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Die
Erfindung betrifft ein Vakuummagnetventil-System zum im Wesentlichen
gasdichten Unterbrechen eines Fliesswegs nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Vakuumventile
mit einem Ventilverschluss, der linear mittels eines Magnetantriebs
verstellbar ist, sind in unterschiedlichen Ausführungsformen
aus dem Stand der Technik bekannt. Sie kommen insbesondere im Bereich
der IC- und Halbleiterfertigung, die in einer geschützten
Atmosphäre möglichst ohne das Vorhandensein verunreinigender
Partikel stattfinden muss, zum Einsatz. Abhängig vom Einsatzgebiet sind
Vakuumventile mit linear verstellbarem Ventilverschluss beispielsweise
als Eckventile, als Schieberventile, als Transferventile oder als
sonstige Ventiltypen ausgebildet.
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Der
linear verstellbare Ventilverschluss ist mit einem ferromagnetischen
Anker, der auch als Kern bezeichnet wird, verbunden, der mittels
mindestens einer Anzugs-Magnetspule, insbesondere mittels eines
Elektro-Hubmagneten, linear zumindest zwischen zwei Stellungen oder
beliebig verstellt werden kann. Regelmässig ist ein elastisches
Glied, beispielsweise eine Feder vorgesehen, welche den Ventilverschluss
in eine bestimmte Stellung mittels Federkraft drückt. In
der Regel handelt es sich bei der durch die Feder erzwungenen Stellung
um die geschlossene Stellung des Vakuumventils, so dass das Vakuumventil
im betriebsspannungslosen Normalzustand der Anzugs-Magnetspule gasdicht
verschlossen ist. Derartige Ventile werden auch als „Normal-Closed-Ventile"
bezeichnet. Weiters ist die entgegengesetzte Anordnung bekannt,
bei welcher die Federkraft das Ventil im Ruhezustand geöffnet
hält. Die Anzugs- Magnetspule wirkt somit zumindest der Federkraft,
unter Umständen jedoch weiteren durch Strömungen
und Druckdifferenzen im Vakuumventil wirkenden Kräften
entgegen. Es muss sichergestellt werden, dass die Stellung des Ventilverschlusses
in allen Betriebszuständen des Vakuummagnetventils eingehalten
werden kann. Da weiters regelmässig eine hohe Verstellgeschwindigkeit
und eine kurze Anzugszeit des Ventilverschlusses gefordert wird, muss
die Anzugs-Magnetspule eine Magnetkraft gewährleisten,
die weit grösser ist als die zum Halten des Ventilverschlusses
in der geöffneten Stellung erforderliche Kraft. In anderen
Worten sind die Verstellkräfte des Ventilverschlusses wesentlich
grösser als die Haltekräfte. Bei Verwendung einer
einzigen Spule zum Verstellen und Halten des Ventilverschlusses
ist die elektrische Leistung der Spule im Haltezustand somit wesentlich
grösser als erforderlich, so dass es bei längerem
Halten des Ventilverschlusses im geöffneten Zustand sowie
kurzen Verstellzyklen zu einem unnötig grossen Energieverbrauch
und vor allem zu erheblichen thermischen Effekten kommt. Durch das Aufheizen
der Anzugs-Magnetspule sinken weiters aufgrund ansteigendem ohmschen
Widerstands der Wirkungsgrad sowie die Betriebssicherheit, und die Lebensdauer
des gesamten Ventils wird negativ beeinflusst.
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Aus
diesem Grunde wurden inzwischen aus dem Stand der Technik bekannte
Magnetvakuumventile mit einem Magnetantrieb mit einer leistungsstarken
Anzugs-Magnetspule sowie einer zusätzlichen, wesentlich
kleiner dimensionierten Halte-Magnetspule entwickelt. Die leistungsstarke
Anzugs-Magnetspule dient zum schnellen Verstellen des Ventilverschlusses.
Die zusätzliche, wesentlich kleiner dimensionierte Halte-Magnetspule
ist zum Halten des Ventilverschlusses in der offenen bzw. geschlossenen
Stellung oder der gewünschten Zwischenstellung bei wieder
inaktiver Anzugs-Magnetspule vorgesehen. Der Haltestrom ist somit
wesentlich geringer als der Anzugsstrom, wodurch ein Aufheizen des
Magnetantriebs und ein unnötiger Energieverlust vermieden
werden.
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Ein
derartiges Magnetventil ist beispielsweise das Vakuummagnet-Eckventil
Modell 26332-KA64-AAG1 der Firma VAT Vakuumventile AG, Haag, Schweiz.
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Auch
in der
US 6,717,332 (Storm)
wird ein Magnetventil mit einer Anzugs- und einer Halte-Magnetspule
beschrieben. Die Anzugs-Magnetspule und die Halte-Magnetspule sind
bei diesem Magnetventil als eine gemeinsame Magnetspule mit einer
Anzugswicklung und einer Haltewicklung ausgebildet.
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Häufig
ist eine Überwachung der Stellung des Ventilverschlusses
bei Vakuumventilen erforderlich. Vor allem bei Magnetventilen mit
Anzugs- und Halte-Magnetspule sollte aufgrund der bewusst leistungsschwächeren
Haltespule stets das Beibehalten der durch die Halte-Magnetspule
erzielen Stellung des Ventilverschlusses überwacht werden.
Dies kann, wie aus dem Stand der Technik bekannt, mittels gesonderter
Positionssensoren erfolgen, die mechanisch mit dem Ventilverschluss
oder dem Anker verbunden sind. Eine derartige mechanische Verbindung
erfordert jedoch regelmässig den Einsatz weiterer Dichtelemente
und verkompliziert den Aufbau des Ventils.
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Aus
dem Stand der Technik sind unterschiedliche Verfahren und Vorrichtungen
zum berührungslosen Erfassen der Position des Ventilverschlusses
bekannt.
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Eine
sehr einfache Art der Überwachung besteht in einer Anzeige,
ob an der Magnetspule Spannung anliegt oder nicht. Diese Überwachung
ist unzuverlässig, da das Anlegen der Spannung noch nicht zwangsläufig
zur Folge hat, dass durch die Magnetspule auch tatsächlich
ein Strom fliesst, der Anker bewegt wird und seine Sollstellung
einnimmt sowie beibehält.
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Eine
bessere Überwachung besteht darin festzustellen, ob durch
die Magnetwicklung ein Strom fliesst. Auch diese Art der Überwachung
ist nicht völlig zuverlässig, da beispielsweise
der Anker klemmen kann, so dass trotz eines durch die Magnetwicklung fliessenden
Stromes der Anker seine Endstellung nicht einnimmt bzw. beibehält.
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In
der
DE 2 251 472 wird
ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung beschrieben, bei denen zur Überwachung
die tatsächliche Bewegung des Ankers herangezogen wird.
Dabei wird die Magnetspule mit einer Gleichspannung gespeist und
der Effekt ausgenutzt, dass bei Anlegen der Gleichspannung an die
Magnetwicklung der Strom nicht sprunghaft sondern langsam bis zu
einem Sättigungswert ansteigt. Die Bewegung des Ankers
in seine Endstellung bei einem bestimmten Stromwert hat eine Änderung
der Induktivität der Magnetwicklung zur Folge, so dass
die zeitliche Ableitung des Stromes kurzzeitig ihr Vorzeichen ändert.
