DE19516442B4

DE19516442B4 - Vakuumventil

Info

Publication number: DE19516442B4
Application number: DE19516442A
Authority: DE
Inventors: Hugo Frei; Peter Keller; Martin Dr.-Phys. Boesch
Original assignee: Unaxis Balzers AG
Current assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Priority date: 1994-05-09
Filing date: 1995-05-04
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2015-05-05
Also published as: DE19516442A1; CH689171A5; GB2289320A; FR2719648A1; FR2719648B1; US5651528A; GB2289320B; GB9509084D0

Abstract

Ventil mit einer Ventilstange (3), die in eine Leitung (44, 45) ragt und ein Ventilglied (40) trägt, das mit einem Ventilsitz in der Leitung (44, 45) schließend zusammenwirkt, einem die Ventilstange (3) in Öffnungsrichtung betätigenden elektromagnetischen Antrieb (30, 32) und einem in Schließrichtung wirkenden Federantrieb (42), sowie mit einer Dämpfungseinrichtung mit einem mit der Ventilstange (3) verbundenen Kolben (11) in einer mit gasförmigem Dämpfungsmedium gefüllten Doppelzylinderanordnung (13), deren beide durch den Kolben (11) getrennte Kammern (13o, 13u) mit Zu- und Abström- und/oder Überströmleitungen (36o, 36u, 38) versehen sind, an denen Strömungsleitwerte für das Dämpfungsmedium zur Vorgabe einer richtungsspezifischen Dämpfung der Ventilstangenbewegung eingestellt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil als Vakuumventil ausgebildet ist und die Ventilstange (3) in eine Vakuumleitung (44, 46) hineinragt und der in die Vakuumleitung hineinragende Teil der Ventilstange (3) durch einen Faltenbalg (48) gekapselt ist, wobei Schwingungen des Faltenbalges (48) ebenfalls durch die Dämpfungseinrichtung (11, 13)...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil 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 0 264 466 B1 offenbarten Technik ist, begrenzt in besonderem Ausmaße die obgenannte Standzeit.

Zum Stand der Technik bezüglich magnetbetätigter Vakuumventile sei im weiteren verwiesen auf CH 653 103 A5 , welche eine pneumatische Regeleinrichtung für ein Vakuumventil zeigt, EP 0 219 572 A1 die eine Kombination von Elektrohubmagneten und Permanentmagneten zeigt, DE 3 704 504 C2 , welche ein elektromagnetisch betätigtes Rohranschlussventil zeigt, EP 0 173 115 B1 , welche ebenfalls ein Magnetventil für Vakuumanwendungen offenbart.

Ein Ventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus DE 35 29 134 Albekannt. Hierbei handelt es sich jedoch nicht um ein Vakuumventil.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil dieser Art so auszugestalten, dass es als Vakuumventil verwendbar ist, welches sich durch hohe Standzeit auszeichnet und bei dem die Gefahr einer Kontamination des Vakuumsystems, z. B. durch im Ventil erzeugte Abriebpartikel, möglichst eliminiert ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen.

Bevorzugte Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Ventils sind in den Ansprüchen 2 bis 8 spezifiziert, wobei auf die besonders bevorzugten Ausführungsvarianten gemäß folgender Ansprüche speziell hingewiesen sei:
Bei der Ausführung gemäß Anspruch 3, d.h. der Auswahl pneumatischer Dämpfung und nicht der an sich 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 5 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 6 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 8 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.

