DE19516442A1

DE19516442A1 - Vakuumventil

Info

Publication number: DE19516442A1
Application number: DE19516442A
Authority: DE
Inventors: Hugo Frei; Peter Keller; Martin Dr Boesch
Original assignee: Balzers AG
Current assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Priority date: 1994-05-09
Filing date: 1995-05-04
Publication date: 1995-11-16
Anticipated expiration: 2015-05-05
Also published as: CH689171A5; GB2289320A; FR2719648A1; FR2719648B1; DE19516442B4; US5651528A; GB2289320B; GB9509084D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Vakuumventil nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Es sind elektromagnetisch betriebene Vakuumventile bekannt, bei denen der elektromagnetische Antrieb nur in Öffnungsrichtung wirkt, damit bei Stromausfall das Ventil in die sichere Schließstellung übergeführt wird. Bei derartigen elektromagnetisch getriebenen Vakuumventilen ist es weiter bekannt, für das Offenhalten des Ventils in stationärer Position durch Spulenumschaltung auf eine bezüglich zur Öffnungskraft wesentlich verringerte Offenhaltungskraft umzuschalten. Dadurch wird das Entstehen von Übertemperaturen im stationären Öffnungsbetrieb verhindert, was bei Einspulenausführungen in der Regel mittels eines Übertemperaturschutzes realisiert wird.

In Öffnungs- und Schließrichtung wirkende Magnetantriebe für Vakuumventile sind eher die Ausnahme, weil durch nur in Öffnungsrichtung magnetisch getriebene und federmechanisch in Schließstellung gebrachte den Vorteil mit sich bringen, daß bei Energieausfall das Ventil in die sichere Schließstellung übergeführt wird.

Die Standzeit derartiger Vakuumventile ist auf ca. 200′000 Betätigungszyklen beschränkt. Diese Standzeit wird insbesondere durch Prellerscheinungen sowohl beim elektromagnetischen Überführen in die Öffnungsposition wie auch und insbesondere auch durch das federmechanisch getriebene Überführen in Schließposition bedingt. Dabei ist zu berücksichtigen, daß üblicherweise zwischen betätigter Ventilstange/Ventilteller und Gehäuse ein metallischer Faltenbalg angeordnet ist, insbesondere um Schließfederorgane und reibende Dichtungen an der Ventilstange gegen Vakuum zu kapseln. Nachschwingen des Faltenbalges, welches zu verhindern Bestreben der in der EP-A 0 264 466 offenbarten Technik ist, begrenzt in besonderem Ausmaße die obgenannte Standzeit.

Zum Stand der Technik bezüglich magnetbetätigter Vakuumventile sei im weiteren verwiesen auf CH-A 653 103, welche eine pneumatische Regeleinrichtung für ein Vakuumventil zeigt, EP-A 0 219 572, die eine Kombination von Elektrohubmagneten und Permanentmagneten zeigt, DE-A 37 04 504, welche ein elektromagnetisch betätigtes Rohranschlußventil zeigt, EP-A 0 173 115, welche ebenfalls ein Magnetventil für Vakuumanwendungen offenbart.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Vakuumventil obgenannter Art vorzuschlagen, bei welchem die Standzeiten bedeutend verbessert werden.

Diese Aufgabe wird durch das obgenannte Vakuumventil gelost, ausgebildet gemäß kennzeichnendem Teil von Anspruch 1.

Bevorzugte Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Vakuumventils sind in den Ansprüchen 2 bis 11 spezifiziert, wobei auf die besonders bevorzugten Ausführungsvarianten gemäß folgender Ansprüche speziell hingewiesen sei:
Bei der Ausführungsform nach Anspruch 3, bei der über eine Überströmungsleitungsanordnung gegensinnig wirkende Zylinderanordnungskammern verbunden sind, wird ein geschlossenes Druckmediumssystem realisiert und kein Dämpfungsmedium extern in die Zylinderanordnung eingesaugt bzw. daraus ausgestoßen. Dadurch wird das erfindungsgemäße Vakuumventil besonders billig, und das Einbringen von Partikeln in die Kolben/Zylinder-Anordnung wird vermieden.