Diese durch Differenzierung festgestellte kurzzeitige Änderung
der zeitlichen Ableitung des Stromes wird als Signal dafür
ausgenutzt, dass der Anker sich in seine Endlage bewegt hat und
somit beispielsweise das durch den Hubmagneten gesteuerte Magnetventil
geschaltet hat. Nachteilig ist dabei, dass die Änderung
der zeitlichen Ableitung des Stromes von der Geschwindigkeit der Ankerbewegung
abhängt und daher unterschiedlich und unter Umständen
sehr schwach ausfallen kann. Weiters ist nachteilig, dass ein Signal
nur während der Bewegung des Ankers erzeugt wird. Befindet
sich der Anker in Ruhe, so kann nicht festgestellt werden, ob er
sich in seiner Anfangslage oder seiner Endlage befindet.
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In
einer Schaltungsanordnung, welche in der
DE 33 26 605 offenbart ist, wird ebenfalls
von der Tatsache Gebrauch gemacht, dass die Induktivität
der Magnetwicklung von der Lage des Ankers bezüglich der
Magnetwicklung abhängt. Die Magnetwicklung wird mit einem
Gleichstrom gespeist, der eine Restwelligkeit aufweist. Im Allgemeinen
wird die Magnetwicklung mit einer Spannung betrieben, die aus einer mittels
einer Brücke gleichgerichteten, ungeglätteten Wechselspannung
besteht. Der induktive Widerstand der Magnetwicklung für
den Wechselstromanteil des die Magnetwicklung speisenden Stromes
ist somit verschieden, wenn sich der Anker in seiner Ausgangslage
oder in seiner Endlage befindet. Es kann daher auch bei Ruhestellung
des Ankers anhand des induktiven Wechselstromwiderstandes der Magnetwicklung
festgestellt werden, in welcher Lage sich der Anker befindet. Die
Ankerlage und damit beispielsweise der Schaltzustand eines Magnetventils können
daher während der gesamten Betriebsdauer überwacht
und jederzeit kontrolliert werden. Um den induktiven Wechselstromwiderstand
der Magnetwicklung zu bestimmen, wird ein ohmscher Messwiderstand
in Serie zu der Magnetwicklung geschaltet. Der die Magnetwicklung
durchfliessende, von deren Induktivität abhängige
Wechselstromanteil wird über die an dem ohmschen Messwiderstand
abfallende Wechselspannung ermittelt. Um den Wechselspannungsanteil
von dem Gleichspannungsanteil an dem Messwiderstand zu trennen,
ist ein Hochpassfilter vorgesehen, der nur den Wechselspannungsanteil der
am Messwiderstand abfallenden Spannung durchlässt. Nach
Gleichrichtung kann der Wechselspannungsanteil mit einer vorgegebenen
Referenzgleichspannung verglichen werden, um festzustellen, ob der
Anker sich in seiner Endlage befindet oder nicht. Nachteilig bei
der beschriebenen Schaltungsanordnung ist, dass sich insbesondere
durch den Temperaturgang des ohmschen Widerstandes der Magnetwicklung
bedingte, verfälschende Einflüsse nur bedingt
vollständig kompensieren lassen. Weiters ist der zur Messung
des induktiven Wechselstromwiderstandes erforderliche Schaltungsaufbau
verhältnismässig komplex.
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Auch
in der
DE 10 2005 038934 wird
eine Lageerkennung des Ankers mittels Strommessung an einer einzigen
Magnetwicklung beschrieben. Bei dem dort beschriebenen Verfahren
zur Bestimmung der Position eines Schiebers in einem elektromechanischen
Ventil wird der Schieber mit einer Spule versehen, eine Spannung
an die Spule angelegt, der Stromfluss durch die Spule gemessen und
der gemessene Stromfluss mit Referenzwerten verglichen.
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Aus
der
EP 0 369 918 B1 ist
ein Verfahren zur Erfassung des Stands (beispielsweise des geöffneten,
geschlossenen oder eins Zwischenstands) eines Ventils, das insbesondere
ausserhalb der Sicht- und/oder Reichweite einer Bedienungsperson
liegt, bekannt, wobei dieses Ventil eine Magnetspule mit einem beweglichen
Kern einschliesst, der linear entsprechend der Verschiebung des
Absperrorgans des Ventils verschiebbar ist. An das Ventil wird ein Schwingkreis
angeschlossen, der die oben genannte Spule einschliesst und dessen
Oszillationsfrequenz von der Position des Kerns in der Spule abhängt.
Gemäss dieser Erfindung wird der vorgenannten Spule im
Augenblick der Erfassung koaxial eine zweite Spule angenähert,
eine Veränderung des Magnetflusses in der Umgebung der
ersten Spule hervorgerufen, in der gedämpfter Wechselstrom
herrscht, die Frequenz der dafür in der zweiten Spule induzierten Wechselspannung
erfasst und daraus den Stand des Kerns in der ersten Spule abgeleitet.
Daraus wird schliesslich auf den Stand (beispielsweise offenen, geschlossenen
oder Zwischenstand) des Ventils geschlossen. Die genannten Spulen
haben hierbei eine reine Messfunktion und dienen nicht zum Verstellen des
Absperrorgans.
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In
der
JP 2006275235 wird
ein Magnetventil mit einer gesonderten Lageerkennungsspule zum Erfassen
der Stellung des Ventilverschlusses beschrieben.
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Gemein
ist den beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen,
Systemen und Verfahren zur Erfassung der Stellung des Ventilverschlusses
eines Magnetventils der durch umfangreiche Schaltungsaufbauten und/oder
den Einsatz separater Messspulen oder Lageerfassungssensoren bedingte,
verhältnismässig aufwändige Aufbau des
Gesamtsystems, der insbesondere zu einer erhöhten Störanfälligkeit
und somit einer eingeschränkten Betriebssicherheit sowie
einer verhältnismässig hohen Systemkomplexität
führt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Vakuummagnetventil-System mit einer
Erfassung der Stellung des Ventilverschlusses sowie ein Verfahren zur
Erfassung der Stellung eines Ventilverschlusses eines Vakuummagnetventil-Systems
zur Verfügung zu stellen, das sich jeweils durch einen
einfachen Aufbau bzw. Ablauf, durch hohe Betriebssicherheit und
durch geringe Komplexität auszeichnet sowie gegebenenfalls
bei bestehenden Vakuummagnetventilen zur Ermöglichung der
Stellungserfassung nachrüstbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die Verwirklichung der Merkmale des unabhängigen
Anspruchs gelöst. Merkmale, die die Erfindung in alternativer
oder vorteilhafter Weise weiterbilden, sind den abhängigen Ansprüchen
zu entnehmen.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass durch Messung einer in
die Anzugsspule (die erste Magnetspule) induzierten Spannung mittels Spannungsmessung
mit grosser Genauigkeit und Zuverlässigkeit auf die Stellung
des Ventilverschlusses geschlossen werden kann, wobei die induzierte Spannung
hervorgerufen wird durch eine zweite Magnetspule, welche ein sich
zeitlich änderndes zweites Magnetfeld erzeugt und welche
zumindest teilweise über den bewegbaren Anker mit der Anzugsspule
induktiv gekoppelt ist. In einer Weiterbildung der Erfindung handelt
es sich bei dieser zweiten Magnetspule um eine Haltespule, die zum
Halten des Ankers und somit des Ventilverschlusses insbesondere
nach dem Verstellen desselbigen mittels der Anzugsspule ausgebildet
ist. Erfindungsgemäss ist es somit möglich, mittels
der Anzugsspule und der Haltespule eines Magnetantriebs eines Vakuummagnetventils ohne
zwangsläufige Verwendung einer weiteren Messvorrichtung
durch Anlegen einer sich zeitlich verändernden Spannung
im Haltezustand des Ventilverschlusses und Messen der in Abhängigkeit
von der Stellung des Ankers in die Anzugsspule induzierten Spannung
die Stellung des Ventilverschlusses abzuleiten. Die Erfindung ermöglicht
es unter anderem, ein bestehendes Vakuummagnetventil, das eine Anzugsspule
und eine Haltespule aufweist – beispielsweise das Vakuummagnet-Eckventil
Modell 26332-KA64-AAG1 der Firma VAT Vakuumventile AG, Haag, Schweiz
oder ein ähnliches Ventil – in das erfindungsgemässe
Vakuummagnetventil-System einzubinden und somit das Erfassen der
Stellung des Ventilverschlusses zu ermöglichen.
