DE2951387A1

DE2951387A1 - Schnellschlussklappenventil fuer hochvakuum- oder ultrahoch-vakuumbetriebe

Info

Publication number: DE2951387A1
Application number: DE19792951387
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Ulrich 2150 Buxtehude Hahn; Klaus Porges; Ing.(grad.) E. Werner 2000 Hamburg Weiner
Original assignee: Deutsches Elektronen Synchrotron DESY
Current assignee: Deutsches Elektronen Synchrotron DESY
Priority date: 1979-12-20
Filing date: 1979-12-20
Publication date: 1981-07-02
Also published as: DE2951387C2; CH650844A5

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Schnellschluß-Klappenventil gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Derartige Schnellschluß-Klappenventile werden üblicherweise dort eingesetzt, wo ein Hochvakuum- oder ein Ultrahochvakuumsystem (etwa 10~ bis 10~ mbar) einer Gefahr von Lufteinbrüchen ausgesetzt ist. Dies ist im allgemeinen bei Elektronenoder Protonen-Beschleunigeranlagen der Fall, bei denen entweder der Experimentierstrahl nach dem Erreichen der für das jeweilige Experiment gewünschten Energie aus dem Beschleuniger ausgelenkt und durch ein Strahlführungsrohr in das Experimentiergebiet geleitet wird oder die von einem umlaufenden Elektronenstrahl abgestrahlte Synchrotronstrahlung durch ein Vakuumrohr aus dem Beschleuniger tangential austritt. Im Strah!führungsrohr herrscht ebenso wie im gesamten Beschleunigungsteil der Beschleunigeranlage Hochvakuum- oder Ultrahochvakuum. Mit der Vergrößerung des Vakuumsystems und der Erhöhung der Anzahl von Experimentiergebieten wächst gleichzeitig die Gefahr von Lufteinbrüchen durch Lecks an Verbindungselementen oder durch Bruch von Folienfenstern, durch die der Strahl aus dem Vakuum in den Laborraum eintritt. Im ungünstigsten Fall können derartige Lufteinbrüche so schlagartig auftreten, daß die plötzliche Belüftung zu einer zerstörerischen Stoßwelle führt, die sich etwa mit dreifacher Schallge-

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schwindigkeit und äußerst steiler Flanke in das Ultrahochvakuumsystem hineinbewegt. Eine solche Stoßwelle führt aber zu Zerstörungen im Beschleuniger und damit zu schweren Betriebsstörungen, die unter allen Umständen vermieden werden sollen. Man hat daher bereits Schnellschluß-Klappenventile mit vorgeschalteter Verzögerungsleitung verwendet, welche den Beschleuniger durch schnelles Absperren des Ultrahochvakuums bei einem Druckanstieg in der Rohrleitung schützen sollen. Da die sich mit etwa 1000 m/sec ausbreitende Stoßwelle in einer Millisekunde etwa 1 m zurücklegt, ist es klar, daß für jede Millisekunde Schließzeit der Schnellschlußklappe etwa 1 m Verzögerungsweg erforderlich ist.

Es ist bereits ein Schnellschluß-Klappenventil für große Nenndurchmesser (100 mm) von der Firma VAT AG für Vakuum-Apparate-Technik, HAAG, Schweiz, bekannt, welches ein Ultra-

—ft
hochvakuum von etwa 10~ mbar innerhalb von 20 bis 25 msec abzusperren vermag. Das bekannte Klappenventil besitzt eine vollständig aus dem optischen Weg des Beschleunigerstrahls herausschwenkbare, kreisförmige Ventilklappe, die unter der Wirkung einer Feder auf ihren zugehörigen, 90 zum optischen Weg angeordneten Ventilsitz bewegbar ist. Der Drehpunkt des Ventiltellerarms liegt im Vakuum; die zur Ansteuerung erforderlichen mechanischen Ansteuerungselemente sind hingegen aus dem Vakuum nach außen verlegt. In geöffnetem Zustand hält ein durch einen Faltenbalg vakuumdicht durch die

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Wand des Ventilgehäuses nach außen geführter Kipphebel die Ventilklappe gegen die Wirkung von Klappenschließfedern offen. Sobald eine zugehörige Drucküberwachung einen unzulässigen Druckanstieg feststellt, wird der nach außen geführte Kipphebel freigegeben, und zwar im allgemeinen durch Entriegelung, so daß sein Verschwenken zur Freigabe der Ventilklappe möglich ist.

