt des Magneten bewegt.

An der Membran 12 is· auch das Ventileleir.ent 13 befestigt. Das Ventileleiiiv-nt 13 weist einen ebenen Randteil 14 auf. der bei vollständig geschlossenem Zustand des Ventils als Dichtungsfläche 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 Durch-

a5 laßquerschnittes des Ventils begünstigt. Das Ventilelement 13 ist als Hohlkörper ausgebildet, ist also besonders leicht, und es ist mit einer Ausnehmung 15 vergehen, die einen Druckausgleich zwischen beiden Seiten des Ventilelements 13 ermöglicht, μ 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 is..

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

Wie Fig. la zeigt, ist d'.e Membran 12 mit Bohrungen 23 zum Druckausgleich innerhalb des Gehäuses 1. 2 versehen.

F i g. 2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des Ventils, bei der das Ventilgehäuse aus einem Unterteil 25. einem Mittelteil 26 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 da? Ventilgehäuse hineinragenden eine durchgehende axiale Bohrung aufweisenden zylindrischen Zapfen versehen, auf den die Wicklung 32 des Elektromagneten aufgebracht ist. Die elektrische Zuicifng des Elektromagneten ist über eine Durchführung 33 im Mittelteil 26 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 3a 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 ge-

6g führt ist, ist hier an drei bandförmigen gewellten Membranelementeii 37 gehaltert, die am Mittelteil 26 des Ventilgehäuses befestigt sind und die neben der Spule 35 auch das Ventilelement 38 tragen. Das Ven-

tilelement38 ist ebenso ausgebildet, wie es bereits Die besonderen Vorteile eines solchen Ventils

an Hand von Fig. 1 beschrieben wurde, weist jedoch liegen darin, daß eine kontinuierliche Durchflußver-

keine durchgehende Ausnehmung zum Druckaus- änderung möglich ist, da die Spule und damit das

gleich auf. Die Gaseintrittsöffnung 39 mit Anschluß- Ventilelement jede beliebige Stellung zwischen dem

flansch 40 und der Ventilsitz 41 sind wiederum am 5 vollständig geöffneten Zustand und dem vollständig

Gehäusedeckelstück 27 angeordnet, während sich der geschlossenen Zustand einnehmen kann. Bei Betäti-

Gasaustritt 42 mit dem Anschlußflansch 43 bei dieser gung des Ventils durch ein Signal eines Meßfühlers

Ausführung am Gehäuseunterteil 25 befindet. In die- in einem Kryostaten oder einem anderen Teil einer

sem Fall ist also das Ventilelement 38 der zwischen Vakuumapparatur ist der sich einstellende Ventilhub

Gaseintritt und Gasaustritt herrschenden Druck- io und damit die Durchlaßquerschnittveränderung je-

differenz ausgesetzt, was jedoch durch eine ent- weils der Sollwertabweichung an der Meßstelle direkt

sprechende Dimensionierung des Ventilelements und proportional. Da die beweglichen Teile des vorge-

des Magneten ohne weiteres ausgeglichen werden schlagenen Ventils massearm sind, wird eine hohe

kann. Ansprechgeschwindigkeit erreicht. Es ist jeweils nur

Das Ventil ist vorteilhaft überall dort in Vakuum- 15 ein minimaler Regelhub erforderlich. Daraus ergibt apparaturen zu verwenden, wo ein automatisch sich eine extrem hohe Stellgeschwindigkeit. Das Vensteuerbares Ventil mit hoher Ansprechempfindlichkeit tilelement arbeitet nahezu reibungsfrei, wodurch sich benötigt wird. Besondere Vorteile bietet die Anwen- eine ausgezeichnete Einstellreproduzierbarkeit und dung des Ventils zur Druck- bzw. Temperatur- eine hohe Einstellgenauigkeit ergibt. Weitere Vorteile regelung in Kryostaten. Dabei ist das Ventil in die zur 20 liegen darin, daß die beweglichen Ventilteile praktisch Förderpumpe führende Abgasleitung des Kiyostaten keiner Abnutzung unterliegen und daß das Ventil eingesetzt. Die elektrische Zuleitung 22 bzw. 36 der weitgehend unabhängig ist von der Arbeitstempera-Spule 11 bzw. 35 des elektrodynamischen Systems tür. Da bei einem solchen Ventil kein Bypaß erforderist über ein geeignetes an sich bekanntes Regelgerät Hch ir 1, sondern der gesamte Durchsatz geregelt wird, mit einem Druck- oder Temperaturmeßfühler im 25 ist der Betrieb mit diesem Ventil in höherem Maße Kryostaten verbunden, während im Fall des zweiten wartungsfrei (keine Bypaßeinstellung von Hand er-Ausführaigsbeispiels der Elektromagnet 32 im all- forderlich), als es von herkömmlichen Vakuum-Drosgemeinen an eine Gleichspannungsquelle angeschlos- selventilen bekannt ist.