Die Erfindung wird anschließend anhand von Figuren erläutert. Es zeigen:
1 in Form eines Funktionsblockdiagramms den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen Vakuumventils in zwei gegebenenfalls kombinierbaren Ausführungsvarianten;
2 die Dämpfungseinheit gemäß 1 in einer weiteren Ausführungsvariante;
3 als Beispiel weiterer Varianten die Serienschaltung zweier Dämpfungseinheiten;
4 teilweise längs geschnitten, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Vakuumventils.
Gemäß 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 0 oder nur in Öffnungsrichtung 0 wirkend, wobei dann eine in 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/Oeffnungs-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 Oeffnungs- und Schliessorgan bilden können, wie z.B. den Schieber eines Schieberventils. Der Dämpfungskolben 11 wirkt mit einer gehäusefesten Doppelzylinderanordnung zusammen, in 1 mit 13 bezeichnet. Bei Betätigung der Ventilstange 3 und entsprechender Verschiebung des Dämpfungskolbens 11 in der Doppelzylinderanordnung 13 kommen die Ueberströmleitungen zwischen den komplementär belasteten und entlasteten Kammern der Doppelzylinderanordnunq zur Wirkung. Mittels vorzugsweise einstellbarer Ueberströmungssteuergliedern 15a am Kolben 11, 15b in einer gehäuseseitigen bzw. zylinderanordnungsseitigen Ueberströmverbindung 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 Ueberströmöffnung 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 Oeffnen und Schliessen auswechselbar.
Die in 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 1 ersichtlich, als Dämpfungsmedium eine Flüssigkeit einzusetzen, also die Dämpfung hydraulisch vorzunehmen.
In 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 Luftumgebung. Auch hier sind die anhand von 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 1 und 2 dargestellten Zylinderanordnungen bezüglich Wirkung auf die Kolbenstange 3 seriegeschaltet werden können, wie dies als Beispiel und ohne weiteres verständlich in 3 dargestellt ist.
In 4 ist eine heute bevorzugte Realisationsform des erfindungsgemässen Vakuumventils dargestellt. Der Uebersicht halber sind für die erfindungswesentlichen Teile, welche bereits anhand der 1 bis 3 erläutert wurden, dieselben Bezugszeichen verwendet. Die Darstellung zeigt rechts der Ventilachse A das Ventil in Oeffnungsposition, links in Schliessposition.
Auf der Ventilstange 3 ist der Anker 30 der durch letzteren und die Spulenanordnung 32 gebildeten magnetischen Oeffnungsantriebseinheit 1 gemäss 1 axial verschieblich gelagert. Der Anker 30 wirkt in Oeffnungsrichtung 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 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 Ueberströmleitung 38 eingearbeitet, worin ebenfalls beispielsweise ein Filter gegebenen Strömungsleitwertes 15_c , vorzugsweise auswechselbar, eingebaut ist. Soweit beschrieben, entspricht das Ventil gemäss 4 mit der Ueberströmleitung 38 der Variante mit 15_a von 1 mit den Leitungen 36 dem Aufbau gemäss 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 Oeffnung 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 Oeffnungsrand sicherstellt.

Claims

Ventil mit einer Ventilstange (3), die in eine Leitung (44, 45) ragt und ein Ventilglied (40) trägt, das mit einem Ventilsitz in der Leitung (44, 45) schließend zusammenwirkt, einem die Ventilstange (3) in Öffnungsrichtung betätigenden elektromagnetischen Antrieb (30, 32) und einem in Schließrichtung wirkenden Federantrieb (42), sowie mit einer Dämpfungseinrichtung mit einem mit der Ventilstange (3) verbundenen Kolben (11) in einer mit gasförmigem Dämpfungsmedium gefüllten Doppelzylinderanordnung (13), deren beide durch den Kolben (11) getrennte Kammern (13o, 13u) mit Zu- und Abström- und/oder Überströmleitungen (36o, 36u, 38) versehen sind, an denen Strömungsleitwerte für das Dämpfungsmedium zur Vorgabe einer richtungsspezifischen Dämpfung der Ventilstangenbewegung eingestellt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil als Vakuumventil ausgebildet ist und die Ventilstange (3) in eine Vakuumleitung (44, 46) hineinragt und der in die Vakuumleitung hineinragende Teil der Ventilstange (3) durch einen Faltenbalg (48) gekapselt ist, wobei Schwingungen des Faltenbalges (48) ebenfalls durch die Dämpfungseinrichtung (11, 13) bedämpft werden.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Kammern (13o, 13u) der Doppelzylinderanordnung (13) durch Ein/Aus-Strömungsleitungen (15c) mit einem Dämpfungsmediumsvorrat (19) verbunden sind.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsmedium Luft ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitwerte an mindestens Teilen der Über- und/oder Ein/Aus-Strömungsleitungen (36o, 36u, 38) für das Dämpfungsmedium durch Auswechseln oder Verstellen von diese Leitwerte festlegenden Teilen (15a, b, c; 15) einstellbar sind.
Vakuumventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Strömungsleitwert festlegende Teile mindestens in Teilen der Über- oder Ein/Aus-Strömungsleitungen (36o, 36u, 38) verstellbare Drossel- oder Rückschlagventile und/oder auswechselbare Filter (15c) vorgesehen sind.
Vakuumventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kolben der Kolbenanordnung gleichzeitig Magnetanker (3011) des magnetischen Antriebes ist.
Vakuumventil, nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben, der als Magnetanker axial verschieblich ist und in Öffnungsrichtung gegen einen Anschlag (3a) an der Ventilstange (3) wirkt, derart mit Spiel so an der Ventilstange (3) gelagert ist, dass er sich luftspaltfrei an eine Polschuhfläche der Magnetanordnung (32, 30b) einjustiert.
Vakuumventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Schließkraftunterstützung eine koaxial zur Ventilstange (3) angeordnete und axial auf das Ventilglied (40) wirkende Magnetanordnung (50) vorgesehen ist.