Ein Nachteil des bekannten Klappenventils liegt darin, daß durch die aus dem Ventilgehäuse nach außen verlegten Ansteuerungs- bzw. Gestängeteile zwar die Gefahr einer Vakuumverschmutzung verringert ist, sich andererseits aber aufgrund der langen Hebelwege und der großen zu bewegenden Massen keine Schließzeiten von weniger als 20 msec erzielen lassen. Wie bereits erwähnt, erfordern aber Schließzeiten von 20 msec und mehr Verzögerungsleitungen von mehr als 20 m Länge. Ein derartiger Platz steht jedoch häufig nicht zur Verfügung.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein schneller schließendes Ultravakuum-Klappenventil mit Schließzeiten von maximal 10 msec zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Schnellschlußklappenventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs. Dadurch wird erreicht, daß die vom Beschleuniger aus hinter dem Klappenventil anschließende Verzögerungsleitung lediglich

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etwa 10 m lang zu sein braucht, so daß das Experimentiergebiet näher am Beschleuniger liegen kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert; es zeigen:

Figur 1 eine Schnittansicht einer Ausführung eines Schnellschluß-Klappenventils;

Figur 2 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf das Schnellschluß-Klappenventil gemäß Figur 1.

Figur 1 zeigt eine Schnittansicht eines Schnellschluß-Klappen-

—8 ventils, vorzugsweise für Ultrahochvakuum (= 10 mbar) in ausheizbarer Ganzmetallausführung mit einem zylindrischen Gehäuse 1, das an einer Seite durch einen Flansch 10 verschlossen ist. In der Mitte des Flansches 10 befindet sich eine Strahldurchführungsöffnung 110, die von einem Ventilsitzstutzen 111 umgeben ist. Der Ventilsitzstutzen 111 besteht aus Edelstahl mit in der Draufsicht rechteckigem Querschnitt, wobei auf seinem der Strahldurchführungsöffnung 110 abgewandten Ende ein Ventilsitz 112 vorgesehen ist. Der Ventilsitz 112 ist eine geschliffene Fläche, die gegenüber dem Boden einen Anstellwinkel von 45 aufweist. Ein rechteckiger Querschnitt des Ventilsitzstutzens 111 ist deswegen möglich, weil

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der durch das Ventil laufende Strahl, vorzugsweise Synchrotronstrahlung, kein kreisförmiges Profil hat, sondern in einer Richtung wesentlich breiter als senkrecht zu dieser Richtung ist. Durch die Anpassung des Ventilsitzquerschnittes an die Strahlform wird außerdem erreicht, daß die Schnellschlußklappe kleiner als bei kreisförmigen Ventilsitzen sein kann, so daß keine so großen Massen bewegt zu werden brauchen.

Durch die Anordnung des Ventilsitzes 112 im Winkel zum Flansch 10 wird außerdem erreicht, daß die Klappe 21 einen wesentlich kürzeren Schließweg als beim Stand der Technik hat. Die Öffnungsstellung der Klappe 21 ist in Figur 1 gestrichelt dargestellt, und man erkennt, daß sie in dieser Stellung den optischen Weg durch den Ventilsitz 112 vollständig freigibt.

Die Klappe 21 besteht vorzugsweise aus einer Titanlegierung, beispielsweise 3.7075, wodurch gegenüber Stahl eine beträchtliche Gewichtsersparnis erzielt wird. Die Auflageseite der Klappe 21 ist ebenso wie der Ventilsitz 112 eben geschliffen.

Die Lagerung der Klappe 21 erfolgt auf einer Grundplatte 5, die an einer Seite des Ventilsitzstutzens 111 auf dem Flansch 10 montiert ist. Zwei Ständer 27 lagern eine Antriebsachse 24, die in der Nähe jedes. Ständers 27 je einen kurzen und einen langen Klappenschenkel 210 bzw. 211 trägt. Der

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kurze und der lange Klappenschenkel 210 und 211 schließen einen etwas kleineren Winkel als 90° ein. Sie sind darüber hinaus mit einem Verbindungsschenkel 212 verbunden, dessen freies Ende über einen Haltebolzen 22 und eine Druckfeder 23 an der Klappe 21 befestigt ist. Die Druckfeder 23 stützt sich mit einem Ende auf der Oberseite der Klappe 21 und mit dem anderen Ende an der Unterseite des von einer Scheibe 3 gehaltenen Verbindungsschenkel 212 ab. Die Scheibe 3 ist durch eine auf den Haltebolzen 22 aufgeschraubte Mutter gegen Verschiebung in Richtung von der Klappe 21 weg gesichert. Durch diese federnde Verbindung von Verbindungsschenkel 212 und Klappe 21 wird ein Prellen der Klappe beim Aufschlagen auf den Ventilsitz 112 zuverlässig verhindert, indem ein Großteil der Schlagenergie von der Druckfeder 23 vernichtet wird. Versuche haben gezeigt, daß die Klappe 21 tatsächlich nach dem Verschließen des Ventilsitzes 112 von diesem nicht wieder abhebt.

