DE19525089A1 - Schnelles Impuls-Ventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein schnelles Impuls-Ventil.

Bei Membranventilen mit den unterschiedlichsten Antriebs­ mechanismen werden vor allem Elastomere als Membran eingesetzt. Derartige Lösungen sind unter anderem in DE OS 30 15 522, DE OS 35 12 393, DE OS 37 25 590 und EP 0 564 612 aufgeführt. Elastomere besitzen aber den Nachteil der geringen mechanischen Festigkeit. Dies wirkt sich nachteilig auf den Verschluß auf, bzw. die Druckverhältnisse der zu beeinflussenden Medien­ ströme können nur geringe Dimensionen annehmen.

Um diesen Nachteil zu beheben werden die Zentren dieser Membran mit einem verformungssteifen Material in der Festigkeit erhöht. Das führt natürlich zu einen erheblich größeren Aufwand in der Realisierung. Eine aufwendig gestaltete Variante ist dabei in der EP 0 564 612 zu finden, bei der dieses Zentrum aus verschiedenen Schichten unterschiedlichster Materialien durch eine Schraubverbindung miteinander verbunden werden. Die aufwendige Schichtfolge wird durch diese Verbindungs­ technologie bedingt. Für den Einsatz bei größeren Drücken oder für eine Miniaturisierung ist diese Lösung nicht geeignet. In der EP 0 424 676 Membranventil wird die Membran an einem Druckstück befestigt. Damit muß das Druckstück zur schließenden Öffnung mitgeführt werden, daß die Schaltfrequenz wesentlich verringert. Eine Beeinflussung der notwendigen Anpreßdrücke beim Verschließen des Ventils über den Aufbau selbst ist dabei nicht möglich.

Eine ähnliche Lösung ist in der EP 0 608 523 Membranventil mit Schließhubbegrenzung aufgeführt. Diese Lösung dient aber nur einer durch ein Handrad und einer Gewindemutter vorein­ stellbaren Hubbegrenzung im Ventilweg. Die Membran ist bei dieser Lösung wiederum mit dem Schließmechanismus fest ver­ bunden und besitzt damit gleiche Nachteile, wie sie die Lösung der EP 0 424 676 aufweist.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, den Fluß flüssiger und gasförmiger Medien schnell und gleichzeitig zeitlich frei wählbar zu unterbrechen, zu öffnen oder in einem Bereich über einen konstanten Fluß hinaus zu beeinflussen.

Dieses Problem wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Fluß fließfähiger Materialien schnell und zeitlich leicht vorwählbar unterbrochen oder geöffnet werden kann. Dieser Tatbestand wird vor allem durch den Sprung in der Federkennlinie einer kegelig oder sphärisch gewölbten Membranfeder unterstützt.

Damit ergeben sich besondere Vorteile vor allem hinsichtlich einer genauen Dosierung vor und während der Durchführung von unter anderem chemischen Verfahrensabläufen oder vorbe­ stimmbaren Änderungen der Zusammensetzung der Atmosphäre bei der Bearbeitung von Halbleiterscheiben in der Mikroelektronik.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patent­ ansprüchen 2 bis 16 angegeben.

Die Weiterbildungen nach den Patentansprüchen 2 und 3 enthalten spezielle konstruktive Varianten, die das Schaltverhalten und die Dichtheit des schnellen Impuls-Ventils beeinflussen.

Die Weiterbildungen nach den Patentansprüchen 4 bis 10 er­ möglichen es, das schnelle Impuls-Ventil mittels magnetischer Kräfte zu schalten. Dabei wird dieses schnelle Impuls-Ventil entsprechend der Weiterbildung nach Patentanspruch 7 durch den zusätzlichen Einbau einer vorgespannten zylindrischen Schraubenfeder in Form einer Druckfeder zwischen Antrieb und profilierter und durchbrochener Membranfeder in seiner Funktionsweise wesentlich beschleunigt. Die Vorspannung ent­ steht dabei automatisch beim Öffnen des schnellen Impuls- Ventils. Mittels einer Schraube nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 kann diese Vorspannung voreingestellt und somit leicht an bestimmte Anwendungsfälle speziell angepaßt werden.

