DE2639909A1

DE2639909A1 - Vakuumdosierventil

Info

Publication number: DE2639909A1
Application number: DE19762639909
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl Phys Dr Loebach
Original assignee: BALZERS HOCHVAKUUM GmbH; Balzers AG
Current assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Priority date: 1975-09-17
Filing date: 1976-09-04
Publication date: 1977-03-24
Also published as: GB1554271A; NL7512176A; CH600224A5; US4172581A; FR2324968B1; FR2324968A1; DE2639909C2

Description

BALZERS HOCHVAKUUM GMBH, Siemensstrasse 11, D 6201 Nordenstadt

Vakuumdosierventil

Vakuumdosierventile werden in der Vakuumtechnik vielfach benötigt, insbesondere in zwei Anwendungsfällen

a) wenn es sich darum handelt, bei einem Vakuumprozess laufend
eine genau dosierte Menge eines gasförmigen Reaktionspartners zuzuführen z.B. beim reaktiven Aufdampfen von dünnen Schichten; das Ventil wird hiebei auf einen vorbestimmten Leitwert eingestellt;

b) in Verbindung mit Regeleinrichtungen zur Konstanthaltung des Druckes in einem Vakuumraum wobei dieser kontinuierlich aus-

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gepumpt wird und gleichzeitig durch das Ventil gerade soviel Gas laufend zugeführt wird, dass der vorbestimmte Druck aufrechterhalten wird.

Ventile für die genannten Zwecke wurden häufig als sogenannte Nadelventile ausgebildet, welche jedoch den Nachteil haben, dass es leicht zum Verkleben (Kaltverschweissen) zwischen der als Ventilverschlusskörper dienenden Nadelspitze und dem Ventilsitz kommt. Da die Durchlassöffnung bei einem Nadelventil klein ist, kann sie auch leicht durch Schmutz verstopft werden.

In neuerer Zeit hat sich daher mehr eine Bauweise eingeführt, bei welcher eine Ventilplatte aus einem harten Werkstoff z.B. Saphir gegen einen als Schneide aus weicherem Werkstoff z.B. Kupfer ausgebildeten Ventilsitz gepresst wird. Solche Ventile lassen sich leichter reinigen, haben eine grössere Lebensdauer und können ausheizbar ausgebildet werden, wobei Temperaturen bis zu 450 angewendet werden, um eine sichere Entgasung aller mit dem Vakuum in Berührung kommenden Teile zu erreichen, was insbesondere bei Ultrahochvakuumanwendungen wichtig ist. Bei solchen Ventilen können aber in geschlossenem Zustand infolge der verschiedenen thermischen Ausdehnung insbesondere des Gehäuses und-der Ventilhubstange beim Ausheizen so grosse Kräfte zwischen beim Ventilverschlusskörper und dem Ventilsitz auftreten, dass die erwähnte dichtende Schneide zu stark deformiert wird, wodurch das Ventil entweder überhaupt zer-

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stört oder wenigstens seine Lebensdauer verkürzt wird. Um dem zu begegnen, wurden schon Dehnungsausgleichsvorrichtungen vorgeschlagen, die das Auftreten zu grosser Kräfte durch elastische Verformung einzelner Ventilbauteile z.B. durch elastisch federnde Ventilteller abschwächen sollen. Derartige Spezialkonstruktionen sind aufwendig, ausserdem bleibt immer noch der Nachteil bestehen, dass der Durchlass des zwecks dosierten Gaseinlasses auf einen bestimmten Leitwert eingestellten Ventils sich bei Aenderung der Umgebungstemperatur ebenfalls verändert, so dass ständige Nachregelungen erforderlich sind und dass das Ventil ausserdem für jede Temperatur eine eigene Eichung benötigt.

Ein weiterer Nachteil aller bekannten mit Hilfe einer Gewindespindel oder einer anderen mechanischen oder einer elektromagnetischen Verstellvorrichtung betätigten Dosierventile liegt darin, dass sie mit

..en
höchster Präzision gebaut werden muss/, um ein genügend genaues Einstellen des Gaseinlasses insbesondere bei kleinen Durchflussmengen zu ermöglichen.

