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Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung einer Vakuumkammer gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Vakuumkammer.
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Ein einzelnes Ventil der Anordnung ist vorgesehen, einen Gasfluss zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Vakuumkammer zu verhindern oder zuzulassen. Das Ventil unterstützt beispielsweise das Evakuieren und Belüften der Vakuumkammer indem es geschlossen bzw. geöffnet wird. Evakuieren und Belüften sind Vorgänge, die wegen des Vakuums bei unterschiedlichen Vakuumkammern zur Anwendung kommen können. Bei der hier gemeinten Vakuumkammer handelt es sich eine solche, bei der das Evakuieren/Belüften zumeist zeitzyklisch in einer sog. Taktzeit erfolgt. Die Taktzeit bemisst sich danach, nach welcher zeitlichen Dauer ein Verfahrensschritt beim Evakuieren/Belüften erneut endet oder beginnt. Ein solcher Verfahrensschritt könnte sein, dass das Ventil vor dem Evakuieren gerade verschlossen wurde, oder, dass das Ventil gerade geöffnet wurde, um nachfolgend zu Belüften.
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In eine hochproduktive Anlage zur Vakuumbehandlung, ist zumeist mehr als eine Vakuumkammer eingebunden, bei der die Taktzeit des Evakuierens/Belüftens kleiner ist als eine Minute und zumeist noch kleiner ist als 100, 50 und 30 Sekunden. Gemeint ist eine Vakuumkammer, die als sog. Schleusenkammer fungiert. Üblicherweise befindet sich eingangs und ausgangs einer Anlage eine Schleusenkammer (Eingangsschleuse, Ausgangsschleuse). Dass ist beispielsweise dann der Fall, wenn es sich bei der Anlage um eine Durchlaufbeschichtungsanlage für Glasscheiben (größer gleich 1 m × 1 m; bis 3 m × 6 m) handelt. Die Schleusenkammer ist in diesem Anwendungsfall dafür vorgesehen, ein großflächiges Substrat wie die besagte Glasscheibe, durch eine erste Durchführung aus einer (eingangs) atmosphärischen oder (ausgangs) subatmosphärischen Umgebung aufzunehmen, das Substrat in der evakuierbaren Kammer gasdicht einzuschließen, anschließend den Druck in der Kammer bis auf (eingangs) subatmosphärischen oder (ausgangs) atmosphärischen Druck anzugleichen und das Substrat durch eine Durchführung an eine Umgebung mit (eingangs) subatmosphärischen oder (ausgangs) atmosphärischen Druck abzugeben. Im Anschluss an das aufgezeigte Evakuieren (eingangs) oder Belüften (ausgangs) wird in der Schleusenkammer ein (eingangs) atmosphärischer oder (ausgangs) subatmosphärischer Druck wiederhergestellt. Der Zweck der Schleusenkammer besteht einfach gesagt darin, das Substrat in die bzw. aus der Anlage zu bringen, wobei um das Substrat herum ein Druckwechsel zwischen Normaldruck und Vakuum vollzogen wird.
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Dadurch lässt sich das in der Anlage vorherrschende Vakuum leichter gleichmäßig und beständig gestalten.
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Eine Vakuumkammer 14 in der Funktion einer Schleusenkammer 14, wie aus dem Stand der Technik bekannt, ist in der 1 gezeigt. Die Schleusenkammer 14 weist zwei gegenüberliegende Durchlassöffnungen 10 für das Substrat 8 auf. Beide Durchlassöffnungen 10 sind mit einen Substratventil 9 verschleißbar. Das Substratventil 9 kann beispielsweise als Klappenventil, wie gezeigt, oder auch als Schieberventil ausgeführt sein. Nachdem das Substrat 8 mittels des Transportsystems 11 und in der Transportrichtung 12 in die Schleusenkammer 14 hinein gelangt ist, erfolgt das Evakuieren oder Belüften. Das entscheidet sich danach, ob es sich um eine Schleusenkammer 14 eingangs beziehungsweise ausgangs der Anlage handelt. Nachfolgendes bezieht sich beispielhaft auf das Evakuieren einer Eingangsschleuse. Dazu wird das linke Substratventil 9 sowie das Ventil 2 verschlossen, wobei das rechte Substratventil 9 bereits verschlossen war. Mittels der Vakuumpumpen 13 wird im Anschluss im Inneren der Vakuumkammer 14 Vakuum ausgebildet, sodass dort ein subatmosphärischer Druck vorherrscht. Ist ein vorgegebener (subatmosphärischer) Druck erreicht, wird das rechte Substratventil 9 und das Substrat 8 mittels des Transportsystems 11 in Transportrichtung 12 aus der Schleusenkammer 14 heraus bewegt, wo es auf einem nächsten hier nicht dargestellten Transportsystem in eine (rechts) angrenzende Vakuumkammer hinein fährt.