In den Weiterbildungen entsprechend der Patentansprüche 11 bis 15 kommt als Antrieb ein Elektro-Fluid-Antrieb zum Einsatz. Dabei handelt es sich um einen Antrieb mit progressiver Kraft-Weg-Kennlinie. Dieser Antrieb wirkt direkt auf die Membranfeder. Durch mechanische Kühleinrichtungen wird der Öffnungsprozeß des schnellen Impuls-Ventiles wesentlich unterstützt. Weiterhin zeichnet sich diese Ausführungsform durch einen einfacheren Aufbau aus.

Die Weiterbildung nach Patentanspruch 16 führt zu einem durchlässigen Ventil, wobei die Fließmenge über das eigentliche Ventil als Bypass erhöht oder verringert werden kann. Damit ist eine Variation der Durchflußmenge möglich.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 schematische Schnittdarstellung des schnellen Impuls-Ventils,

Fig. 2 die profilierte und durchbrochene Membranfeder und

Fig. 3 der rohrförmige Stutzen mit zwei sich verjüngenden Kreisrillen.

Das schnelle Impuls-Ventil entsprechend Fig. 1 besitzt als Hauptschaltelement eine profilierte und/oder durchbrochene Membranfeder 5. Diese ist weiterhin kegelig oder sphärisch gewölbt ausgebildet und besitzt ein verformungssteifes Zentrum 16. Dieses stellt eine kreisförmige Scheibe im Zentrum der profilierten und/oder durchbrochenen Membranfeder 5 selbst dar. Sie ist an ihrem gesamten Rand gestellfest in einem Gehäuse 1 angeordnet und besteht aus einem eine große Sät­ tigungsinduktion aufweisenden Magnetwerkstoff mit federnden Eigenschaften. Die Grundfläche des Gehäuses 1 besitzt dabei eine Kreisform.

In der Mitte des Bodens 3 befindet sich ein rohrförmiger Stutzen 7, der in den Raum zwischen Boden 3, Seitenwand 2, und profilierter und/oder durchbrochener Membranfeder 5 hineinragt.

Damit entsteht eine Öffnung im Boden 3 des Gehäuses 1. Zwischen Deckplatte 4 und profilierter und/oder durchbrochener Membranfeder 5 ist eine Spule mit Eisenkern befestigt. Diese wirkt als elektromagnetischer Antrieb 14, wobei das verfor­ mungssteife Zentrum 16 der profilierten und/oder durch­ brochenen Membranfeder 5 gleichzeitig als Queranker fungiert. Dazu besitzt die profilierte und/oder durchbrochene Membran­ feder 5 Stege 17, die eine große Federlänge und einen großen Magnetflußquerschnitt aufweisen. Diese sind, wie in der Fig. 2 dargestellt, kreisbogenförmig vom verformungssteifen Zentrum 16 zum Außenrand der profilierten und/oder durchbrochenen Membranfeder 5 angeordnet.

Auf der Seite der profilierten und/oder durchbrochenen Membran­ feder 5 zum rohrförmigen Stutzen 7 ist eine weitere isotrope Membran aus einem dünnen, dichten und elastischen Material 6 befestigt. Damit wird der Raum unterhalb der profilierten und/oder durchbrochenen Membranfeder 5 zum elektromagnetischen Antrieb 14 abgeschlossen. Die Oberfläche des rohrförmigen Stutzens 7 besitzt entsprechend Fig. 3 zwei sich zur pro­ filierten und/oder durchbrochenen Membranfeder 5 hin ver­ jüngende Kreisrillen 18, so daß eine größere Dichtheit bei geringerem Verschleiß erreicht wird.