In den langen Klappenschenkeln 211 sind ferner Zapfen 59 für den Angriff je einer Zugfeder 28 vorgesehen. Die im Abstand zur Antriebsachse 24 liegenden Enden der langen Klappenschenkel 211 sind ferner durch einen Auslösebalken 213 miteinander verbunden.

Etwa in der Mitte zwischen den Ständern 27 sowie im Abstand zu diesen ist hinter dem Auslösebalken 213 der Schnellschluß-

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klappe ein Klinkenständer 58 vorgesehen, der an seinem oberen Ende eine auf den Auslösebalken 213 wirkende Klinke 6 lagert. Die Klinke 6 ist unsymmetrisch gebaut und besitzt eine Rückwand 64, die in der Höhe des Klinkenlagerpunktes etwa parallel zur Mittellinie des Klinkenständers 58 und damit parallel zur optischen oder Längsachse 11 verläuft. In dieser Stellung der Klinke 6 liegt deren unteres, freies Ende auf der dem Ständer 27 zugewandten Seite des Klinkenständers 58, so daß es mit dem Auslösebalken 213 in Eingriff gelangen kann. Dieses untere Ende der Klinke 6 ist mit einer Rolle 60 versehen, die sich bei gestrichelt dargestellter, geöffneter Klappe auf dem Auslösebalken 213 abstützt und damit die Klappe 21 geöffnet hält. Das freie Klinkenende ist ferner mit einer Anschlagschulter zur Begrenzung der Bewegung auf dem Auslösebalken 213 versehen.

Das Öffnen der Klappe 21 erfolgt durch Federn 28, die in zusammengedrücktem Zustand als Stangen wirken. Sie bestehen in einer Ausführung aus Edelstahl der Zusammensetzung 1.4310.

Zum Schließen der Klappe 21 dient ferner ein mittels eines ersten Faltenbalges 45 durch die Wand des Gehäuses 1 geführter Aufzughebel 4, der zwischen der ausgezogen dargestellten Lage und der seine Mittellinie andeutenden strichpunktierten Lage verschwenkbar ist. Sein im Gehäuse 1 liegendes freies Ende trägt ein Joch 56, das sich im rechten Winkel zur Mittel-

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linie des Aufzughebels 4 mindestens bis zu den Ständern 27 erstreckt. Im Bereich der Enden des Jochs 56 sind Federhalterungen 57 vorgesehen, in die die Zugfedern 28 eingehängt sind. Die Zugfedern 28 greifen somit in Figur 1 mit ihren oberen Enden am Joch 56 und mit ihren unteren Enden an den Zapfen 59 der Klappenschenkel 211 an. In der ausgezogen dargestellten Lage ziehen die Zugfedern 28 die langen Klappenschenkel 211 demnach nach oben und pressen dadurch die Klappe 21 auf den Ventilsitz 112. Das außerhalb des Gehäuses 1 liegende Ende des Aufzughebels 4 greift in ein Auge eines Zugstücks 16, das an einem Ende einer Kolbenstange 13 eines Pneumatikzylinders 31 befestigt ist. Durch Einziehen der Kolbenstange 13 wird demnach der Aufzughebel 4 in die strichpunktierte Stellung verschwenkt, wodurch die Zugfedern 28 entspannt werden und die Klappe "21 öffnen. Beim Öffnen der Klappe 21 schwenkt der Auslösebalken 213 unter den tiefsten Punkt der Klinkenrolle 60 und wird von der Rolle 60 in dieser Stellung verriegelt. Nachdem die Rolle 60 und damit die Klinke 6 den Auslösebalken 213 und mit ihm die Klappe 21 in der gestrichelt dargestellten, offenen Stellung verriegelt hat, kann die Kolbenstange 13 des Pneumatikzylinders 31 wieder ausgefahren und das Joch 56 nach oben geschwenkt werden. Dabei werden die Zugfedern 28 gespannt und verleihen der Schnellschlußklappe die zum schnellen Schließen erforderliche Vorspannung.