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Das rechte Substratventil 9 schließt und die Vakuumpumpen 13 stellen die Pumpfunktion ein. Es folgt die Gaszufuhr 6, indem über das Stellglied 3 das Ventil 2 vom einem geschlossen in einen geöffneten Zustand gebracht wird. Sobald annähernd Normaldruck (atmosphärischer Druck) in der Vakuumkammer 14 vorherrscht, kann das linke Substratventil 9 geöffnet und ein nächstes Substrat 8 in die Schleusenkammer 14 eingefahren werden. Sodann das linke Substratventil 9 sowie das Ventil 2 verschlossen ist, ist zwischen dem ersten und diesem zweiten Ereignis die Taktzeit vergangen.
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Mit dem Erreichen einer höheren Produktivität einer Anlage geht auch die höhere Beanspruchung eines Ventils einher. Die Beanspruchung des Ventils besteht überwiegend in der Häufigkeit des Öffnens und Schließens. Das Ventil unterbindet im geschlossen Zustand, dass Luft oder ein anderes gasförmiges Medium in die Vakuumkammer eindringen kann. Dabei wirken sich schon geringste Leckstellen als erheblich nachteilig aus. Neben der Dichtheit des Ventils kommt es wegen des Druckunterschiedes zwischen Vakuum und Atmosphäre auch auf die mechanische Stabilität des Ventils an. Dagegen soll das Ventil im geöffneten Zustand eine möglichst große Gasmenge durchlassen. Bei einer kürzeren Taktzeit (Belüften/Evakuieren) ist das Ventil nach einer kürzeren Betriebsdauer verschlissen und daher auszutauschen. Das ist wiederum damit verbunden, dass die Anlage außer Betrieb genommen werden muss. Eine Außerbetriebnahme ist planmäßig nach einer festgelegten Betriebsdauer der Fall (Wartungsfenster). Es ist das Bedürfnis entstanden, den Wartungszyklus für ein Ventil signifikant zu verlängern sowie den Wartungsaufwand zeitlich zu konzentrieren.
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Diesem Bedürfnis kommt als Lösung eine Ventilanordnung einer Vakuumkammer sowie in eine Vakuumkammer gemäß der unabhängigen Ansprüche entgegen, wozu die abhängigen Ansprüche vorteilhafte Ausgestaltungsformen aufzeigen.
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Die Ventilanordnung weist eine Ventilgruppe, d.h. eine Gruppe von Ventilen mit mindestens einem Ventil. Das Ventil weist ein Stellglied zum Einstellen eines Gasdurchlasses – Volumen pro Zeit – des Ventils auf, wobei der Gasdurchlass bei geöffneten Ventil ein ventilspezifischer Ventildurchlass und bei geschlossenem Ventil Null ist. Der Gasdurchlass ist so einstellbar, dass er einen zeitlich begrenzten Druckausgleich von einem ersten Druck zu einem zweiten Druck zulässt oder verhindert. Dabei ist der erste Druck einer im Bereich des Vakuums und der zweite Druck größer als der erste Druck und bevorzugt Normaldruck. Dabei ist der summarische Ventildurchlass einer Ventilgruppe ein Gruppendurchlass. Das Ventil, meint jedes Ventil, der Ventilgruppe ist beim zugelassenen Druckausgleich geöffnet und beim verhinderten Druckausgleich geschlossen. Letzteres meint also zwei markante Zustände der Ventilgruppe: den zum Zulassen und den zum Verhindern des Druckausgleichs.
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Kennzeichnend ist, dass die Ventilanordnung neben der ersten Ventilgruppe mindestens eine zusätzliche Ventilgruppe aufweist und dass die Ventilanordnung eine Umschalteinheit zum Einstellen der Stellglieder aufweist, wobei mittels der Umschalteinheit der Druckausgleich eine der Ventilgruppen derart ausgewählt ist, dass deren Stellglied gemäß dem Druckausgleich eingestellt ist.
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Mit anderen Worten sind neben den Ventilen, die zu einem Druckausgleich allesamt benötigt werden und die als Ventilgruppe zu verstehen sind, weitere redundante Ventile im Sinne einer zusätzlichen Ventilgruppe vorgesehen. Das an sich schafft erst einen signifikanten Vorteil, wenn bei einem Druckausgleich zwischen der ersten Ventilgruppe und der zusätzlichen Ventilgruppe sozusagen wahlweise gewechselt werden kann, wozu die Umschalteinheit bereitgestellt ist. Gemäß dem Druckausgleich soll sagen, dass je nachdem, ob ein zugelassener oder ein verhinderter Druckausgleich angestrebt wird, das Ventil mittels des Stellgliedes geöffnet oder geschlossen ist. Das Stellglied einer Ventilgruppe meint auch eine Mehrzahl von Stellgliedern. Welches Stellglied welches Ventilgruppe zuzuordnen ist, deckt sich daher mit der Zuordnung des Ventils zur Ventilgruppe, da pro Ventil ein Stellglied vorgesehen ist.