Zwischen der profilierten und/oder durchbrochenen Membranfeder 5 und dem elektromagnetischen Antrieb 14 ist eine zylindrische Schraubenfeder 11 in Form einer Druckfeder angeordnet. Der elektromagnetische Antrieb 14 befindet sich außerhalb der maximalen Auslenkungen der profilierten und/oder durch­ brochenen Membranfeder 5. Fließt ein Strom durch diesen, bildet sich ein Magnetfeld, welches die Membranfeder zu dem elektromagnetischen Antrieb 14 anzieht. Dabei wird gleich­ zeitig die zylindrische Schraubenfeder 11 zusammengedrückt und damit vorgespannt. Wird der Stromfluß unterbrochen, drückt die sich entspannende zylindrische Schraubenfeder 11 die profilierte und/oder durchbrochene Membranfeder 5 in Richtung des rohrförmigen Stutzens 7. Dessen Ende liegt im Auslenkbereich der profilierten und/oder durchbrochenen Membranfeder 5, so daß die Öffnung des rohrförmigen Stutzens 7, die einen kleineren Durchmesser als das verformungssteife Zentrum 16 aufweist, durch dieses verschlossen wird. Das Verhältnis von Membranfläche zum Außendurchmesser des rohrförmigen Stutzens 7 ist dabei größer 1 : 1. Der Abstand zwischen dem Ende des rohrförmigen Stutzens 7 und der profilierten und/oder durchbrochenen Membranfeder 5 wird dabei so gewählt, daß gleichzeitig eine Mindestvorspannung der profilierten und/oder durchbrochenen Membranfeder 5 realisiert wird.

Fließt in der Spule wiederum ein Strom, wird das verformungs­ steife Zentrum 16 der profilierten und/oder durchbrochenen Membranfeder 5 durch das sich einstellende Magnetfeld zum elektromagnetischen Antrieb 14 gezogen und die Öffnung des rohrförmigen Stutzens 7 freigegeben.

Die Geschwindigkeit des Freigebens und Schließens der Öffnung des rohrförmigen Stutzens 7 wird durch den Sprung in der Federkennlinie der profilierten und/oder durchbrochenen Membranfeder 5 wesentlich erhöht. Weiterhin werden die Schaltvorgänge mit den sich dabei schlagartig ändernden Kraftverhältnissen durch sich ändernde Flächenverhältnisse in Gestalt der Membranfläche zur Fläche der Öffnung des rohrförmigen Stutzens 7 und sich ändernde wirksame Drücke unterstützt.

Die Ausgestaltung der profilierten und/oder durchbrochenen Membranfeder 5 mit Stegen 17 vergrößert die elastische Auslenkung gegenüber einer isotropen Form.

An der Öffnung des rohrförmigen Stutzens 7 zum Boden 3 des Gehäuses 1 hin, ist ein rohrförmiger Einlaßstutzen 8 angeordnet, so daß das schnelle Impuls-Ventil leicht nach außen hin angeschlossen werden kann. Im Boden 3 des Gehäuses 1 befindet sich eine weitere Öffnung 10 zwischen dem Raum, der durch die profilierte und/oder durchbrochene Membranfeder 5, den Boden 3 und der Seitenwand 2 des Gehäuses 1 begrenzt ist, und einem daran angeschlossenen Auslaßstutzen 9. Die geo­ metrische Form entspricht der des Einlaßstutzens 8.

Damit wird ein Hohlraum vom Einlaßstutzen 8 über den rohr­ förmigen Stutzen 7 und dem Raum, der durch die profilierte und/oder durchbrochene Membranfeder 5, den Boden 3 und der Seitenwand 2 des Gehäuses 1 begrenzt ist, zum Auslaßstutzen 9 ausgebildet. Dieser kann durch das verformungssteife Zentrum 16 der profilierten und/oder durchbrochenen Membranfeder 5 getrennt werden.

Der Raum zwischen profilierter und/oder durchbrochener Membranfeder 5, elektromagnetischem Antrieb 14 und Seitenwand 2 des Gehäuses 1 besitzt eine Öffnung 15 nach außen hin, so daß ein Druckausgleich bei der Bewegung der profilierten und/oder durchbrochenen Membranfeder 5 mit der Umgebung des schnellen Impuls-Ventils gegeben ist.

Im Mittelpunkt der Deckplatte 4 des Gehäuses 1 ist ein Gewinde 12, in das eine Schraube 13 lose eingeschraubt ist, eingebracht. Die Außendurchmesser dieser Schraube 13 und der zylindrischen Schraubenfeder 11 besitzen die gleichen Abmessungen. Die Schraube 13 dient der Einstellung der Vorspannung der Schraubenfeder 11.