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Das
erfindungsgemässe Vakuummagnetventil-System zum im Wesentlichen
gasdichten Unterbrechen eines Fliesswegs umfasst ein Ventilgehäuse,
einen Ventilverschluss, einen Magnetantrieb und eine Steuervorrichtung.
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Das
Ventilgehäuse besitzt einen ersten Anschluss in Richtung
einer ersten Achse und einen zweiten Anschluss in Richtung einer
zweiten Achse. Die Achsen der Anschlüsse werden beispielsweise durch
deren Längsverlauf, den Verlauf eines angeordneten Stutzens
oder durch die Einlassflächen in einen Fliessraum definiert.
Die Anschlüsse haben beispielsweise einen kreisförmigen
Querschnitt. In dem Ventilgehäuse ist ein von diesem umschlossener
Fliessraum ausgeformt, der den ersten Anschluss und den zweiten
Anschluss miteinander verbindet. Der Fliessraum ist derjenige Abschnitt
des Ventils, der im geöffneten Zustand des Ventils den ersten
und den zweiten Anschluss miteinander verbindet und von Gas durchströmt
wird, sowie im geschlossenen Zustand des Ventils von den beiden dann
unverbundenen Anschlüssen aus mit Gas flutbar ist. Der
im geöffneten Zustand des Ventils den ersten Anschluss
mit dem zweiten Anschluss über den Fliessraum verbindende
Weg wird als Fliessweg bezeichnet. In diesem Fliessweg des Fliessraums
ist ein Ventilsitz angeordnet, der den Fliessraum umschliesst. In
anderen Worten wird ein von dem Ventilsitz umschlossener Bereich
im Fliessraum im geöffneten Zustand des Ventils durchströmt,
wobei der Fliessweg durch eben diesen Bereich führt.
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Der
Ventilverschluss ist innerhalb des Fliessraums angeordnet und entlang
einer Verstellachse axial geführt linear verschiebbar.
Zum im Wesentlichen gasdichten Unterbrechen des Fliesswegs kann der
Ventilverschluss mit einer dem Ventilsitz zugewandten Verschlussfläche
des Ventilverschlusses mit dem Ventilsitz in Kontakt gebracht werden.
Durch den Kontakt zwischen der Verschlussfläche des Ventilverschlusses
und dem Ventilsitz wird der Fliessweg und somit die über
den Fliessraum führende Verbindung zwischen dem ersten
Anschluss und dem zweiten Anschluss unterbrochen und somit das Ventil
geschlossen. Zum Freigeben des Fliesswegs wird die Verschlussfläche
wieder ausser Kontakt mit dem Ventilsitz gebracht und aus dem Ventilraum
geführt, wodurch der Fliessweg wieder teilweise oder vollständig
freigegeben wird.
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In
einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist das
Vakuummagnetventil-System als Vakuummagnet-Eckventil-System ausgebildet,
indem das Ventilgehäuse und der Ventilverschluss ein gattungsgemässes
Vakuum-Eckventil bilden. Bei dem Vakuum-Eckventil verläuft
die erste Achse des ersten Anschlusses im Wesentlichen senkrecht
zu der zweiten Achse des zweiten Anschlusses. Die Verstellachse
verläuft vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur ersten
Achse und vorzugsweise normal zur Verschlussfläche des
Ventilsitzes. In anderen Worten weist das Ventilgehäuse
einen ersten Anschluss in Richtung einer ersten Achse und einen
zweiten Anschluss in Richtung einer im Wesentlichen senkrecht zu
der ersten Achse verlaufenden zweiten Achse auf, so dass die beiden
Anschlüsse rechtwinklig und eckförmig zueinander
positioniert sind.
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Bei
dieser speziellen Ausführungsform ist der Ventilverschluss
vorzugsweise ein runder Teller oder ein zylindrischer Kolben, der
zumindest teilweise innerhalb des Fliessraums entlang der Verstellachse
senkrecht zu einer Fläche des Ventilsitzes um einen Verstellweg
axial geführt verschiebbar ist. Diese Verstellachse entspricht
im Wesentlichen der ersten Achse. Es ist jedoch alternativ möglich,
dass die Achse in eine insbesondere geringfügig andere
Richtung verläuft. Durch Verschieben des Tellers bzw. Kolbens
kann die dem Ventilsitz zugewandte, insbesondere einen Dichtungskörper – beispielsweise
in Form eines in einer Befestigungsnut befindlichen O-Rings – aufweisende
Verschlussfläche des Tellers bzw. Kolbens mit dem Ventilsitz
in Kontakt gebracht oder ausser Kontakt gebracht werden. Hierdurch wird
der Fliessweg entweder im Wesentlichen gasdicht unterbrochen oder
freigegeben. Die Verschlussfläche wird hierbei von der Stirnfläche
des Tellers bzw. Kolbens gebildet. Die Verschlussfläche und
die Fläche des Ventilsitzes sind derart ausgebildet, dass
sie aufeinander zum Liegen kommen können. Bevorzugt verläuft
die Verstellachse des Tellers bzw. Kolbens senkrecht zu beiden Flächen.
Es ist jedoch alternativ möglich, dass die beiden Flächen schräg
oder uneben ausgestaltet sind. In diesem Fall sind unter der Verschlussfläche
und der Fläche des Ventilsitzes virtuelle, gemittelte Flächen
zu verstehen, zu denen die Achse senkrecht verläuft.
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In
einer alternativen speziellen Ausführungsform ist das Vakuummagnetventil-System
ein Vakuummagnet-Schieberventil-System. Vakuum-Schieberventile oder
Magnetschieber sind als solche aus dem Stand der Technik bekannt.
Die erste Achse des ersten Anschlusses verläuft bei solchen
Ventilen im Wesentlichen parallel zu der zweiten Achse des zweiten
Anschlusses. Insbesondere bilden die erste und zweite Achse eine
gemeinsame Achse, verlaufen also kollinear. Der Ventilverschluss
ist ein so genannter Schieber, der beispielsweise eine Keilform besitzt
und der quer zum Fliessweg in den Fliessraum zum Schliessen des
Ventils schiebbar ist. Die Verstellachse des Ventilverschlusses
verläuft im Wesentlichen senkrecht zur ersten Achse und
zur zweiten Achse. In einer möglichen Ausführungsform
sind der erste Anschluss und der zweite Anschluss geradlinig durch
einen röhrförmigen Fliessraum verbunden, der durch
einen quer in den Fliessraum und normal zu der ersten und zweiten
Achse schiebbaren Schieber, insbesondere einen Keilschieber, blockiert werden
kann. Die Verschlussfläche und die Fläche des
Ventilsitzes verlaufen in diesem Fall nahezu oder vollkommen normal
zur insbesondere kollinearen ersten und zweiten Achse sowie zum
Fliessweg. Ebenfalls ist es möglich, das Vakuummagnet-Schieberventil-System
als Transferventil auszubilden, das einen wesentlich grösseren,
insbesondere rechteckigen Öffnungs- und Ventilverschlussquerschnitt
hat.