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Die sog. ausgewählte Ventilgruppe kann auch als aktive Ventilgruppe in dem Sinne verstanden werden, dass deren Ventile aktiv zumindest durch einen eingestellten oder veränderten Gasdurchlass den Druckausgleich zulassen, während die passive(n) Ventilgruppe(n) einen unveränderten Gasdurchlass beibehält bzw. -behalten.
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Der gewonnene Vorteil ist der, dass nicht das einzelne ggf. verschlissene oder defekte Ventil den Anlass liefert, die Anlage und insbesondere die Ventile mit Montageaufwand durch Austausch der Ventile zu warten, sondern, dass die Umschalteinheit gezielt Einfluss auf den Verschleiß eines Ventils nehmen kann.
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Es kann zweckmäßig sein, dass das Ventil der ersten Ventilgruppe seriell zu dem Ventil der zusätzlichen Ventilgruppe angeordnet ist. Das schafft die Flexibilität, dass ein Ventil mit einem hohen Verschleiß oder mit einer bereits erkannten Leckstelle weniger häufig oder gar nicht mehr betätigt wird. Das Ventil der ausgewählten oder auch aktiven Ventilgruppe wird geöffnet und geschlossen, während das Ventil der passiven Ventilgruppe geöffnet bleibt.
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In weiterer Ausgestaltung der Ventilanordnung ist das Ventil der ersten Ventilgruppe parallel zu dem Ventil der zusätzlichen Ventilgruppe angeordnet. Das bietet sich an, wenn sich der Verschleiß der Ventile möglichst gleichzeitig einstellen wird oder soll. Das Ventil der ausgewählten oder aktiven Ventilgruppe wird geöffnet und geschlossen, während das Ventil der passiven Ventilgruppe geschlossen bleibt.
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In weiterer Ausgestaltung der Ventilanordnung ist die Umschalteinheit derart ausgeführt, dass die zum Druckausgleich ausgewählte Ventilgruppe wechseln kann. Dahinter steht der Gedanke den Wechsel der aktiven Ventilgruppe als regelmäßiges Ereignis in der Umschalteinheit zu konfigurieren.
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In weiterer Ausgestaltung der Ventilanordnung ist die Umschalteinheit derart ausgeführt, dass die zum Druckausgleich ausgewählte Ventilgruppe zeitzyklisch wechseln kann. Der besagte Wechsel ließe sich demnach nach einer einfachen Regel an der Zeit festmachen.
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In weiterer Ausgestaltung der Ventilanordnung sind die Ventile in gleicher Bauart und Anzahl ausgeführt. Das stellt eine Vereinfachung der Ausgestaltung dar, bei der u.a. die Gruppendurchlässe, d.h. der summarische Ventildurchlass, also der maximale Gasdurchlass der Gesamtheit der Ventile einer Ventilgruppe, gleich sind.
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In weiterer Ausgestaltung der Ventilanordnung sind die Ventile derart dimensioniert, dass ein Gruppendurchlass von 0,1 Nm3/s bis 2 Nm3/s erreichbar ist.
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Die hier verwendete Einheit (Nm3/s) ist u.a. für die Angabe eines Gasdurchlasses eines Ventils üblich. Mit m3/s ist unmissverständlich ein Volumen pro Zeit gemeint. Der Buchstabe N steht (nicht für die physikalische Einheit Newton) für Normaldruck. Somit ist angezeigt, dass ein Gasdurchlass unter einer standardisierten Bedingung gemeint ist. Die aufgezeigte Größenordnung nimmt Bezug auf derartige Anlagen, bei denen sich der Druckausgleich in einer Vakuumkammer so vollzieht, dass ein Volumen zwischen 100 l und 1000 l innerhalb 1 sec bis 10 sec die Ventile der Ventilgruppe durchfließt. Anhand von Volumen und Zeit ist ein durchschnittlicher Gasdurchlass der Ventilanordnung bestimmbar, der auf den Gruppendurchlass sowie auf die ventilspezifischen Gasdurchlässe schließen lässt. Eine einfache Bezugsgröße ist auch der Querschnitt des Ventils, wozu noch Angaben folgen. Bei der Betrachtung des Querschnitts wird beispielsweise die Strömungscharakteristik des Ventils außer Acht gelassen.