Der Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispieles gleicht dem ersten bis auf den Antrieb für die profilierte Membranfeder 5. Diese ist dabei mit einem Elektro-Fluid-Antrieb verkoppelt. Der Raum zwischen profilierter Membranfeder 5, Deckplatte 4 und Seitenwand 2 des Gehäuses 1 ist dazu mit einem Alkohol gefüllt. In diesem ist eine elektrische Heizung integriert. Durch das Aufheizen des Alkohols dehnt sich dieser in seinem Volumen so weit aus, daß die profilierte Membranfeder 5 in Richtung des rohrförmigen Stutzens 7 bewegt und dessen Öffnung damit schließt.

Kühlt der Alkohol ab, verringert sich sein Volumen und die profilierte Membranfeder 5 wird zur Deckplatte 4 des Gehäuses 1 bewegt und gibt damit die Öffnung des rohrförmigen Stutzens 7 wieder frei. Das Abkühlen des Alkohols wird durch in die Deckplatte 4 integriert Kühlrippen oder durch das Aufbringen von Kühlkörpern beschleunigt. Eine noch größere Schaltflanke entsteht durch eine zuschaltbare Zwangskühlung in Form eines Ventilators.

Ein drittes Ausführungsbeispiel entsteht bei gleichen Aufbau entsprechend der Ausführungsbeispiele eins und zwei, indem der Einlaß- 8 und der Auslaßstutzen 9 mit einer Öffnung verbunden sind. Diese Öffnung sichert einen kontinuierlichen Fluß zwischen dem Einlaß- 8 und dem Auslaßstutzen 9. Sie ist im Durchmesser kleiner als die Durchmesser des Einlaß- 8 und des Auslaß­ stutzens 9 ausgebildet. Der durch die profilierte und durchb­ rochene Membranfeder 5 schaltbare Durchfluß zwischen rohr­ förmigen Stutzen 7, dem Raum, der durch die profilierte und/oder durchbrochene Membranfeder 5, den Boden 3 und der Seitenwand 2 des Gehäuses 1 begrenzt ist, und der zweiten Öffnung 10 im Boden 3 des Gehäuses 1 dient hierbei als Bypass. Damit ist es leicht möglich, die Durchflußmenge über einen konstanten Fluß hinaus zu beeinflussen.

Claims (16)

1. Schnelles Impuls-Ventil, gekennzeichnet dadurch, daß eine profilierte und/oder durchbrochene Membranfeder (5) mit einem verformungssteifen Zentrum (16), welches das Zentrum der profilierten und/oder durchbrochenen Membranfeder (5) selbst ist, mit dem Rand fest an oder in einem Gehäuse (1) angeordnet, daß symmetrisch zum verformungssteifen Zentrum (16) im Boden (3) des Gehäuses (1) und innerhalb des Auslenkbereiches der profilierten und/oder durchbrochenen Membranfeder (5) ein Ende eines rohrförmigen Stutzens (7), wobei der Außendurch­ messer des rohrförmigen Stutzens (7) kleiner als das Gehäuse (1) ist, zum Zentrum hin so angeordnet, daß eine variable Druckfläche multipliziert mit einem veränderlichen Druck vorhanden ist, daß der Innendurchmesser und damit die Öffnung des rohrförmigen Stutzens (7) im Durchmesser kleiner als das verformungssteife Zentrum (16), daß der rohrförmige Stutzen (7) am anderen Ende mit einem vorzugsweise rohr­ förmigen Einlaßstutzen (8) verbunden, daß vorzugsweise ein gleichgestalteter Auslaßstutzen (9) räumlich von diesem ge­ trennt am Gehäuse (1) befestigt, daß der Raum, der durch die profilierte und/oder durchbrochene Membranfeder (5), Boden (3) und Seitenwand (2) des Gehäuses (1) gebildet wird, durch eine Öffnung (10) mit dem Auslaßstutzen (9) verbunden, daß das verformungssteife Zentrum (16) der profilierten und/ oder durchbrochenen Membranfeder (5) oder die gesamte profi­ lierte und/oder durchbrochene Membranfeder (5) mit einem eine lineare, progressive oder degressive Kraft-Weg-Kennlinie aufweisenden Antrieb versehen ist, daß zumindest die Öffnungen und das verformungssteife Zentrum (16) der profilierten und/ oder durchbrochenen Membranfeder (5) zum rohrförmigen Stutzen (7) hin mit einem dünnen, dichten und elastischen Material (6) bedeckt sind und daß eine eine Energiefläche umschließende und mindestens einen Sprung aufweisende Summen-Kraft-Weg- Kennlinie realisiert ist.