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Zum Schließen der Klappe 21 ist es erforderlich, die Rolle 60 vom Auslösebalken 213 wegzuschwenken und damit die Klappenschenkel 211 freizugeben. Dieses Wegschwenken der Klinke 6 erfolgt über einen durch einen zweiten Faltenbalg 46 aus dem Gehäuse 1 nach außen geführten Klinkenhebel 20, der kugelgelenksartig über einen Ausrückhebel 19 mit einem Hubmagneten 35 gekoppelt, vorzugsweise verschraubt, ist. Wenn der Hubmagnet 35 aufgrund externer elektronischer Ansteuerung anzieht, dann schwenkt der Ausrückhebel 19 das der Klinke 6 abgewandte Ende des Klinkenhebels 20 in Figur 1 nach oben, wodurch die Klinke 6 in Figur 1 gegen den Uhrzeigersinn verschwenkt wird. Die Rolle 60 gleitet dabei vom Auslösebalken 213 runter, so daß dieser unter der Wirkung der Zugfedern 28 nach oben schnellen kann. In einer Ausführung der Erfindung erfolgt die Ansteuerung des Hubmagneten 35 bei plötzlichem Druckabfall innerhalb von 5 msec. Da alle zum Schließen der Klappe erforderlichen Teile innerhalb des Gehäuses 1 und damit nahe dem Ventilsitz 12 liegen und da außerdem nur geringe Stellwege zurückzulegen sind, verschließt die Klappe 21 den Ventilsitz 112 innerhalb von etwa 5 msec nach der Ansteuerung durch den Hubmagneten 35. Dies ergibt eine gesamte Schließzeit von etwa 10 msec, so daß in Strahlrichtung hinter dem Ventilsitz 112 lediglich ein etwa 10 m langes Strahlführungs- oder Verzögerungsrohr erforderlich ist.

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Figur 2 zeigt das Schnellschluß-Klappenventil in teilweise geschnittener Draufsicht, wobei im unteren Teil der Figur die Ventilklappe 21 weggeschnitten ist. Dabei sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1 versehen. In dieser Ausführung sind insbesondere das Joch 56 und die Lagerung der Antriebsachse 24 in den Ständern 27 deutlich zu erkennen. Ferner erkennt man die Grundrißform der Grundplatte 5, die im wesentlichen dreiecksförmig ist. Im Bereich der Klinkenhaiterung ist der Aufzughebel 4 unterbrochen dargestellt, um die seitliche Anbringung der Klinke 6 am Klinkenständer 58 erkennen zu lassen. Die Klinke 6 ist bezüglich der Zugfedern 28 mittig angeordnet.

Figur 2 zeigt außerdem eine Anordnung von Schaltkontakten 7, die bei geöffneter Klappe 21 vom Auslösebalken 213 geschlossen sind und über eine aus dem Gehäuse 1 nach außen geführte Stromdurchführung 38 das öffnen des Klappenventils und damit die Freigabe des optischen Weges anzeigen. Obgleich in der zuvor beschriebenen Ausführung der Hubmagnet 35 ebenso wie der Pneumatikzylinder 31 am Gehäuse 1 montiert sind, ist es klar, daß sowohl der Hubmagnet als auch der Pneumatikzylinder getrennt vom Gehäuse montiert sein können. Es ist dem Fachmann ferner klar, auf welche Weise der Hubmagnet und der Pneumatikzylinder am Gehäuse anzubringen oder getrennt von diesem zu montieren sind.

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Das Ausführungsbeispiel zeigt zwar einen ebenen Ventilsitz aus Edelstahl mit ebenfalls geschliffenem, starrem Ventilteller aus Metall, die gemäß durchgeführter Versuche eine hinreichende Dichtung mit einer Leckrate von etwa 1 mbar.l/sec liefern. Es ist allerdings klar, daß auch ein Ventil mit mindestens einem weichen Teil, also Ventilsitz oder Ventilklappe, eine wesentlich bessere Dichtung zuläßt. Als weiches Material sind organische Dichtungen, beispielsweise übliche Rundschnurringe, verwendbar, die entweder in den Ventilsitz oder in die Klappe einzulegen sind. Ein derartiges Ventil ist allerdings nicht ausheizbar. Hingegen lassen sich damit

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Leckraten bis zu 10 mbar.l/sec erreichen.