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Der
Magnetantrieb besitzt eine mit dem Ventilgehäuse verbundene
erste Magnetspule. Diese erste Magnetspule ist zumindest teilweise
rings um einen Ankerraum angeordnet. Mittels der ersten Magnetspule
ist ein in dem Ankerraum wirkendes erstes Magnetfeld elektrisch
erzeugbar, indem eine Spannung an die erste Magnetspule angelegt
wird. Unter der ersten Magnetspule ist allgemein eine erste Wicklung,
die zumindest teilweise den Ankerraum umschliesst oder in dessen
Nähe angeordnet ist, zu verstehen. Innerhalb des Ankerraums
befindet sich ein ferromagnetischer Anker, der mit dem Ventilverschluss
mechanisch verbunden ist. Die zumindest aus dem Anker und dem Ventilverschluss
bestehende, ein- oder mehrstückige Funktionseinheit ist
linear entlang der Verstellachse gelagert, so dass der Ventilverschluss
zwischen der offenen und geschlossenen Stellung des Ventils und
somit auch der Anker innerhalb des Ankerraums zwischen einer als
offen und geschlossenen geltenden Stellung bewegbar ist. Durch Ändern
des ersten Magnetfelds ist der Anker derart linear bewegbar, dass
der Ventilverschluss zwischen der geschlossenen Stellung und der
den Fliessweg freigebenden offenen Stellung linear verstellbar ist.
Die Art der Anordnung zwischen der ersten Magnetspule, dem Ankerraum
und dem Anker hängt insbesondere von dem Ventiltyp und
der Normalstellung des Ventilverschlusses ab. Abhängig
von der jeweiligen Ausführungsform wirkt das erste Magnetfeld
einer Federkraft, der Schwerkraft, einer durch Strömungen
und Druckdifferenzen im Vakuumventil wirkenden Kraft, einer entgegengesetzt
wirkenden magnetischen Kraft oder einer sonstigen Kraft entgegen.
Aufgrund ihrer Funktion zum Verstellen bzw. Anziehen des Ankers
wird die erste Magnetspule auch Anzugsspule, Antriebsspule oder
Verstellspule genannt. Es ist möglich, mehrere entgegengesetzt
auf den Anker wirkende Magnetspulen einzusetzen, um den Ventilverschluss
in die geschlossene, in die offene sowie in eine beispielsweise
präzise geregelte Zwischenstellung zu verstellen. Im Rahmen
der Erfindung ist unter der offenen Stellung oder geöffneten Stellung
allgemein eine Stellung des Ventilverschlusses zu verstehen, in
welcher der Fliessweg zumindest teilweise freigegeben ist. Es kann
sich hierbei sowohl um die vollständig geöffnete
Stellung des Ventilverschlusses, als auch um jede beliebige – beispielsweise
präzise einzuhaltende und geregelte – Zwischenstellung
zwischen der geschlossenen und der vollständig geöffneten
Stellung handeln.
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In
einer Ausführungsform ist der Ankerraum gasdicht nach aussen
verschlossen und atmosphärisch mit dem Fliessraum verbunden,
wobei die erste Magnetspule und die zweite Magnetspule gasdicht von
dem Ankerraum getrennt sind und diesen insbesondere von aussen umschliessen.
Alternativ ist der gesamte Ankerraum gasdicht von dem Fliessraum – insbesondere
mittels eines Faltenbalgs – getrennt. In beiden Fällen
wird der Anker berührungslos verstellt und die Stellung
des Ventilverschlusses berührungslos erfasst, ohne dass
die zum Verstellen und zum Erfassen notwendigen elektrischen Komponenten
direkt oder indirekt dem durch das Ventil strömenden Medium
ausgesetzt werden.
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Die
Steuervorrichtung ist mit der ersten Magnetspule derart elektrisch
verbunden und derart ausgebildet, dass das erste Magnetfeld zum
Verstellen des Ventilverschluss veränderbar ist. In anderen Worten
kann direkt oder indirekt mittels der Steuervorrichtung eine Spannung
an die erste Magnetspule angelegt werden, so dass der Anker samt
dem Ventilverschluss verstellt wird und somit der Ventilverschluss
zwischen der geschlossenen Stellung und der den Fliessweg freigebenden offenen
Stellung linear verstellt wird. Im einfachsten Fall geschieht dies durch
An- und Abschalten einer Gleichspannung oder Wechselspannung, die
ausreichend ist, um den Ventilverschluss in die Sollstellung, beispielsweise die
offene oder geschlossenen Stellung des Ventils, zu bringen.
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Erfindungsgemäss
ist eine mit dem Ventilgehäuse verbundene zweite Magnetspule
vorgesehen, die mit der ersten Magnetspule zumindest teilweise über
den bewegbaren Anker induktiv gekoppelt ist. Diese zweite Magnetspule
ist derart nahe dem Ankerraum angeordnet, dass durch Anlegen einer Spannung
an die zweite Magnetspule ein in dem Ankerraum wirkendes zweites
Magnetfeld elektrisch erzeugbar ist. Die zweite Magnetspule ist
beispielsweise im Wesentlichen koaxial zur ersten Magnetspule angeordnet,
wobei die erste Magnetspule und die zweite Magnetspule entweder
axial entlang der Verstellachse zueinander versetzt oder radial
zueinander angeordnet sind. In letzterem Fall umgibt die erste Magnetspule
die zweite Magnetspule, oder die zweite Magnetspule umgibt die erste
Magnetspule, oder die erste Magnetspule und die zweite Magnetspule
sind eine gemeinsame Kombinationsspule. Diese Kombinationsspule
besteht hierbei zumindest aus einer ersten Wicklung, welche die
erste Magnetspule bildet, und einer zweiten Wicklung, welche die zweite
Magnetspule bildet, jeweils mit beliebiger geeigneter Windungszahl.
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Unter
einer Magnetspule ist allgemein funktional ein drahtartiger Spannungsleiter,
vorzugsweise in Form einer Wicklung, insbesondere ein Metalldraht mit
zum Verstellen des Ankers geeigneter Windungszahl und geeignetem
Drahtquerschnitt zu verstehen, wobei der Spannungsleiter – insbesondere
die Wicklung – als Elektromagnet durch Anlegen einer Spannung
an die Drahtenden oder zwischen mindestens einem Drahtabschnitt
wirkt.
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Beide
Magnetspulen sind mechanisch direkt oder indirekt mit dem Ventilgehäuse
gekoppelt. Beispielsweise ist an dem Ventilgehäuse der
Magnetantrieb angeordnet, in dessen Gehäuse sich sowohl
die erste Magnetspule als auch die zweite Magnetspule befinden.
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Weiters
ist die Steuervorrichtung mit der ersten Magnetspule und der zweiten
Magnetspule derart elektrisch verbunden und derart ausgebildet,
dass sich zum Erfassen der Stellung des Ventilverschlusses das zweite
Magnetfeld zeitlich ändert. Hierzu ist die Steuervorrichtung
derart mit der zweiten Magnetspule verbunden und ausgebildet, dass
eine zeitlich unkonstante Spannung an der zweiten Magnetspule zum
Erfassen der Stellung angelegt werden kann. Da die erste Magnetspule
und die zweite Magnetspule zumindest teilweise über den
sich in dem zweiten Magnetfeld befindenden ferromagnetischen Anker induktiv
gekoppelt sind, wird – in Abhängigkeit der Stellung
des Ankers im Ankerraum – in die erste Magnetspule eine
Spannung induziert, deren Spannungsverlauf mit dem zeitlichen Verlauf
der an die zweite Magnetspule angelegten Spannung verknüpft ist.