Bei der Ausführung gemäß Anspruch 5, d. h. der Auswahl pneumatischer Dämpfung und nicht der erfindungsgemäß ebenfalls möglichen hydraulischen, z. B. Wasser-, Öl-, Gallerte-, Ferrofluid-Dämpfung oder eine Kombination, werden allfällige Restleckagen des Dämpfungsmediums in das Vakuumsystem wesentlich unkritischer, und zudem wird der konstruktive Aufwand wesentlich verringert, kann doch als Dämpfungsmedium bevorzugterweise Atmosphärenluft eingesetzt werden.

Gemäß Vorgehen nach Anspruch 7 können die vorgesehenen, die Strömungsleitwerte in überwiegendem Masse festlegenden Organe gleichzeitig zur Filterung des Dämpfungsmediums bei seiner Ein/Aus-Strömung bezüglich der vorgesehenen Kammern an der Zylinderanordnung eingesetzt werden.

Bei Ausbildung nach Anspruch 8 ergibt sich eine besonders kompakte Bauweise, indem die Kolbenanordnung, welche ohnehin mit geringstmöglichem gedichtetem Luftspalt in der jeweiligen Zylinderkammer geführt ist, als Magnetanker des magnetischen Antriebes eingesetzt wird, bei dem bezüglich Luftspalt zur Spulenanordnung dieselben Bedingungen gelten.

Nach Anspruch 10 wird zur Schließkraftunterstützung eine koaxial zur Ventilstange wirkende Magnetanordnung vorgesehen, d. h. eine Anordnung, bei der das treibende Magnetfeld durch einen koaxial und axial ausgerichteten Luftspalt wirkt.

Bevorzugterweise wird das erfindungsgemäße Ventil weiter als zum Öffnen magnetisch, zum Schließen federmechanisch betätigtes Ventil ausgebildet.

Die Erfindung wird anschließend anhand von Figuren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 in Form eines Funktionsblockdiagrammes den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen Vakuumventils in zwei gegebenenfalls kombinierbaren, besonders bevorzugten Ausführungsvarianten,

Fig. 2 die Dämpfungseinheit gemäß Fig. 1 in einer weiteren Ausführungsvariante am erfindungsgemäßen Vakuumventil,

Fig. 3 als Beispiel weiterer Ausbauvarianten des erfindungsgemäßen Vakuumventils die Serieschaltung zweier Dämpfungseinheiten, ausgebildet nach einer der in Fig. 1 gezeigten Ausbildungsvariante,

Fig. 4 teilweise längsgeschnitten, eine heute bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Vakuumventils mit heute gar bevorzugter Ausbildungsvariante.

Gemäß Fig. 1 kann das erfindungsgemäße Vakuumventil in drei Funktionseinheiten unterteilt werden. Eine Antriebseinheit 1, wie schematisch dargestellt, elektromagnetisch auf einen an einer Ventilstange 3 angebrachten Anker 5 wirkend und entweder in Schließrichtung S und Öffnungsrichtung O oder nur in Öffnungsrichtung O wirkend, wobei dann eine in Fig. 1 nicht dargestellte Federmechanik den Antrieb in Schließrichtung S vornimmt, wirkt auf die erwähnte Ventilstange 3. An einer Dämpfungseinheit 7 wird die Bewegung der Ventilstange und damit des Ventiltellers in noch zu beschreibender Art und Weise gedämpft. Die Ventilstange 3 wirkt weiter auf die Schließ/Öffnungs-Einheit 9, woran vakuumtechnische Verbindungen erstellt bzw. unterbrochen werden. Die die vorliegende Erfindung insbesondere betreffende Dämpfungseinheit 7 umfaßt eine als Kolben wirkende Partie 11 an der Ventilstange 3, im weiteren Dämpfungskolben genannt. An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, daß Ventilstange 3 mit Einheit 9 genereller ein Öffnungs- und Schließorgan bilden können, wie z. B. den Schieber eines Schieberventils. Der Dämpfungskolben 11 wirkt mit einer gehäusefesten Doppelzylinderanordnung zusammen, in Fig. 1 mit 13 bezeichnet. Bei Betätigung der Ventilstange 3 und entsprechender Verschiebung des Dämpfungskolbens 11 in der Doppelzylinderanordnung 13 kommen die Überströmleitungen zwischen den komplementär belasteten und entlasteten Kammern der Doppelzylinderanordnung zur Wirkung. Mittels vorzugsweise einstellbarer Überströmungssteuergliedern 15a am Kolben 11, 15b in einer gehäuseseitigen bzw. zylinderanordnungsseitigen Überströmverbindung wird die Dämpfungscharakteristik eingestellt oder vorgegeben. Die Glieder 15a, 15b können dabei durch entsprechend bemessene Drosselstellen oder Leitungsquerschnitte realisiert sein, durch Rückschlagventilanordnungen, durch einstellbare Blenden oder, wie noch zu beschreiben sein wird und bevorzugt, durch Filtereinsätze in die Überströmöffnung bzw. -leitung, welche die Strömungsleitwerte nach Wunsch festlegen. Gegebenenfalls weisen die Glieder 15a, 15b strömungsrichtungs-spezifische Drosselwirkung auf, wie z. B. wenn mit Rückschlagventilen realisiert.