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Claims

UEXKÜLt 4-STO4.6ERG ; professional representatives

- PA-T E NT ANWÄLTE - - BEFORE IMt EURCJITAN PATENT OFFICE

SESELERSTRASSE 4

D JOOO HAMBURG 53 OR J D FRHR von UEXKULL

OR ULRICH GRAF STOLBERG OIPL ING JÜRGEN SUCHANTKE OIPL ING ARNULF HUBER DR ALLARO von KAMEKE OR KARL HEINZ SCHULMEYER

Deutsches Elektronen Synchrotron (16343)

Notkestraße 85

Hamburg 52 Hamburg, Dezember 1979

Schnellschlußklappenventil für Hochvakuum- oder Ultrahochvakuumbetrieb

Ansprüche

Γ1.) Schnellschlußklappenventil für Hochvakuum- oder Ultrahochvakuumbetrieb zum Absperren großer Nenndurchmessser,

- mit einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse,

- mit einem im Gehäuse vorgesehenen, die Gehäuselängsachse umgebenden Ventilsitz,

- mit einer unter der Wirkung von mindestens einer Feder auf den Ventilsitz bewegbaren Klappe,

- mit einem aus dem Gehäuse nach außen führenden Klinkenhebel,

- mit einer zur Verriegelung der geöffneten Klappe dienenden Klinke,

- mit einem die Klinke ansteuernden Hubmagneten,

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- und mit einer Spanneinrichtung zum Vorspannen der Klappe im geöffneten Zustand;

dadurch gekennzeichnet, daß

- der Ventilsitz (112) unter einem Winkel zur Gehäuselängsachse (11) steht,

- die Klappe (21) über Verbindungsschenkel (212) und Klappenschenkel (210, 211) um eine Antriebsachse (24) auf den Ventilsitz (112) verschwenkbar ist,

- an den freien Enden der Klappenschenkel (211) mindestens eine Zugfeder (28) zum schnellen Schließen des Klappenventils angreift,

- die Zugfedern (28) an einem vakuumdicht aus dem Gehäuse (1) geführten Aufzughebel (4) hängen,

- eine Klinke (6) die von der oder den Zugfedern (28) in Richtung auf den Ventilsitz (112) vorgespannte Klappe (21) in geöffneter Stellung verriegelt, und daß

- die Klappe (21) durch einen an der Klinke (6) angreifenden und vakuumdicht aus dem Gehäuse (1) herausgeführten Klinkenhebel (20) entriegelbar ist.
2. Klappenventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Verbindungsschenkeln (212) und der Klappe (21) mindestens eine Druckfeder (23) vorgesehen ist, die ein Wiederöffnen des Ventils durch Prellen der Klappe (21) verhindert.
3. Klappenventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufzughebel (4) und der Klinkenhebel (20) durch

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einen ersten Faltenbalg (45) bzw. durch einen zweiten Faltenbalg (46) vakuumdicht aus dem Gehäuse nach außen geführt sind.
4. Klappenventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufzughebel (4) an seinem im Gehäuse (1) liegenden Ende ein Joch (56) trägt, an dessen Enden je eine Zugfeder (28) eingehängt ist.
5. Klappenventil nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugfedern (28) an Zapfen (59) in den Klappenschenkeln (211) angreifen.
6. Klappenventil nach einem der Ansprüche 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Klinke (6) an ihrem unteren Ende eine Rolle (60) trägt, die sich bei geöffneter Klappe (21) auf einem die Klappenschenkel (211) verbindenden Auslösebalken (213) abstützt und die geöffnete Klappe (21) verriegelt.
7. Klappenventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Klinkenhebel (20) durch einen innerhalb von 5 msec auslösenden Hubmagneten (35) betätigbar ist.

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8. Klappenventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das außerhalb des Gehäuses (1) liegende Ende des Aufzughebels (4) mit Hilfe eines Pneumatikzylinders (31) verschwenkbar ist.
9. Klappenventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung der Klappenschenkel (210; 211) und der Klinke (6) über eine Ständer (27; 58) aufweisende, auf einen Flansch im Gehäuse liegende Grundplatte (5) erfolgt.
10. Klappenventil aus Ganzmetall nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (112) als harter Partner beispielsweise aus Edelstahl und die Klappe (21) als weicher Partner beispielsweise aus einer Titanlegierung bestehen.
11. Klappenventil aus Ganzmetall nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (112) als weicher Partner beispielsweise aus einer Titanlegierung und die Klappe (21) als harter Partner beispielsweise aus Edelstahl bestehen.
12. Nicht-ausheizbares Klappenventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (112) oder die Klappe (21) mit einer organischen Dichtung,

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vorzugsweise mit einem Rundschnurring, versehen sind.
13. Klappenventil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Grundplatte (5) ein Umschalter (7) zum Anzeigen der Klappenstellung montiert ist.

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