DE3817581C2

DE3817581C2 - Vakuum-Sicherheitsventil mit Puffervolumen

Info

Publication number: DE3817581C2
Application number: DE3817581A
Authority: DE
Inventors: R Norman Peacock
Original assignee: MKS Instruments Inc
Current assignee: MKS Instruments Inc
Priority date: 1987-07-20
Filing date: 1988-05-24
Publication date: 2000-01-13
Anticipated expiration: 2008-05-25
Also published as: GB2207220A; GB2207220B; GB8806809D0; US4785851A; DE3817581A1; FR2618520B1; FR2618520A1; JPS6479485A; CA1299970C

Description

Die Erfindung betrifft ein Vakuum-Sicherheitsventil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit einer Belüftung aus der Atmosphäre bei Stromausfall und einem Volumen über einem Kolben, dessen Unterseite sich im Vakuum befindet.

Ein Vakuum-Sicherheitsventil ist ein Durchgangsventil, das entwurfsgemäß sich den beiden folgenden Problemen im Zu sammenhang mit einem Stromausfall zuwendet: (a) Wenn eine mechanische Vakuumpumpe stehenbleibt, kann Pumpenöl und Dampf in die Kammer zurückfließen und Teile im Prozess zer stören und (b) verursacht das Anlaufen einer mechanischen Vakuumpumpe unter Vakuum eine hohe Startbelastung, die die Motorschalter durchbrennen oder die Zerstörung des Motors oder der Riemen verursachen kann.

Bestehende Sicherheitsventile arbeiten derart, daß sie bei Stromausfall der Vakuumpumpe den Raum über dem Kolben des Sicherheitsventils, dessen Unterseite an das Vakuum grenzt, aus der Atmosphäre belüften. Die Druckdifferenz über dem Kolben veranlaßt den Kolben zur Bewegung, der damit eine Rückholfeder zusammendrückt und den Durchgang von der Pumpe zur Vakuumkammer schließt. Die Pumpe wird dann durch eine kleine Öffnung im Kolben aus der Atmosphäre belüftet. Die Wiederkehr der Stromversorgung der Vakuumpumpe startet die Pumpe wieder und der Belüftungsmagnet schließt. Das Schlie ßen des Magneten bewirkt die Schließung der Belüftung aus der Atmosphäre und erlaubt das Arbeiten der Pumpe, um den Raum über dem Kolben durch die Öffnung zu evakuieren. Wenn die Druckdifferenz zwischen dem Raum über dem Kolben und der Vakuumkammer ausreichend klein wird, hebt die Rückholfeder den Kolben und öffnet das Ventil.

Im Europäischen Patent Nr. 148 480 ist ein Kolben mit einem Kanal angegeben, wobei der Kanal im Schaft des Kolbens verläuft. Der Kanal verbindet den Raum über dem Kolben mit der Pumpe, wenn das Ventil geschlossen ist. In dieser Anordnung ist das Ventil normalerweise ge schlossen. Es ist kein Puffervolumen zwischen der Atmosphäre und der Kolbenfläche, die die Öffnung besitzt, vorgesehen. Eine Membran trennt das obere Kolbenvolumen vom unteren, über eine Öffnung verbundene Kolbenvolumen. Die Öffnung steht in direkter Verbindung mit der Atmosphäre. Eine Öff nung befindet sich über dem Kolben und steht mit dem einge schlossenen Luftvolumen über dem Kolben in Verbindung. Das Ventil wird von einer Anordnung gesteuert und ist normaler weise geschlossen.

Im US-Patent Nr. 4,070,001 wird ein Vakuum- Sicherheitsventil angegeben, das einen Faltenbalg enthält, der dazu dient, eine Öffnung zu verschließen, wenn das Pumpensystem ausfällt, indem er veranlaßt, daß sich eine runde Platte auf die Öffnung legt. Ein Nebenschluß erstreckt sich durch die runde Platte von deren äußerem Rand zur inneren Oberfläche des Faltenbalges und verbindet so den Innenraum des Faltenbalges mit dem Innenraum des Ventils. Luft von der magnetgesteuerten Belüftung gelangt direkt in den Faltenbalg, und zwar leichter als durch eine Öffnung.