Diese durch das sich zeitlich ändernde zweite Magnetfeld
in die erste Magnetspule induzierte Spannung, auch Sekundärspannung
genannt, wird durch die mit der ersten Magnetspule elektrisch verbundene
Steuervorrichtung erfasst. Da diese Sekundärspannung abhängig
ist von der Stellung des Ankers und somit der Stellung des Ventilverschlusses,
wird durch eine entsprechende Ausbildung der Steuervorrichtung aus
der induzierten Spannung die Stellung des Ventilverschlusses abgeleitet.
Dies kann in einer einfachen Ausführungsform durch eine
Steuervorrichtung geschehen, die derart ausgebildet ist, dass eine
Wechselspannung an die zweite Magnetspule angelegt ist und die somit
induzierte Wechselspannung an der ersten Magnetspule von der Steuervorrichtung
erfasst wird. Durch Wahl geeigneter Spannungsschwellen kann in einer
einfachen Ausführungsform durch Messung der induzierten
Wechselspannung bzw. Sekundärspannung an der ersten Spule
zwischen zwei Stellungen des Ankers und somit des Ventilverschlusses,
beispielsweise der offenen und geschlossenen Stellung des Ventils,
unterschieden werden. In einer Weiterbildung werden mehrere oder
beliebig viele Zwischenstellungen erfasst, wobei die gemessene Spannung
eine vorgegebene Abhängigkeit zu der jeweiligen Stellung
des Ventilverschlusses besitzt.
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In
anderen Worten bilden die erste Magnetspule und die zweite Magnetspule
sowie der ferromagnetische Anker eine Art Transformator, wobei die zweite
Magnetspule als Primärwicklung, die erste Magnetspule als
Sekundärwicklung und der ferromagnetische Anker als verstellbarer
Transformatorenkern agieren.
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Das
Erfassen der in die erste Magnetspule induzierten Spannung erfolgt
entweder im nicht aktiven Zustand der ersten Magnetspule, in welchem
keine Spannung zum Verstellen oder Halten des Ankers an die erste
Magnetspule mittels der Steuervorrichtung angelegt wird, oder im
aktiven Zustand der ersten Magnetspule. In letzterem Fall wird der
durch die magnetische Kopplung durch die zweite Magnetspule in die
erste Magnetspule induzierte Spannungsanteil erfasst und hieraus
die Ventilstellung abgeleitet. Dies kann auf einfache Weise durch
Anlegen einer Gleichspannung zum Aktivieren der ersten Magnetspule
und Herausfiltern der durch das zeitlich unkonstante zweite Magnetfeld
induzierten inkonstanten Spannungsanteile aus der Gleichspannung
erfolgen.
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Unter
der Steuervorrichtung ist allgemein ein funktional zu betrachtendes
Funktionssystem zu verstehen, mittels welchem zumindest eine Spannung zum
Verstellen des Ventilverschlusses an die erste Magnetspule anlegbar
ist, eine während des Anliegens an die zweite Magnetspule
sich – insbesondere kontinuierlich – zeitlich ändernde
Spannung an die zweite Magnetspule anlegbar ist und eine – durch das
Anliegen der zeitlich unkonstanten Spannung an die zweite Magnetspule – in
die erste Magnetspule induzierte Spannung messbar und auswertbar
ist, wobei ein mit der Stellung des Ventilverschlusses verknüpftes
Ausgangssignal ausgegeben wird.
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Dieses
Ausgangssignal ist ein beliebiges – beispielsweise elektrisches,
optisches oder akustisches – Signal, aus welchem die tatsächliche
Stellung des Ventilverschlusses erneut diskret oder stufenlos abgeleitet
werden kann. Im einfachsten Fall handelt es sich um ein Signal,
das zwei Stellungszustände, beispielsweise „offen"
oder „geschlossen", insbesondere in Form einer anliegenden
oder nicht anliegenden Spannung, wiedergibt. Alternativ können
mehrere Zwischenstellungen wiedergegeben werden. In einer möglichen
Ausführungsform gibt das Signal die exakte Stellung des
Ventilverschlusses stufenlos wieder.
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Bei
der Steuervorrichtung kann es sich um mindestens eine elektrische
Schaltung, eine speicherprogrammierbare Steuerung, auch „SPS"
genannt, oder eine sonstige geeignete Steuer- und/oder Regeleinrichtung,
beispielsweise einen mit entsprechenden Ein- und Ausgängen
ausgestatteten Personalcomputer, handeln. Ebenfalls ist es möglich, die
Steuervorrichtung als ein System aus mehreren miteinander in Signal-
und/oder elektrischer Verbindung stehenden Komponenten, die örtlich
voneinander getrennt sind, auszubilden.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist ein elastisches Glied, beispielsweise
eine Spiralfeder, im Ventilgehäuse vorgesehen, das den
Ventilverschluss in eine erste Stellung – insbesondere
die geschlossene Stellung – drückt, wobei das
erste Magnetfeld der Kraft des elastischen Glieds zum Verstellen
des Ventilverschlusses in eine zweite Stellung – insbesondere
die offene Stellung – entgegenwirkt. Im nicht aktiven Zustand
der ersten Magnetspule wird somit der Ventilverschluss auf den Ventilsitz
durch das elastische Glied gedrückt, so dass das Ventil
im nicht aktiven Normalzustand geschlossen ist. Bei einem solchen
Ventil handelt es sich somit um ein „Normal-Closed-Ventil".
Die zweite Magnetspule ist derart ausgebildet und angeordnet, dass
das durch die zweite Magnetspule in dem Ankerraum wirkende zweite
Magnetfeld der Kraft des elastischen Glied derart entgegenwirkt,
dass der Ventilverschlusses in der offenen Stellung ohne Wirken
des ersten Magnetfeldes allein durch Wirken des elektrisch erzeugten zweiten
Magnetfelds festgehalten werden kann. Die zweite Magnetspule dient
somit als Haltespule zum Halten des Ankers in einer vorgegebenen
Stellung.
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Vorzugsweise
besitzt diese insbesondere zum Halten dienende zweite Magnetspule
eine geringere elektrische Leistung als die zum Verstellen dienende
erste Magnetspule. Beispielsweise beträgt die elektrische
Leistung der ersten Magnetspule mindestens das 10-fache, insbesondere
mindestens das 30-fache, der elektrischen Leistung der zweiten Magnetspule.
Insbesondere beträgt die Windungszahl der zweiten Magnetspule
mindestens das 3-fache der Windungszahl der ersten Magnetspule.
In anderen Worten ist die zweite Magnetspule derart ausgebildet
und zur ersten Magnetspule angeordnet, dass der Anker in einer nicht
normalen Stellung, welcher das elastische Glied entgegenwirkt, durch
Anlegen einer Spannung an die zweite Magnetspule gehalten werden
kann, wobei die zum Halten erforderliche elektrische Leistung bei
Verwendung der zweiten Magnetspule (der Haltespule) geringerer ist
als die zum Halten erforderliche elektrische Leistung bei Verwendung
der ersten Magnetspule (der Anzugsspule). Der Haltestrom ist somit
wesentlich geringer als der Anzugsstrom, wodurch ein Aufheizen des
Magnetantriebs und ein unnötiger Energieverlust vermieden
werden.