2. Schnelles Impuls-Ventil nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die profilierte und/oder durchbrochene Membranfeder (5) eine Flachfeder darstellt oder daß diese kegelig oder sphärisch gewölbt ausgebildet ist.

3. Schnelles Impuls-Ventil nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Oberfläche des rohrförmigen Stutzens (7) zur profilierten und/oder durchbrochenen Membranfeder (5) hin eine ebene Kreisringfläche darstellt oder daß in diese mindestens eine Kreisrille (18) eingearbeitet ist.

4. Schnelles Impuls-Ventil nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Antrieb ein elektromagnetischer Antrieb (14) und daß die profilierte und/oder durchbrochene Membranfeder (5) gleichzeitig der Anker des Antriebes ist.

5. Schnelles Impuls-Ventil nach Patentanspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß das Gehäuse (1) eine Öffnung (15) zum Raum zwischen profilierter und/oder durchbrochener Membranfeder (5), Seitenwand (2) des Gehäuses (1) und elektromagnetischem Antrieb (14) hin aufweist.

6. Schnelles Impuls-Ventil nach Patentanspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß die profilierte und/oder durchbrochene Membranfeder (5) eine große Federlänge und einen großen Magnetflußquerschnitt aufweisende Stege (17) besitzt.

7. Schnelles Impuls-Ventil nach Patentanspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen der profilierten und/oder durchbrochenen Membranfeder (5) und dem elektromagnetischen Antrieb (14) ein weiteres Federelement vorzugsweise in Form einer zylindrischen Schraubenfeder (11) angeordnet ist.

8. Schnelles Impuls-Ventil nach Patentanspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß im Zentrum des elektromagnetischen Antriebes ein veränderbares Feststellelement so angeordnet ist, daß das Ende dieses mit dem Federelement lose verbunden ist.

9. Schnelles Impuls-Ventil nach Patentanspruch 8, gekennzeichnet dadurch, daß im Zentrum des elektromagnetischen Antriebes ein Gewinde (12) vorhanden und daß das veränderbare Feststell­ element eine Schraube (13) ist.

10. Schnelles Impuls-Ventil nach Patentanspruch 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Außendurchmesser der Schraube (13) und der zylindrischen Schraubenfeder (11) vorzugsweise gleich groß sind.

11. Schnelles Impuls-Ventil nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Antrieb ein Elektro-Fluid-Antrieb ist.

12. Schnelles Impuls-Ventil nach Patentanspruch 11, gekenn­ zeichnet dadurch, daß dazu ein Raum zwischen profilierter und/oder durchbrochener Membranfeder (5), Seitenwand (2) und Unterseite der Deckplatte (4) des Gehäuses (1) besteht, der mit einer Flüssigkeit gefüllt ist und eine integrierte Heizung aufweist.

13. Schnelles Impuls-Ventil nach Patentanspruch 12, gekenn­ zeichnet dadurch, daß weitere Federelemente zumindest auf einer Seite des verformungssteifen Zentrums (16) entweder zum Boden (3) oder Deckplatte (4) des Gehäuses (1) angeordnet ist.

14. Schnelles Impuls-Ventil nach Patentanspruch 12, gekenn­ zeichnet dadurch, daß die Oberseite der Deckplatte (4) des Gehäuses (1) Nuten aufweist oder mit einem Kühlkörper versehen ist.

15. Schnelles Impuls-Ventil nach Patentanspruch 12, gekenn­ zeichnet dadurch, daß die Flüssigkeit vorzugsweise Alkohol ist.

16. Schnelles Impuls-Ventil nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen dem Einlaß- (8) und dem Auslaßstutzen (9) eine Öffnung, die kleiner als der Innenquerschnitt des Einlaß- (8) und des Auslaßstutzens (9) ist, vorhanden ist.