Es sind auch Gasdosierventile vorgeschlagen worden, bei denen in einem Rohr ein Schliesskörper angeordnet ist, wobei Rohr und Schliesskörper aus Werkstoffen mit verschiedenem thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestehen, und Oeffnen des Ventils bzw. eine Aenderung des Leitwertes dadurch bewirkt wird, dass bei Erhitzung der ganzen Anordnung der enge Spalt zwischen dem Verschlusskörper und der Innenwand des Rohres infolge verschieden starker Ausdehung dieser beiden

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Teile sich verändert. Dabei müssen aber Temperaturen bis zu einigen 100 c angewendet werden und die Vorrichtung besitzt ferner den Nachteil, dass die jeweilige Einstellung auf einen bestimmten Gasleitwert wegen der Wärmekapazität der zu erhitzenden Teile nur schleppend erfolgt, sodass derartige thermische Dosierventile kaum für Druckregeleinrichtungen gebraucht werden können.

Es gibt auch Ventile für Flüssigkeiten, bei denen die thermische Volumenausdehnung eines flüssigkeit- oder gasgefüllten elastischen Hohlkörpers, der mit einer Heizvorrichtung verbunden ist, zur Durchflussregelung benützt wird. Solch- Ventile werden z.B. in Heizanlagen verwendet. Auch bimetallgesteuerte Vorrichtungen zur Regelung des Durchlusses in Leitungen sind bekannt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Vakuumdosierventil zu schaffen, das bei einfacher Herstellungsmöglichkeit trotzdem eine hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Gasdosierung ermöglicht.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Vakuumventil zur Ver-

■ ^zu/
fügung/steilen, bei dem einer mechanischen Voreinstellung auf einem bestimmten Leitwert eine thermisch steuerbare Peineinstellung überlagert werden kann, und wobei die thermische Einstellung schnell erfolgen kann und keine grossen Temperaturänderungen erfordert.

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Das erfindungsgemässe Vakuumdosierventil mit einem mit Gaseinlass und -Auslassöffnung versehenen Ventilgehäuse, darin angeordnetem Ventilsitz, einem Ventilverschlusskörper und mit einem Antriebselement für den Ventilverschlusskörper, dem ein Betätigungsorgan zugeordnet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Hilfskörper und eine Einrichtung zur Einstellung der Temperatur des Hilfskörpers vorgesehen und mit dem Betätigungsorgan und dem Antriebselement derart verbunden sind, dass thermische Längenänderungen des Hilfskörpers auf das Antriebselement übertragen werden.

Vorzugsweise wird die Einrichtung zur Temperatureinstellung als Heizvorrichtung ausgebildet, jedoch lässt sich auch durch Abkühlen der Ventilhubstange unterhalb der Umgebungstemperatur eine Längenveränderung und damit eine Feinbewegung des Ventilve*»schlusses erzielen.

Beim erfindungsgemässen Ventil mit zusätzlicher Einrichtung zur thermischen Steuerung des Ventildurchlasses ist es dann auch möglich, die Hubstange und das Ventilgehäuse aus Materialien mit annähernd gleichem Wärmeausdehungskoefizienten zu bauen, was den Vorteil bietet, dass das Ventil ausgeheizt werden kann, ohne dass sich dabei der eingestellte Gasleitwert ändert; insbesondere bleibt das vakuumdicht geschlossene Ventil dann auch beim Ausheizen vakuumdicht. Demgegenüber'beruhten alle bisherigen thermisch gesteuerten Ventile auf der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung

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von Bauteilen aus verschiedenen Werkstoffen.

Nachfolgend we.rden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der anliegenden Zeichnung näher .beschrieben.

In den Figuren bezeichnet 1 den Gaseinlass, 2 den Gasauslass des Ventils, 3 einen Federkörper zur vakuumdichten Abdichtung zwischen dem oberen und dem unteren Teil des Ventilgehäuses, 4 den Ventilverschlusskörper, 5 den Spalt zwischen dem Ventilverschlusskörper und einem Ventilsitz 6, wobei die jeweilige Grosse dieses Spaltes in erster Linie für den Gasleitwert bestimmend ist. Die Betätigung des Ventilverschlusskörpers geschieht mit Hilfe eines Antriebselementes 7a, das im oberen Teil des Ventilgehäuses axial verschiebbar gelagert ist. Mit 8 ist eine Hilfseinrichtung zur Einstellung der Temperatur bezeichnet, die vorzugsweise als elektrische Heizwendel ausgebildet wird. 8 könnte jedoch auch, wie die Zeichnung erkennen lässt, eine Rohrschlange darstellen, die mittels eines durchgeleiteten Mediums beheizt oder gekühlt werden kann. Mit 9 ist eine Druckfeder bezeichnet welche, wie weiter unten ersichtlich, die jeweilige Position des mit·einem gewissen Spielraum in axialer Richtung beweglichen Antriebselementes 7a festlegt und 10 bedeutet das Betätigungsorgan für die mechanische Verstellung dieses Antriebselementes .