-
Die
Steuervorrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass zum
Verstellen des Ventilverschlusses von der geschlossenen Stellung
in die offene Stellung das erste Magnetfeld mittels der ersten Magnetspule
für einen vorgegebenen Zeitabschnitt erzeugt wird, indem
eine Spannung an die erste Magnetspule angelegt wird. Dieser vorgegebene
Zeitabschnitt ist derart bemessen, dass der Anker einschliesslich
des Ventilverschlusses durch die magnetische Kraft von der durch
das elastische Glied erzwungenen Normalstellung in die Sollstellung
bewegt wird. Zum Festhalten des Ventilverschlusses in der offenen
Stellung nach dem vorgegebenen Zeitabschnitt wird das sich zeitlich ändernde
zweite Magnetfeld mittels der zweiten Magnetspule erzeugt und das
erste Magnetfeld wird reduziert, indem die an die erste Magnetspule
angelegte Spannung mittels der Steuervorrichtung reduziert wird.
Insbesondere wird diese Spannung – und somit auch das erste
Magnetfeld – deaktiviert. Die durch magnetische Kopplung von
der zweiten Magnetspule zumindest teilweise über den ferromagnetischen
Anker in die erste Magnetspule induzierte Spannung wird wie oben
beschrieben durch die Steuervorrichtung erfasst, die Stellung des
Ventilverschlusses wird abgeleitet und das mit der Stellung des
Ventilverschlusses verknüpfte Ausgangssignal wird von der
Steuervorrichtung ausgegeben.
-
Alternativ
ist eine entgegengesetzte Anordnung des elastischen Glieds und der
Magnetspulen möglich, bei welcher das elastische Glied
den Ventilverschluss in eine teilweise oder die vollständig
geöffnete Stellung drückt. Hierbei handelt es
sich um ein „Normal-Open-Ventil".
-
Bei
der mittels der Steuervorrichtung an die zweite Magnetspule angelegten
zeitlich ändernden Spannung handelt es sich beispielsweise
entweder um eine Gleichspannung mit überlagertem, sich
zeitlich veränderndem Messsignal, eine Gleichspannung mit überlagertem
hochfrequentem Messsignal, eine gepulste Gleichspannung, eine gepulste
Gleichspannung mit überlagertem, sich zeitlich veränderndem Messsignal,
eine gepulste Gleichspannung mit überlagertem hochfrequentem
Messsignal, eine Wechselspannung, eine Wechselspannung mit überlagertem,
sich zeitlich veränderndem Messsignal, eine Wechselspannung
mit überlagertem hochfrequentem Messsignal, oder eine beliebige
zeitlich unkonstante Spannung.
-
Handelt
es sich bei der zweiten Magnetspule um eine Haltespule, ist die
an ihr während des Haltens und Erfassens der Stellung des
Ventilverschlusses angelegte Spannung derart, dass das während des
Haltens unkonstante zweite Magnetfeld stets eine Feldstärke
aufweist, die zum Halten des Ankers in der vorbestimmten Stellung
und somit zum Entgegenwirken gegen die auf den Anker wirkende Kraft, die
insbesondere von dem elastischen Glied hervorgerufen wird, ausreichend
ist. Dies ist insbesondere bei einer ausreichenden Gleichspannung
mit überlagertem, hochfrequentem Messsignal der Fall.
-
Das
bereits in Zusammenhang mit dem Vakuummagnetventil-System beschriebene
Verfahren zur Erfassung der Stellung eines Ventilverschlusses eines
Vakuummagnetventil-Systems ist allgemein ausführbar bei
einem Ventil, dessen Ventilverschluss mittels eines Magnetantriebs
verstellbar ist, wobei der Magnetantrieb eine erste Magnetspule
und eine zweite Magnetspule wie folgt aufweist. Mittels der ersten
Magnetspule ist ein erstes Magnetfeld elektrisch erzeugbar, das
auf einen mit dem Ventilverschluss mechanisch verbundenen ferromagnetischen
Anker wirkt, der entlang einer Verstellachse durch Ändern
des ersten Magnetfelds derart linear bewegbar ist, dass der Ventilverschluss
zwischen einer geschlossenen Stellung und einer offenen Stellung
des Ventilverschlusses linear verstellbar ist. Eine zweite Magnetspule
ist mit der ersten Magnetspule zumindest teilweise über
den bewegbaren Anker induktiv gekoppelt. Mittels der zweiten Magnetspule
ist ein auf den Anker wirkendes zweites Magnetfeld elektrisch erzeugbar.
Zum Erfassen der tatsächlichen Stellung des Ventilverschlusses
wird das zweite Magnetfeld zeitlich verändert. Die in Abhängigkeit
der Stellung des Ankers in die erste Magnetspule durch das sich
zeitlich ändernde zweite Magnetfeld induzierte Spannung
wird erfasst. Aus der induzierten Spannung wird die tatsächliche
Stellung des Ventilverschlusses abgeleitet.
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In
einer Weiterbildung des Verfahrens ist der bei dem Verfahren zum
Einsatz kommende Magnetantrieb derart ausgebildet, dass ein elastisches
Glied den Ventilverschluss in eine erste Stellung drückt, das
erste Magnetfeld der Kraft des elastischen Glieds zum Verstellen
des Ventilverschlusses in eine zweite Stellung entgegenwirkt und
auch das zweite Magnetfeld der Kraft des elastischen Glieds zum
Festhalten des Ventilverschlusses in der zweiten Stellung entgegenwirkt.
Zum Verstellen des Ventilverschlusses von der ersten Stellung in
die zweite Stellung wird zunächst das erste Magnetfeld
mittels der ersten Magnetspule für einen vorgegebenen Zeitabschnitt,
welcher mindestens der Verstelldauer des Ventilverschlusses von
der ersten Stellung in die zweite Stellung entspricht, erzeugt.
Zum Erfassen der tatsächlichen Stellung des Ventilverschlusses
wird im Anschluss das sich zeitlich ändernde zweite Magnetfeld mittels
der zweiten Magnetspule zum Festhalten des Ventilverschlusses in
der zweiten Stellung erzeugt. Nun wird das erste Magnetfelde reduziert,
insbesondere deaktiviert, wobei der Ventilverschluss in der zweiten
Stellung durch das zweite Magnetfeld gehalten wird. Die in die erste
Magnetspule durch das zweite Magnetfeld der zweiten Magnetspule
induzierte Spannung wird erfasst. Aus der induzierten Spannung wird
die tatsächliche Stellung des Ventilverschlusses abgeleitet.
Bei der ersten Stellung handelt es sich beispielsweise um die geschlossene
Stellung und bei der zweiten Stellung um die offene Stellung des
Ventilverschlusses, oder umgekehrt.
-
Das
erfindungsgemässe Vakuumventil wird nachfolgend anhand
von in den Zeichnungen schematisch dargestellten konkreten Ausführungsbeispielen
rein beispielhaft beschrieben. Im Einzelnen zeigen:
-
1 ein
als Vakuummagnet-Eckventil-System ausgebildetes Vakuummagnetventil-System
mit einem Ventilverschluss in geschlossener Stellung und einer Kombinationsspule;
-
2 das
Vakuummagnet-Eckventil-System mit dem Ventilverschluss in offener
Stellung;
-
3 eine
Detailansicht auf den Magnetantrieb mit zwei radial zueinander angeordneten
Magnetspulen;
-
4 eine
Detailansicht auf den Magnetantrieb mit zwei axial entlang der Verstellachse
zueinander versetzten Magnetspulen; und
-
5 ein
als Vakuummagnet-Schieberventil-System ausgebildetes Vakuummagnetventil-System
mit einem Ventilverschluss in geschlossener Stellung und zwei axial
zueinander versetzten Magnetspulen.