sen ist. Sowohl die der Antriebsspule als auch die Ferner ist die Ruhelage der Spule und damit die dem Magneten zugeführte Spannung kann wechsel- 30 Ruhestellung des Ventils auf elektrischem Wege ver-

spannungsüberlagert sein. änderbar, durch Überlagern einer Wechselspannung

Im stationären Betrieb gelangt bei positiver oder auf die Spule oder auch den Elektromagneten kann

negativer Abweichung des Druckes bzw. der Tem- eine bestimmte vorteilhafte Schwingungscharakteristik

peratur im Kryostaten vom Sollwert ein entsprechen- des Ventils erreicht werden, und das Ventil kann gedes Spannungssignal vom Meßfühler zur Spule des 35 gebenenfalls auch als Auf/Zu-Ventil verwendet wer-

elektrodynamischen Systems, die dadurch weiter in den (Öffnen und Schließen durch Umpolen der

den Magneten hineingezogen oder weiter aus dem Spannung).

Magneten herausgelenkt wird, wodurch das Ventil Das Ventil zeichnet sich also durch eine vielweiter geöffnet oder weiter geschlossen wird, was zum seitige Verwendbarkeit und eine auf elektrischem Ausgleich der Sollwertabweichung der geregelten 40 Wege in weiten Grenzen variable Betriebscharakte-Größe führt. ristik aus.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche I. Vakuumregelventil zur Druck- bzw. Temperatursteuerung in Kryostaten, wobei der Ventildurchlaß in Abhängigkeit von einem im Kryostaten angeordneten Meßfühler veränderbar ist, ge kennzeich η et durch die Kombination folgender an sich bekannter Merkmale:

1. Ein in seiner Lage gegenüber dem Ventilsitz kontinuierlich einstellbares, mit abnehmendem Querschnitt gestaltetes Ventilelement (13, 38) ist an einer im Ventilgehäusequerschnitt eingespannten Membran (12, 37) befestigi. ^t5

2. Die eingespannte Membran ist mit einer in Abhängigkeit vom Meßfühler regelbaren Tauchspule (11, 35) verbunden, die in einen Luftspalt (10, 34) eines Magneten (4, 5; 35) eintaucht.

3. Die Membran weist mindestens eine Ausnehmung (23) auf.

2. Vakuumregelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den einen Teilraum des Ventilgehäuses (1, 2) beide Ventilanschlüsse (17, 18) münden, daß in dem anderen Teilraum der Tauchspu>nantrieb untergebracht ist und daß das Ventilelement (13) einen freien Innenraum aufweist, der übet einen Faltenbalg (16) an einen feststehenden Teil de-. Ta^i-chspulensystems (4, 11) angeschlossen ist und emen komprimierbaren Ausgleichsraum bildet, der über einen Durchlaß (15) im Ventilelement (13) mit dem Innenraum des Ventilanschlusses (18) verbunden ist, in dessen Ansatz das Ventilelement (13) eingreift.

3. Vakuumregelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran in mehrere Membranstreifen (37) unterteilt ist.

4. Betriebsverfahren für ein Vakuumregelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Tauchspulensystem mit einer veränderbaren, wechselspannungsüberlagerten Gleichspannung gespeist wird.