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Die Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Hilfskörper 7 in Form eines Druckbolzens als kraftübertragendes Zwischenglied zwischen dem Betätigungsorgan 10 und dem Antriebselement 7a ausgebildet ist. Das Antriebselement (Hubstange) 7a trägt an seinem oberen Ende mittels eines Gewindes die verstellbare Mutter 7b. Zwischen dieser und der Schulter 7c des Gehäuses ist die Druckfeder 9 angeordnet. Auf das obere Ende des Druckbolzens 7 liegt mit einer konischen Vertiefung das Betätigungsorgan 10 auf, das als Hebel ausgebildet ist und am Gehäuse im Drehpunkt 10a gelagert ist. Die Betätigung des Hebels erfolgt mittels der Justierschraube 11, die sich gegen die Aussenseite des Ventilgehäuses abstützt.

Bei Benutzung wird das Ventil gemäss Fig. 1 zunächst auf einen vorbestimmten Durchlass eingestellt, der - wenn die Einrichtung als Heizvorrichtung ausgebildet ist - dem im gegebenen Falle maximal gewünschten Gasleitwert entspricht. Dies geschieht durch Anziehen der Justierschraube 11, wodurch der Druckbolzen 7 mittels des Hebels 10 gegen das Antriebselement 7a gedrückt wird, so dass dieses und damit der Ventilverschlusskörper 4 gegen die Kraft der Druckfeder 9 auf den Ventilsitz zubewegt wird. Die genauere Einstellung des Ventils auf einen kleineren Leitwert als den maximalen kann sodann durch thermische Steuerung erfolgen und zwar kann durch Erwärmen des Stössels 7 das Ventil weiter geschlossen und

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durch Abkühlen wieder geöffnet werden. Dabei ist eine sehr genaue Feineinstellung möglich und es genügen verhältnismässig geringe Temperaturänderungen bis zu 50 C. Insbesondere bei Ausbildung der Einrichtung 8 als elektrische Heiz- oder Kühleinrichtung - letzteres wäre mit Peltierelementen leicht verwirklichbar eignet sich das erfindungsgemässe Ventil zum Einbau in Regelkreise, wobei die Temperatur des Hilfskörpers 7 selbsttätig so eingeregelt wird, dass der Druck in einem an die Oeffnung 2 angeschlossenen Rezipienten konstant gehalten wird oder einem bestimmten Programm folgt. Aber auch bei manueller Einstellung der Temperatur bietet das erfindungsgemässe Ventil den grossen Vorteil, dass einer ansieh schon genauen mechanischen Voreinstellung eine thermische Feineinstellung mit noch höherer Genauigkeit überlagert werden kann.

Das Ausführungsbeipiel der Fig. 2 arbeitet im Prinzip ähnlich wie dasjenige nach Fig. 1, weist diesem gegenüber jedoch folgenden Unterschied auf: Es ist ein besonderer Hilfskörper 12 mit zugehöriger Temperatur-Einstelleinriehtung vorgesehen, dessen thermische Längenänderung mittels eines gabelförmigen Hebels 13 - s. Fig. 2a, die einen Schnitt- durch die in Fig. 2 durch die Pfeile angedeutete Ebene darstellt - der am Ventilgehäuse bei 15 drehbar gelagert ist, auf den Stössel 7 und von diesem auf das Antriebselement 7a übertragen wird. Der Hebel des Betätigungsorgans 10 ist dabei

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seinerseits bei l4 in der Gabel 13 gelagert; die Position des Drehpunktes l4 wird also durch die thermischen Längenänderungen des Hilfskörpers 12 beeinflusst und auf diese Weise die thermisch gesteuerte Bewegung der durch den Hebel 10 bzw. die Justierschraube 11 mechanisch gesteuerten Bewegung überlagert. Wird der Hilfskörper 12, der mit seinem unteren Ende am Ventilgehäuse bei 12a befestigt ist, erwärmt, dann wird der Drehpunkt l4, wie aus der Zeichnung ersichtlich, angehoben und dadurch das Ventil unter Wirkung der Druckfeder 9 weiter geöffnet. Zieht sich der Hilfskörper dagegen bei Abkühlung zusammen, dann wird das Ventil weiter geschlossen.