-
Die 1 und 2 zeigen
ein als Vakuummagnet-Eckventil-System 1a ausgebildetes
Vakuummagnetventil-System zum im Wesentlichen gasdichten Unterbrechen
eines Fliesswegs F. Da die 1 und 2 dasselbe
Ventil mit unterschiedlichen Stellungen eines Ventilverschlusses 9a zeigen,
werden die beiden Figuren im Folgenden gemeinsam beschrieben.
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In
einem Ventilgehäuse 2a sind ein erster Anschluss 3a in
Richtung einer ersten Achse 4a und ein zweiter Anschluss 5a in
Richtung einer zweiten Achse 6a sowie ein Ventilsitz 7a ausgeformt.
Der Ventilsitz 7a ist in dem Fliessweg F eines Fliessraums
R, der den ersten Anschluss 3a und den zweiten Anschluss 5a miteinander
verbindet, angeordnet. Der Ventilsitz 7a umschliesst den
Fliessraum R im Abschnitt der Mündung des ersten Anschlusses 3a in den
Fliessraum R. Die erste Achse 4a des ersten Anschlusses 3a verläuft
im Wesentlichen senkrecht zu der zweiten Achse 6a des zweiten
Anschlusses 5a.
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Innerhalb
des Fliessraums R-befindet sich ein Ventilverschluss 9a,
der entlang einer Verstellachse 10a derart axial geführt
linear verschiebbar ist, dass eine dem Ventilsitz 7a zugewandte
Verschlussfläche 13a des Ventilverschlusses 9a – zum
im Wesentlichen gasdichten Unterbrechen des Fliesswegs F in einer
geschlossenen Stellung C des Ventilverschlusses 9a – mit
dem Ventilsitz 7a in Kontakt gebracht werden kann ist,
wie in 1 gezeigt, und zum Freigeben des Fliesswegs F
ausser Kontakt gebracht werden kann, wie in der offenen Stellung
O des Ventilverschlusses 9a in 2 gezeigt.
Die Verstellachse 10a verläuft im Wesentlichen
parallel – hier kollinear – zur ersten Achse 4a und
normal zur Verschlussfläche 13a und zum Ventilsitzes 7a.
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Der
Ventilverschluss 9a ist ein Verschlussteller, der innerhalb
des Fliessraums R entlang der Verstellachse 10a senkrecht
zu der Fläche des Ventilsitzes 7a um einen Verstellweg
axial geführt verschiebbar ist. Diese Verstellachse 10a entspricht
im Wesentlichen der ersten Achse 4a. Es ist jedoch alternativ
möglich, dass die erste Achse 3a in eine andere Richtung
verläuft. Durch Verschieben des Ventilverschlusses 9a entlang
der Verstellachse 10a kann die dem Ventilsitz 7a zugewandte,
einen Dichtungskörper in Form eines O-Rings 12a aufweisende
Verschlussfläche 13a des Ventilverschlusses 9a mit
dem Ventilsitz 7a in gasdichten Kontakt gebracht oder ausser
Kontakt gebracht werden.
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Hierzu
ist ein Magnetantrieb 15a an dem Ventilgehäuse 2a angeordnet.
Der Magnetantrieb 15a hat eine erste Magnetspule 16,
die zumindest teilweise rings um einen Ankerraum A angeordnet ist. In
dem Ankerraum A, in dem mittels der ersten Magnetspule 16 ein
erstes Magnetfeld elektrisch erzeugbar ist, ist ein ferromagnetischer
Anker 17a entlang der Verstellachse 10a linear
bewegbar gelagert. Der Anker 17a ist mit dem Ventilverschluss 9a mechanisch
verbunden. Der Ankerraum A ist gasdicht von dem Fliessraum R mittels
eines Faltenbalgs 11a getrennt. Durch Ändern – insbesondere
Aktivieren oder Deaktivieren – des ersten Magnetfelds ist
der Anker 17a derart linear bewegbar, dass der mit dem
Anker gekoppelte Ventilverschluss 9a zwischen der geschlossenen
Stellung C, wie in 1 gezeigt, und einer den Fliessweg
F freigebenden offenen Stellung O, wie in 2 veranschaulicht,
linear verstellbar ist.
-
Ein
elastisches Glied in Form einer Spiralfeder 8a drückt
den Ventilverschluss 9a in die geschlossene Stellung C
und somit die Verschlussfläche 13a mit ihrem O-Ring 12a auf
den Ventilsitz 7a, so dass das Ventil gasdicht verschlossen
ist. Das durch die erste Magnetspule 16 hervorgerufene
erste Magnetfeld wirkt der Federkraft der Spiralfeder 8a zum Öffnen
des Ventils, also beim Verstellen des Ventilverschlusses 9a in
die offene Stellung O, entgegen, wie in 2 gezeigt,
in welcher eine Zustand dargestellt ist, bei welchem die erste Magnetspule 16 im
Gegensatz zu dem in 1 gezeigten Zustand aktiviert
ist.
-
Mittels
einer Steuervorrichtung 20, die mit der ersten Magnetspule 16 derart
elektrisch verbunden und derart ausgebildet ist, dass das erste
Magnetfeld veränderbar ist, kann der Verschlussteller 9a zumindest
von der geschlossenen Stellung C, 1, in die
geöffnete Stellung O, 2, und umgekehrt verstellt
werden. Die Steuervorrichtung ist eine Einrichtung zur Spannungsmodulation
und Spannungsmessung mit elektrischen Ein- und Ausgängen,
insbesondere eine speicherprogrammierbare Steuerung.
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Der
Magnetantrieb 15a umfasst ausser der ersten Magnetspule 16 auch
eine zweite Magnetspule 18, die mit der ersten Magnetspule 16 über
den bewegbaren Anker 17a induktiv gekoppelt ist. Mittels der
zweiten Magnetspule 18 ist ein in dem Ankerraum A wirkendes
zweites Magnetfeld elektrisch erzeugbar.
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Die
erste Magnetspule 16 und die zweite Magnetspule 18 sind
als eine gemeinsame Kombinationsspule 19 mit einer ersten
Wicklung, welche die erste Magnetspule 16 bildet, und einer
zweiten Wicklung, welche die zweite Magnetspule 18 bildet,
ausgeformt. Da die erste Wicklung und die zweite Wicklung in der
Kombinationsspule 19 gemeinsam untergebracht und graphisch
nicht voneinander trennbar sind, wurde auf eine gesonderte Darstellung
der beiden von Wicklungen der Kombinationsspule 19 gebildeten
ersten und zweiten Magnetspule 16 und 18 aus Darstellungsgründen
in den 1 und 2 verzichtet.
-
Die
Steuervorrichtung 20 ist mit der ersten Magnetspule 16 und
der zweiten Magnetspule 18 derart elektrisch verbunden
und derart ausgebildet, dass sich zum Erfassen der Stellung des
Ventilverschlusses 9a das zweite Magnetfeld zeitlich ändert. Dies
erfolgt insbesondere durch Anlegen einer Gleichspannung mit überlagertem,
sich zeitlich veränderndem Messsignal, einer Gleichspannung
mit überlagertem hochfrequentem Messsignal, einer gepulste
Gleichspannung, einer gepulste Gleichspannung mit überlagertem,
sich zeitlich veränderndem Messsignal, einer gepulste Gleichspannung
mit überlagertem hochfrequentem Messsignal, einer Wechselspannung,
einer Wechselspannung mit überlagertem, sich zeitlich veränderndem
Messsignal, oder einer Wechselspannung mit überlagertem
hochfrequentem Messsignal an die zweite Magnetspule 18.