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In weiterer Ausgestaltung der Ventilanordnung ist eine Ventilgruppe als eine Baugruppe derart ausgeführt, dass die Baugruppe zumindest eine Gasleitung zum Gasdurchlass sowie die Gasleitung mindestens ein trennbares Verbindungsstück zum Verbinden mit der Vakuumkammer, mit einer Vakuumpumpe oder mit einem Gasbehälter aufweist. Es könnten beispielsweise die Ventile einer Ventilgruppe mit einer gemeinsamen Gasleitung verbunden sein. Die Gasleitung wäre zwischen Vakuumkammer und Verbindungsstück mit dem Absperrventil verschließbar und an dem Verbindungsstück trennbar. Sofern die Ventile der Baugruppe in einer passiven Ventilgruppe fungieren, sollte es im laufenden Anlagenbetrieb möglich sein, das Bauteil auszutauschen. Der Gasbehälter ist bereitgestellt, um das Gas zum Belüften vorzuhalten. Der Druck im Gasbehälter kann auch über Normaldruck liegen.
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In weiterer Ausgestaltung der Ventilanordnung ist zwischen einem Verbindungsstück und einem Ventil ein zusätzliches Absperrventil angeordnet. Das Absperrventil kann für die nachfolgenden Ausgestaltungen zweckmäßig sein.
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In weiterer Ausgestaltung der Ventilanordnung ist zwischen dem Verbindungsstück und bevorzugt zwischen dem Absperrventil und einem Ventil oder zwischen zwei Ventilen ein Anschlussstutzen für ein Prüfgerät zur Dichteprüfung des Ventils vorgesehen. Damit ist eine Vorkehrung getroffen, die es erlaubt, jedes einzelne Ventil auf Dichtheit und letztlich auf Verschleiß prüfen zu können, ohne dass das Ventil aus Anordnung ausgebaut werden muss. Der Anschlussstutzen kann als sog. T-Stück ausgeführt sein.
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In weiterer Ausgestaltung der Ventilanordnung kann als Ventil eine Schieberventil oder ein Klappenventil zum Einsatz kommen. Zudem eignen sich auch sog. Schmetterlingsventile.
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In weiterer Ausgestaltung der Ventilanordnung kann das bei der Gaszufuhr zugeführte Gas Luft sein. Bevorzugt wird aufbereitete Luft verwendet, die beispielsweise einen verringerten Wassergehalt aufweist oder vortemperiert ist. Bei dem Gas kann es sich aber auch um Stickstoff oder andere gasförmige Substanzen handeln. Das Gas kann den Ventilen also auch über Leitungen, die an Vorratsbehälter/Gasbehälter angeschlossen sind, zugeführt werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Ventilanordnung ist das Verbindungsstück mit einem Flanschanschluss für Flanschanschlüsse zwischen DN40 und DN250 ausgeführt. Flanschanschlüsse in der Vakuumtechnik sind zumeist einheitlich ausgeführt (genormt). Die gemachten Angaben DN meinen sog. Normdurchmesser (innen) in mm. Annähernd gleich den Durchmessern oder Querschnitten der Flanschanschlüsse und Gaskanäle sind üblicherweise auch die Ventile ausgelegt. Demnach kommen Durchmesser zwischen 40 mm und 250 mm in Betracht, wobei es auch Flanschanschlüsse und Ventile DN600 gibt, die auch zum Einsatz kommen können. Die größeren Durchmesser sind eher den Anschlüssen von Hochvakuumpumpen (z.B. Turbomolekularpumpen) vorbehalten. Zur Gaszufuhr beim Belüften genügen die kleineren Durchmesser wegen des hohen Druckunterschiedes.
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Die Vakuumkammer ist zum Schleusen eines Substrates eingangs und/oder ausgangs in einer Anlage zum Behandeln eines Substrates bereitgestellt.
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Die Vakuumkammer weist auf:
- • mindestens eine Vakuumpumpe zum Evakuieren der Vakuumkammer,
- • eine oben beschrieben Ventilanordnung (nach einem der Ansprüche 1 bis 10) zum Belüften und/oder, eine weitere Ventilanordnung (nach einem der Ansprüche 1 bis 10) zum gasdichten Verschließen der Vakuumpumpe beim Belüften,
- • eine durch die Vakuumkammer verlaufend angelegte Transportvorrichtung zum Bewegen des Substrates,
- • mindestens eine erste und eine zweite in der Wand der Vakuumkammer gegenüberliegend angeordnete Durchlassöffnung zum Durchlassen und Übergeben des Substrates an die oder von der Transportvorrichtung von beziehungsweise an mindestens eine an die Vakuumkammer angrenzende Transportvorrichtung und
- • ferner aufweisend mindestens ein Substratventil zum gasdichten Verschließen der Durchlassöffnung.