Figur 3 schliesslich zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem als Betätigungsorgan ein Drehknopf l8, der mittels einer Gewindespindel am Kopfteil 17 des Ventilgehäuses in axialer Richtung verstellbar ist, vorgesehen ist. Die Ventilhubstange 7 (Antriebselement) steht unter der Wirkung der Druckfeder 9, die sich gegen den genannten Kopfteil 17 abstützt. Es ist über den Querbolzen 20 mit dem oberen Ende des durch die Einrichtung 8 beheizbaren oder kühlbaren Hilfskörpers 21 verbunden, und das untere Ende derselben ruht auf einer Schulter 23 des rohrförmigen Teiles 22 des Betätigungsorganes. Dieses weist, wie die Zeichnung zeigt, oben seitliche Oeffnungen 22a und 22b auf, durch welche der Querbolzen hindurchragt, wobei die genannten Oeffnungen so gross bemessen sind, dass eine den maximalen thermischen Längenänderungen des Hilfskörpers entsprechende Bewegungsmöglichkeit für den Querbolzen 20 gegeben ist.

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Wiederum wird die Grobeinstellung des Ventildurchlasses (Leitwertes) mit Hilfe der mechanischen Betätigungseinrichtung 10 vorgenommen, die Feineinstellung dagegen thermisch. Bei Erhitzung des Hilfskörpers 21 nimmt dessen Länge zu, dadurch wird über den Querbolzen 20 die Ventilhubstange 7 in Richtung grösserer Oeffnung des Ventils bewegt; bei Abkühlung umgekehrt. Der Schliessdruck wird dabei stets durch die Kraft der Feder 9 bestimmt. Fällt beispielsweise die Heizung 8, während das Ventil geschlossen ist, aus, dann bewirkt die folgende Abkühlung des Hilfskörpers 21 lediglich ein Abheben seines unteren Endes von der Schulter 23; die Zerstörung des Ventilsitzes durch einen zu grossen Schliessdruck ist damit ausgeschlossen.

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Claims

PA T EN TANSPRUECHE

Vakuumdosierventil mit einem mit Gaseinlass- und Auslassöffnung versehenem Ventilgehäuse, darin angeordnetem Ventilsitz, einem Ventilverschlusskörper und mit einem Antriebselement für den Ventilverschlusskörper, dem ein Betätigungsorgan zugeordnet ist, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, dass zusätzlich ein Hilfskörper und eine Einrichtung zur Einstellung der Temperatur des Hilfskörpers vorgesehen und mit dem Betätigungsorgan und dem Antriebselement derart verbunden sind, dass thermische Längenänderungen des Hilfskörpers auf das Antriebselement übertragen werden.

2. Vakuumdosierventil nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k en η ζ eic h η e t, dass der Hilfskörper als kraftübertragendes Zwischenglied zwischen Antriebselement und Betatigungs-. organ ausgebildet ist.

y. Vakuumdosierventii nach Anspruch 1, dadurch' g e k e η η ζ e i ohne t, dass die thermische Längenänderung des Hilfskörpers über einen Hebel auf das Antriebselement übertragen wird.

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- . . ' ; . ORlGiNALlMSPECTED

4. Vakuumdosiarventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungsorgan als Hebel ausgebildet ist und der Drehpunkt des Hebels durch die thermischen Längenänderungen des Hilfskörpers verschiebbar ist.

5. Vakuumdosierventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfseinrichtung zur Temperatureinstellung als elektrische Heizvorrichtung ausgebildet ist.

6. Vakuumdosierventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement und das Ventilgehäuse aus Materialien mit annähernd gleichem Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen.

7. Vakuumdosierventil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

sich
eine Ausbildung derart, dass/bei Aenderungen der Temperatur des Antriebselementes gegenüber dem Ventilgehäuse das Ventil weiter öffnet.

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