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Die
Steuervorrichtung 20 erfasst die in Abhängigkeit
der Stellung des Ankers 17a im Ankerraum A in die erste
Magnetspule 16 durch das sich zeitlich ändernde
zweite Magnetfeld induzierte Spannung. Aus der induzierten Spannung
wird die Stellung des Ventilverschlusses 9a abgeleitet
und ein mit der Stellung des Ventilverschlusses 9a verknüpftes Ausgangssignal
Z in Form einer Anzeige und/oder eines elektrischen Signals ausgegeben.
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Die
zweite Magnetspule 18 ist derart ausgebildet und angeordnet,
dass das durch die zweite Magnetspule 18 in dem Ankerraum
A wirkende zweite Magnetfeld der Kraft des elastischen Glied derart
entgegenwirkt, dass der Ventilverschlusses 9a in der geöffneten
Stellung O, 2, ohne Wirken des ersten Magnetfeldes
festgehalten werden kann. Zum Verstellen des Ventilverschlusses 9a von
der geschlossenen Stellung C, 1, in die
offene Stellung O, 2, wird das erste Magnetfeld
mittels der ersten Magnetspule 16 für einen vorgegebenen
Zeitabschnitt erzeugt. Zum Festhalten des Ventilverschlusses 9a in
der offenen Stellung O, 2, nach dem vorgegebenen Zeitabschnitt
wird das sich zeitlich ändernde zweite Magnetfeld mittels
der zweiten Magnetspule 18 erzeugt und das erste Magnetfeld
reduziert – insbesondere deaktiviert. Das von der zweiten Magnetspule 18 erzeugte
zweite unkonstante Magnetfeld ist in der offenen Stellung O des
Ventilverschlusses, wie in 2 gezeigt,
stets ausreichend, um der Federkraft der Spiralfeder 8a entgegen
zu wirken und ohne Wirken einer magnetischen Kraft durch die erste
Magnetspule den Ventilverschluss 9a in der offenen Stellung
O zu halten.
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Die
elektrische Leistung der ersten Magnetspule 16 ist grösser
als die der zweiten Magnetspule 18. Insbesondere beträgt
sie mindestens das 10-fache, im Speziellen mindestens das 30-fache
der elektrischen Leistung der zweiten Magnetspule 18. Beispielsweise
beträgt die Windungszahl der zweiten Magnetspule 18 mindestens
das 3-fache der Windungszahl der ersten Magnetspule 16.
Da die Verstellkräfte des Ventilverschlusses 9a wesentlich
grösser sind als die Haltekräfte, kann durch die
beschriebene Verwendung zweier Spulen in der offenen Stellung zum
Halten des Ventilverschlusses eine wesentlich kleinere und leistungsschwächere
Spule verwendet werden, wodurch ein allzu grosses Aufheizen des Magnetantriebs,
ein gesteigerter Verschleiss sowie ein unnötiger Energieverbrauch
verhindert wird.
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Die 3 und 4 zeigen
eine Detailansicht auf eine alternative Ausführungsform
eines Magnetantriebs 15a, der anstelle des in den 1 und 2 gezeigten,
eine Kombinationsspule 18 aufweisenden Magnetantriebs zwei
voneinander getrennte Magnetspulen 16 und 18 besitzt.
Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform
ist die zweite Magnetspule 18 im Wesentlichen koaxial zur
ersten Magnetspule 16. Die zweite Magnetspule 18 umschliesst
die erste Magnetspule 16 ringsum. Beide Magnetspulen 16 und 18 sind
konzentrisch zueinander um eine gemeinsame Achse, nämlich
um die Verstellachse 10a, angeordnet. Die Ausführungsform
von 4 sieht eine axial entlang der Verstellachse 10a zueinander versetzte
Anordnung der ersten Magnetspule 16 und der zweiten Magnetspule 18 vor,
wobei sich die erste Magnetspule 16 auf der zum Ventilgehäuse 2a weisenden
Seite und die zweite Magnetspule 18 auf der nach aussen
weisenden Seite des Magnetantriebs 15a befindet.
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5 zeigt
eine alternative Ausführungsvariante des Vakuummagnetventil-Systems,
das hier als Vakuummagnet-Schieberventil-System 1b ausgebildet
ist.
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Die
erste Achse 4b des ersten Anschlusses 3b im Ventilgehäuse 2b verläuft
im Wesentlichen parallel zu der zweiten Achse 6b des zweiten
Anschlusses 5b. Die erste und zweite Achse 4b und 6b sind eine
identische Achse, verlaufen also kollinear. Der Ventilverschluss 9b ist
ein so genannter Schieber, der eine Keilform besitzt und der quer
zum Fliessweg F in den Fliessraum R zum Schliessen des Ventils schiebbar
ist. Die Verstellachse 10b des Ventilverschlusses 9b verläuft
im Wesentlichen senkrecht zur ersten Achse 4b und zur zweiten
Achse 6b. Der erste Anschluss 3b und der zweite
Anschluss 5b sind geradlinig durch den rohrförmigen
Fliessraum R verbunden, der durch den quer in den Fliessraum R und normal
zu der ersten und zweiten Achse 4b und 6b schiebbaren
Schieber blockiert werden kann. In 5 ist die
geschlossene Stellung des Ventilverschlusses 9b gezeigt,
bei welcher der Fliessweg F gasdicht unterbrochen ist. Die Verschlussfläche 13b und
die Fläche des Ventilsitzes 7b verlaufen nahezu – jedoch
aufgrund der Keilform des Ventilverschlusses 9b und des
Ventilsitzes 7b nicht vollkommen – normal zur
ersten und zweiten, Achse 4b und 6b sowie zum
Fliessweg F.
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Eine
Spiralfeder 8b drückt den Ventilverschluss 9b in
die in 5 gezeigte geschlossene Stellung C. Mittels des
dem in 4 funktional entsprechenden Magnetantriebs 15b,
der mit der Steuervorrichtung 20 in Signalverbindung steht,
kann der Ventilverschluss 9b über den ferromagnetischen
Anker 17b in die nicht dargestellte offene Stellung O mittels
der ersten Magnetspule 16 verstellt und in dieser offenen
Stellung O mittels der zweiten Magnetspule 18 gehalten
werden, wobei auf die in Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform
beschriebene Weise das Erfassen der tatsächlichen Stellung
des Ventilverschlusses 9b mittels der ersten und zweiten Magnetspule 16 und 18 sowie
der Steuervorrichtung 20 erfolgt.
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Der
Ankerraum A ist gasdicht nach aussen verschlossen, jedoch atmosphärisch
mit dem Fliessraum R verbunden. Die erste Magnetspule 16 und
die zweite Magnetspule 18 sind gasdicht von dem Ankerraum
A getrennt.
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Anstelle
eines als Keilschieber ausgebildeten Ventilverschlusses
9b kann
auch ein nicht keilförmiger Schieber verwendet werden,
bei welchem der Schliess- und Dichtvorgang über eine einzige
lineare Bewegung erfolgt. Ein solches Ventil ist beispielsweise
das unter der Produktbezeichnung „MONOVAT Reihe 02 und
03" bekannte und als Rechteckinsertventil ausgestaltete Transferventil
der Firma VAT Vakuumventile AG in Haag, Schweiz. Der Aufbau und die
Funktionsweise eines solchen Ventils werden beispielsweise in der
US 4,809,950 (Geiser) und
der
US 4,881,717 (Geiser) beschrieben.
Alternativ können andere linear verstellbare Ventile in
das erfindungsgemässe Vakuummagnetventil-System eingebunden werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 6717332 [0006]
- - DE 2251472 [0011]
- - DE 3326605 [0012]
- - DE 102005038934 [0013]
- - EP 0369918 B1 [0014]
- - JP 2006275235 [0015]
- - US 4809950 [0070]
- - US 4881717 [0070]