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Der Vorteil der Ventilanordnung kommt bei einer Vakuumkammer zum Tragen, die als Schleusenkammer ausgebildet ist. Anders betrachtet ist eine Vakuumkammer, die als Schleusenkammer mit der Ventilanordnung ausgebildet ist, zweckmäßig.
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Mit der Ventilanordnung lässt sich das Belüften an sich vorteilhafter gestalten.
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Zum einen kann die Ventilanordnung in der Gasleitung für die Gaszufuhr zum Belüften vorgesehen sein, aber auch die weitere Ventilanordnung in der Gasleitung zwischen der Vakuumkammer und der Vakuumpumpe. Es können an einer Vakuumkammer diese beiden Varianten oder nur eine von beiden vorzufinden sein. Die Ventilanordnung in der Gaszufuhr dichtet bei hohem Verschleiß pro Ventil länger. Die weitere Ventilanordnung zum gasdichten Verschließen der Vakuumpumpe soll verhindern, dass der Einlass einer Turbomolekularpumpe atmosphärischen Druck ausgesetzt wird. Unter einer Gasleitung kann neben einer kanalartigen Leitung auch ein Flanschanschluss, wie bei Vakuumanlagen üblich, verstanden werden. In weiterer Ausgestaltung der Vakuumkammer kann die Vakuumkammer ein zu evakuierndes Volumen von mindestens 0,1 m3 bis zu 4 m3 aufweisen.
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Weitere Vorteile lassen sich bei entsprechend „großen“ Schleusenkammern (für 25m2-Substrate) mit den aufgezeigten Volumina gewinnen.
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In weiterer Ausgestaltung der Vakuumkammer kann die Vakuumkammer eine derartige Ventilanordnung aufweisen, mittels der ein oben beschriebener Druckausgleich (gemäß Anspruch 1) innerhalb von maximal 2 sec und vorzugsweise innerhalb weniger als 1 sec vollzogen werden kann.
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Weitere Vorteile lassen sich bei Schleusenkammern ermitteln, die zum Druckausgleich, von Vakuum auf Normaldruck, mit Gas gefüllt werden müssen und das in vergleichsweise kurzer Zeit. Das meint Gasdurchlässe von 100 l pro Sekunde bis zu 500 l pro Sekunde.
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Nachfolgend sollen die Ventilanordnung sowie die Vakuumkammer anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden. Dazu zeigen die Zeichnungen wie folgt:
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1 Ventilanordnung sowie Vakuumkammer (Stand der Technik)
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2 Ventilanordnung sowie Vakuumkammer mit seriell angeordneten Ventilgruppen
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3 Ventilanordnung sowie Vakuumkammer mit parallel angeordneten Ventilgruppen
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4 Tabellen zum Schaltverhalten der Ventile
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Hinsichtlich einer Erläuterung zur 1 wird auf den einleitenden Teil der Beschreibung verwiesen, in dem die Probleme des Standes der Technik diskutiert sind.
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In der 2 ist eine Vakuumkammer 14 in der Funktion einer Schleusenkammer 14 gezeigt. Die Schleusenkammer 14 weist zwei gegenüberliegende Durchlassöffnungen 10 für das Substrat 8 auf. Beide Durchlassöffnungen 10 sind mit einen Substratventil 9 verschleißbar. Das Substratventil 9 kann beispielsweise als Klappenventil, wie gezeigt, oder auch als Schieberventil ausgeführt sein. Nachdem das Substrat 8 mittels des Transportsystems 11 und in der Transportrichtung 12 in die Schleusenkammer 14 hinein gelangt ist, erfolgt das Evakuieren oder Belüften, wie bereits zur 1 beschreiben. Für das Evakuieren sind die Vakuumpumpen 13 vorgesehen und für das Belüften ist die Ventilanordnung 1 bereitgestellt.
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Der Vorgang des Belüftens wird hier als Druckausgleich bezeichnet. Zum Druckausgleich liegen anfangs zwei Drücke (Vakuum und Normaldruck) vor; ein Druck in einem ersten Behälter (Vakuum) und der zweite Druck (Normaldruck) entweder in einem weiteren Behälter oder in der Umgebung des ersten Behälters. Durch einen Leitungsquerschnitt hindurch findet also ein Gasdurchlass, hier als eine Gaszufuhr 6 zumindest in den ersten Behälter hinein satt. Der Druckausgleich vollzieht sich über eine Zeit, die zwischen dem Einsetzen des Gasflusses bis dahin, dass der zweite Druck im Behälter in Etwa erreicht ist, vergeht. Derartige Zeiten (Belüftungszeiten) sind kalkulatorisch bestimmbar und dass insbesondere anhand von Leitungs- und Ventilquerschnitten.