Bevorzugterweise sind die genannten Filtereinsätze zur Einstellung der erwünschten Charakteristik, gegebenenfalls unterschiedlichen Charakteristik, für das Öffnen und Schließen auswechselbar.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Ausführungsvariante hat weiter den wesentlichen Vorteil, daß das Dämpfungsmediumssystem in sich geschlossen ist. Als Dämpfungsmedium wird erfindungsgemäß bevorzugterweise ein Gas, insbesondere Umgebungsluft, eingesetzt, wiewohl es durchaus möglich ist, wie auch aus Fig. 1 ersichtlich, als Dämpfungsmedium eine Flüssigkeit einzusetzen, also die Dämpfung hydraulisch vorzunehmen.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsvariante der Dämpfungseinheit 7 am erfindungsgemäßen Vakuumventil dargestellt, bei der Ein/Aus-Strömungsleitungen 17a, 17b zu den vom Dämpfungskolben 11 getrennten Doppelzylinder-Anordnungskammern vorgesehen sind, die mit einem gestrichelt dargestellten Dämpfungsmediumsvorrat 19 kommunizieren, wie beispielsweise und bevorzugterweise mit der auf Umgebung. Auch hier sind die anhand von Fig. 1 erläuterten Stellglieder 15 für die Einstellung der Dämpfungscharakteristik für Ventilstange 3 vorgesehen.

Es versteht sich für den Fachmann von selbst, daß gegebenenfalls zwei oder mehrere der anhand der Fig. 1 und 2 dargestellten Zylinderanordnungen bezüglich Wirkung auf die Kolbenstange 3 seriegeschaltet werden können, wie dies als Beispiel und ohne weiteres verständlich in Fig. 3 dargestellt ist.

In Fig. 4 ist eine heute bevorzugte Realisationsform des erfindungsgemäßen Vakuumventils dargestellt. Der Übersicht halber sind für die erfindungswesentlichen Teile, welche bereits anhand der Fig. 1 bis 3 erläutert wurden, dieselben Bezugszeichen verwendet. Die Darstellung zeigt rechts der Ventilachse A das Ventil in Öffnungsposition, links in Schließposition.

Auf der Ventilstange 3 ist der Anker 30 der durch letzteren und die Spulenanordnung 32 gebildeten magnetischen Öffnungsantriebseinheit 1 gemäß Fig. 1 axial verschieblich gelagert. Der Anker 30 wirkt in Öffnungsrichtung des Ventils auf die an der Ventilstange 3 eingearbeitete Schulter 3a. Der Anker 30 ist im weiteren an der Ventilstange 3 schwimmend gelagert, was in der Praxis dadurch realisiert ist, daß die Bohrung 3b im Anker 30 bezüglich des die Schulter 3a bildenden kleindurchmeßrigeren Abschnittes der Ventilstange 3 Spiel aufweist. Dadurch wird erreicht, daß, unabhängig von Fertigungstoleranzen, der Anker 30 in Schließposition (in der Figur rechts) sich absolut bündig spaltfrei an die plane, ortsfeste Gegenfläche einjustieren kann, gegenüber welcher er mittels eines Dämpfers 30b abgedämpft wird. Der gleichzeitig als Dämpfungskolben 11 wirkende Anker 30, im weiteren Ankerkolben 3011 genannt, gleitet mittels Dichtungen 34 dichtend in der Doppelzylinderanordnung 13, worin der Ankerkolben 3011, je nach seiner Position, die Zylinderkammern 13 _o, 13 _u festlegt. Eine erste Ein/Aus-Strömleitung 36 _u mündet in die untere Kammer 13 _u der Zylinderanordnung 13 ein, eine weitere Ein/Aus-Strömleitung 36 _o in die obere 13 _o. Als Strömungsstellglied 15 _c gemäß Fig. 3 sind in die Ein/Aus-Strömleitungen 36 Filter wählbarer Strömungsleitwerte eingesetzt. Sie sind auswechselbar. Wie gestrichelt bei 38 dargestellt, ist zusätzlich oder anstelle der Leitungen 36 im Ankerkolben 3011 eine Überströmieisung 38 eingearbeitet, worin ebenfalls beispielsweise ein Filter gegebenen Strömungsleitwertes 15 _c, vorzugsweise auswechselbar, eingebaut ist. Soweit beschrieben, entspricht das Ventil gemäß Fig. 4 mit der Überströmleitung 38 der Variante mit 15 _a von Fig. 1 mit den Leitungen 36 dem Aufbau gemäß Fig. 2. Die Kolbenstange 3 wirkt auf einen Ventilteller 40, an welchen sich eine Schließfeder 42 abstützt, welche zylinderanordnungsseitig widergelagert ist. Der Ventilteller 40 schließt bzw. öffnet eine Verbindung zwischen Leitungen 44 und 46 eines Vakuumsystems und ist mittels eines Metallbalges 48 gegenüber Ventilstange 3 mit Schließfeder 42 und Dämpfungseinheit/Antriebseinheit 7 bzw. 1 gekapselt.