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Während des Druckausgleichs stellt sich anfangs eine signifikante Gaszufuhr 6 ein.
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Die hier für den Druckausgleich bereitgestellte Ventilanordnung 1 weist zunächst ein erstes Ventil 2 (unten) und ein zweites Ventil 2 (oben) auf. Gezeigt ist auch (siehe Klammern), dass das erste Ventil 2 zu der ersten Ventilgruppe 4 gehört und das zweite Ventil 2 zu der zweiten (zusätzlichen) Ventilgruppe 5. Nach dem Prinzip der Gruppenbildung von Ventilen, ist es zunächst nicht mehr entscheidend, wie viele Ventile 2 zu einer Ventilgruppe 4 oder 5 gehören. Maßgeblich ist, dass mit einer der Ventilgruppen 4 oder 5 ein durch Volumen und Zeit vorbestimmter Druckausgleich realisierbar ist, und dass die Ventile 2 einer Ventilgruppe 4 oder 5 in Etwa gleichzeitig entweder öffnen oder schließen. Es ist nicht völlig ausgenommen, dass ein Ventil 2 in zwei oder mehreren Ventilgruppen agiert oder diesen zugehörig ist.
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Das Zusammenfassen von Ventilen 2 zu Ventilgruppen 4 oder 5 obliegt der Umschalteinheit 7. Damit die Umschalteinheit 7 das Ventil 2 einstellen kann, ist ein Stellglied 3 vorgesehen. Die Funktion des Stellgliedes 3 wird darin gesehen, die mechanische Kraft, die zum Stellen des Ventils 2, d.h. zum Bewegen von Klappe, Schieber usw. benötigt wird, an beispielweise Klappe oder Schieber zu übertragen. Das Stellglied 3 kann je nach Ausführung gänzlich unterschiedlich eingestellt oder betätigt werden. Als erstes Beispiel soll ein mechanisches Bedienelement wie ein Hebel, eine Welle oder Dergleichen genannt sein. Mit dem Stellglied 3 könnte auch eine Hydraulikleitung verbunden sein. Die möglicherweise häufig angewandte Form ist darin zu sehen, dass das Stellglied 3 über eine elektrische Leitung und optional über eine Datenleitung oder Steuerleitung mit der Umschalteinheit 7 verbunden ist.
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Die primäre Aufgabe der Umschalteinheit 7 ist es, zu einem Zeitpunkt des Belüftens die Wahl der aktiven Ventilgruppe 4 oder 5 vorzunehmen und demnach die Ventile 2 einzustellen usw. Das kann mittels eines hydraulischen, mechanischen oder elektrischen Umschalters erfolgen. Kombinationen daraus wie elektromechanische Mittel sind denkbar. Eine mögliche Variante kann aber auch die sein, dass die Umschalteinheit 7 Bestandteil einer zentralen Anlagensteuerung ist. Dass bietet sich insofern an, da die Anlagensteuerung Einfluss auf das Ein- und Ausschalten der Vakuumpumpen 13, auf das Öffnen und das Schließen der Substratventile 9 und auf das Transportsystem 11 nimmt sowie eben auch auf das Öffnen und das Schließen der Ventile 2 zum Belüften. Im einfachsten Fall ist für die Anpassung der Anlagensteuerung eine erweiterte Softwareimplementierung erforderlich.
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Die Funktion der Umschalteinheit 7 lässt folgende Schritte zu: das Wählen der aktiven Ventilgruppe 5, das Ermitteln der einzustellenden Ventile 2 und das Vorgeben der Ventilzustände nach der vorstehenden Abhängigkeit. Dem Vorgeben der Ventilzustände folgt das Einnehmen der Ventilzustände, wozu das Stellglied 3 vorgesehen ist. In Abhängigkeit der eingesetzten Mittel (hydraulisch, mechanische und/oder elektrisch) wird das Stellglied 3 unterschiedlich ausgeführt und angeordnet sein. Unabhängig von der konkreten technischen Umsetzung, zeigt sich der Einsatz der Lösung durch Ventilgruppen 4 und 5, über die wahlweise die Vakuumkammer 14 belüftet wird.
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Das Beispiel gemäß der 2 zeigt seriell angeordnete Ventilgruppen 4 und 5. Die serielle Anordnung macht es notwendig, dass die Ventile 2 der passiven Ventilgruppe(n) 4 geöffnet sind.
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Die weitere Ventilanordnung 16 ist zwischen der Vakuumpumpe 13 und der Vakuumkammer 14 vorgesehen. Zunächst ist in der Zeichnung die weitere Ventilanordnung 16 nicht so detailliert ausgeführt wie die Ventilanordnung 1. Die weitere Ventilanordnung 16 kann hinsichtlich ihrer Ausführung und Ausgestaltung grundsätzlich wie die Ventilanordnung 1 beschaffen sein. Die weitere Ventilanordnung 16 wird insofern für größere Durchmesser ausgelegt sein wie auch der Einlass der Vakuumpumpe 13. Die weitere Ventilanordnung 16 wird in Etwa im Gegentakt zur Ventilanordnung 1 arbeiten, wozu bestenfalls eine gemeinsame Umschalteinheit 7 zum Einsatz kommt. Beispielsweise wird der Gasdurchlass an der weiteren Ventilanordnung 16, also zwischen der Vakuumpumpe 13 und der Vakuumkammer 14, verhindert, noch kurz bevor der Gasdurchlass der Ventilanordnung 1 zugelassen wird. Dabei gilt es zu verhindern, dass die Vakuumpumpe 13 am Einlass beim Belüften der Vakuumkammer 14 mit einem zu hohem Gasdruck beaufschlagt wird. Dazu ist bekannt, dass insbesondere die Vakuumpumpen 13, mit denen sich Hochvakuum erreich lässt, erst ab Grob- oder Feinvakuum einsetzbar sind.
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Wird beim Belüften die Gasverbindung zwischen der Vakuumpumpe 13 und der Vakuumkammer 14 getrennt, kann die Vakuumpumpe 13 auch während des Belüftens weiter laufen. Der Gasdurchlass an der Ventilanordnung 16 würde dann wieder zugelassen werden, wenn in der Vakuumkammer 14 ein Zwischendruck zwischen dem ersten und dem zweiten Druck erreicht ist. Für das Herstellen des Zwischendrucks sorgen sog. Vorpumpen oder auch Vorvakuumpumpen.
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In der 3 ist (abweichend zur 2) die Ventilanordnung 1 mit parallel angeordneten Ventilgruppen 4 und 5 gezeigt. Die parallele Anordnung macht es notwendig, dass die Ventile 2 der passiven Ventilgruppe(n) 4 geschlossen sind. Aus Redundanzgründen wird auf die Beschreibung zur 2 verwiesen, da sich 2 und 3 im Übrigen nicht unterscheiden.
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Die Spezifik der Vakuumkammer 14 und auch der Zweck der Anlage, in der die Vakuumkammer 14 eingebunden ist, könnten indes noch relevant dafür sein, ob die Ventilanordnung 1 Vorteile bietet.
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Sofern es sich um eine sog. Vakuum-Durchlaufbeschichtungsanlage für die Behandlung großflächiger Substrate (z.B.: Glassubstrate mind. 1m × 1m) handelt, könnte die Anlage bereits auf Gründen der Produktivität im sog. Taktbetrieb arbeiten. Das wiederum heißt, dass pro Takt zumindest ein behandeltes Substrat die Anlage verlässt. Pro Takt gelangt aber auch ein unbehandeltes Substrat in die Anlage hinein. Taktbestimmend ist derzeit die hier betrachtete Vakuumkammer 14 in der Funktion einer Schleusenkammer 14, jeweils ausgangs und eingangs der Anlage. Die Zeit zum Belüften ist ebenso taktzeitkritisch wie alle übrigen Abläufe zum Schleusen. Es lassen sich Taktzeiten von weniger als 30sec erreichen, wobei die Zeit zum Belüften auf 1 sec bis 2 sec limitiert ist. In der besagten Zeit strömt zwischen 100 l und 500 l Gas in die Vakuumkammer ein. Das Gas passiert ein oder mehrere Ventile, die nach dem Belüften dicht verschlossen sein müssen. Aus Taktzeit und Gasdurchfluss erwachsen die technischen Anforderungen an die Ventile, aber auch die an Ventilanordnungen, sofern die Ventile den technischen Anforderungen nur noch bedingt gewachsen sind.
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Nachfolgend wird die Lösung anhand der 4 weiter beschreiben.
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Konstruktive Merkmale:
Es gibt grundsätzlich zwei Varianten der Verschaltung der redundanten Ventile bezüglich der schon vorhandenen (regulären) Ventilen: Seriell und /oder Parallel
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Es gibt drei Varianten des Schaltverhaltens:
- Variante 1: die redundanten Ventile werden erst nach Ablauf einer festgelegten Schaltzyklus-Anzahl zugeschaltet und dann ersetzen sie die regulären Ventile in ihrer Funktion.
- Variante 1.A – Parallele Verschaltung der redundanten Ventile –. Bei dieser Variante ist kein paralleles Verschalten der redundanten Ventile zu den regulären Ventilen sinnvoll. Der Grund: wenn die regulären Ventile langsam undicht werden, spielt es keine Rolle, dass die redundanten Ventile noch dicht sind – der Betrieb der Schleusen wird gestört.