Bevorzugterweise ist um die durch Ventilteller 40 zu schließende Öffnung von Leitung 44 als eine Realisationsform einer axial magnetfeldunterstützten Ventilschließung ein Permanentmagnetring 50 vorgesehen, welcher in der links der Achse A dargestellten Schließposition von Ventilteller 40 dessen bleibend dichtendes Schließen mittels Dichtung 52 am Öffnungsrand sicherstellt.

Claims

1. Vakuumventil mit Ventilstange (3) sowie magnetischem Antrieb (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilstange (3) als Kolbenanordnung (11) in einer Dämpfungsmedium gefüllten Doppelzylinderanordnung (13) wirkt, an der die Über- und/oder Ein/Aus-Strömungsleitwerte für das Dämpfungsmedium zur Vorgabe betätigungsrichtungsspezifischer Dämpfung der Ventilstangen bewegung eingestellt sind.

2. Vakuumventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenanordnung (11) und die Doppelzylinderanordnung (13) mindestens einen Kolben sowie eine doppelseitige, auf den Kolben (11) wirkende Zylinderkammer umfassen.

3. Vakuumventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Paare gegensinnig auf die Kolbenanordnung wirkender Zylinderkammern durch eine Überströmungsleitungsan ordnung verbunden sind, angeordnet (15a) durch die Kolbenan ordnung, und/oder stationär (15b) Zylinderkammern verbinden.

4. Vakuumventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Kammern der Doppelzylinderanordnung durch Ein/Aus-Strömungsleitungen (15c) mit einem Dämpfungsmediums vorrat (19) verbunden sind.

5. Vakuumventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmedium ein Gas, vorzugsweise Atmosphärenluft, ist.

6. Vakuumventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleitwerte an mindestens Tei len der Über- und/oder Ein/Aus-Strömungsleitungen für das Dämpfungsmedium durch Auswechseln oder Verstellen von diese Leitwerte im wesentlichen festlegenden Teilen (15a, b, c; 15) einstellbar sind, wie beispielsweise durch verstellbare Dros sel- oder Rückschlagventile.

7. Vakuumventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Strömungsleitwert festlegende Teile mindestens in Teilen der Über- oder Ein/Aus-Strömungsleitun gen Filter, vorzugsweise auswechselbare Filter, vorgesehen sind.

8. Vakuumventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kolben der Kolbenanordnung gleichzeitig Magnetanker (3011) des magnetischen Antriebes ist.

9. Vakuumventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben, als Magnetanker axial verschieblich und, in Öffnungsrichtung, gegen einen Anschlag (3a) an der Ventil stange (3) wirkend, mit Spiel so an der Ventilstange (3) gela gert ist, daß er sich luftspaltfrei an eine Polschuhfläche der Magnetanordnung (32, 30b) einjustiert.

10. Vakuumventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schließkraftunterstützung eine über einen koaxial zur Ventilstange (3) angeordnete und axial wir kende Magnetanordnung (50) mindestens Teil des magnetischen Antriebes (1) bildet.

11. Vakuumventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Antrieb öffnend wirkt und eine Federmechanik (42) schließend.