- Variante 1.B – Serielle Verschaltung der redundanten Ventile –. Wenn der undichte Zustand der regulären Ventile erreicht wird, dann werden sie offen gehalten, und der Zyklus-Betrieb erfolgt weiter mit den redundanten Ventilen. Vor diesem Zeitpunkt sind die redundanten Ventile im offenen Zustand und verschleißen nicht.
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In dem Fall spielt eine Undichtigkeit der regulären Ventile im offenen Zustand keine Rolle im Taktbetrieb der Schleusen.
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Bemerkung: die Undichtigkeit der regulären Ventile kann in dem Fall jedoch störend wirken, wenn sie bei periodisch durchgeführten Testprozeduren eingesetzt werden, bei welchen es auf Dichtheit ankommt. Die Vorteile dieser Variante können in die einfachere Steuerung bestehen, bzw. wenn das Umschalten auf die redundanten Ventile manuell erfolgt, dann ist der Aufwand für die Realisierung der Steuerung relativ niedrig.
- Variante 2: die redundanten Ventile werden abwechselnd mit den regulären Ventilen geschaltet.
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Die Tabellen, wie sie in der 4 gezeigt sind, fassen die Kombinationen aus Verschaltung und Schaltverhalten zusammen. Der Vorteil dieser Variante des Schaltverhaltens besteht darin, dass beide Ventile gleichmäßig abgenutzt werden. Dadurch wird eine eventuelle Undichtigkeit erst zum Ende oder gar nach dem Ende des verlängerten Wartungsintervalls bemerkbar. Eventuelle Tests der Dichtigkeit, bei welchen eines oder beide Ventile eingesetzt werden, werden bis zu diesem Zeitpunkt nicht gestört. Ein weiteres Merkmal der Konstruktion aus zwei seriell geschalteten Ventilen ist die Möglichkeit für die Durchführung von Dichtheitsprüfungen (Lecksuche) der Ventile. Dies wird mit Hilfe eines T-Stück zwischen beiden Ventilen realisiert, an welchem geeignete Geräte und / oder Gaseinlass angeschlossen werden können. Die Lecksuche ist ein Verfahren, mit welchem eventuelle Undichtigkeiten der Ventile detektiert werden können. Die große Vorteile der technischen Lösung mit Lecksuche gegenüber Lösungen ohne Möglichkeiten für Lecksuche liegen auf der Hand:
Produktionsausfälle durch das rechtzeitige Erkennen von Fehlfunktion der Ventile sind vermeidbar.
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In einer Variante der Konstruktion mit T-Stück zwischen den Ventilen kann die Lecksuche durch steuerungstechnische Routinen teilweise oder vollständig automatisiert erfolgen. Das Reaktionsverhalten dieser Routinen kann verschiedene Reaktionen auf der Detektion von Leckagen an den Ventilen auslösen, z.B. folgende (aber auch weitere sind möglich):
- • Umschalten auf den Betrieb der redundanten Ventile bei Variante 1 Das kann automatisch erfolgen, oder aber wenn das Umschalten manuell zu erfolgen hat, dann kann die Steuerung entsprechende Hinweise und Warnungen auslösen.
- • Umschalten von Variante 2 auf Variante 1 Hintergrund: Die Wahrscheinlichkeit eines gleichzeitigen Ausfalls beider Ventile – reguläres und redundantes Ventil – in einem Strang ist sehr gering. Bei dieser Variante kann die Steuerung von der wechselweisen Verwendung auch auf die Verwendung eines bestimmten Ventils umschalten und die Produktion kann bis zum nächsten regulären Wartungsfenster (Pit Stop) weiterlaufen. Obwohl die Steuerung dadurch komplexer wird, dann mit dieser Verfahrensvariante die Lebensdauer beider Ventile – regulär und redundant – optimal ausgeschöpft werden.
- • Warnungen bei Zunahme der Undichtigkeit über bestimmten Grenzwert
- • Produktionstop bei unzulässig hohen Undichtigkeiten
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ventilanordnung
- 2
- Ventil
- 3
- Stellglied
- 4
- erste Ventilgruppe
- 5
- zusätzliche Ventilgruppe
- 6
- Gaszufuhr
- 7
- Umschalteinheit
- 8
- Substrat
- 9
- Substratventil
- 10
- Durchlassöffnung
- 11
- Transportvorrichtung
- 12
- Transportrichtung
- 13
- Vakuumpumpe
- 14
- Vakuumkammer
- 15
- Kammerwand
- 16
- weitere Ventilanordnung