Ein Problem bei den oben besprochenen Ventilen herkömmlicher Art ist, daß beim Schließen des Ventils infolge Ausfalls der Vakuumpumpe Luft durch die Öffnung direkt in die Vakuumkam mer fließt. Dieser Druckimpuls führt unerwünschte Luft in die Vakuumkammer. Solche unerwünschte Luft kann möglicher weise beginnende Prozesse oder Experimente in der Vakuum kammer zerstören oder das Eindringen von Verunreinigungen ermöglichen.

In den Anordnungen herkömmlicher Art wäre es wünschenswert, die einzelne Öffnung beliebig klein zu machen, um den Gas impuls zu verringern, der beim Schließen des Ventils auf tritt. Die einzelne Öffnung der Ventile herkömmlicher Art kann andererseits nicht beliebig klein gemacht werden, um den Gasimpuls zu verringern, da die zur Belüftung der Vakuumpumpe erforderliche Zeit übermäßig zunehmen würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sicherheits ventil zwischen einer Vakuumkammer und einer Vakuumpumpe zu schaffen, bei dem das direkte Einströmen von Luft in die Vakuumkammer während des Schließens des Sicherheitsventils erheblich vermindert ist. Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im Patentanspruch 1 ange geben.

Das Ventil weist ein Puffervolumen auf, das zwischen einem Vakuumsystem und einem Belüftungsventil liegt, wobei das Puffervolumen dazu dient, den Luftstrom von einem Raum ober halb eines Kolbens zum Vakuumsystem dadurch zu begrenzen, daß der Raum oberhalb des Kolbens mit der Belüftung verbun den ist.

Das Ventil kann mit einem magnetgesteuerten Belüftungsventil versehen sein, das mit einem Volumen oberhalb eines Kolbens in Verbindung steht, das seinerseits über eine Öffnung mit einem Puffervolumen und das Puffervolumen schließlich mit dem Vakuumsystem über eine andere Öffnung in Verbindung steht.

Das Sicherheitsventil ist zum Schließen des Durchlasses zu einem Vakuumsystem durch Niederdrücken eines Kolbens vor gesehen, wobei das Niederdrücken des Kolbens durch Öffnen eines Belüftungsventils verursacht wird, das dem Fluid er möglicht, in den Raum oberhalb des Kolbens einzutreten und eine Druckdifferenz zu erzeugen, die den Kolben in den Ventilsitz drückt, wobei der Kolben ein bewegliches Puffer volumen mit sich führt, das Puffervolumen eine Öffnung hat, die mit einem Totraum in Verbindung steht, der Totraum mit dem Belüftungsventil in Verbindung steht und das Puffer volumen außerdem über eine Öffnung mit der Vakuumseite des Ventils Verbindung hat, so daß beim Öffnen des Belüftungs ventils der Kolben schnell niedergedrückt wird und dabei entweder das Vakuumsystem oder die Vakuumpumpe schließt, wobei beim geschlossenen Ventil nur eine relativ geringe Luftmenge in das Vakuumsystem eindringt, weil die Öffnungen des Pufferraumes den Luftfluß vom Totraum in das Vakuum system stark begrenzen; eine flexible Membran wird verwen det, um die Bewegung des Kolbens zu ermöglichen und den toten Raum vom Vakuumsystem zu trennen, so daß unerwünschte Luft oder ein anderes Fluid nicht in das Vakuumsystem ein dringen können.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unter ansprüchen zu entnehmen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird.

Es zeigen:

Fig. 1 Einen Seitenansichtsschnitt eines Sicherheits ventils gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Seitenansichtsschnitt des Ventils nach Fig. 1, wenn während des Startvorgangs der Vakuumpumpe Luft durch das Ventil strömt,

Fig. 3 einen Seitenansichtsschnitt des Ventils nach Fig. 1 mit Luftstrom und Zustand des Ventils im Augenblick des Abschaltens,

Fig. 4 einen Seitenansichtsschnitt des Ventils nach Fig. 1, wenn das Ventil geschlossen ist und wie der Luftstrom im Augenblick des Schließens des Ventils im System erscheint,

Fig. 5 einen Seitenansichtsschnitt des Ventils nach Fig. 4, wenn das Ventil geschlossen ist und wenn nach dem Ausschalten der Gleichgewichtszustand im System erreicht ist,

Fig. 5A einen Seitenansichtsschnitt des Ventils nach Fig. 1 während einer geöffneten Phase des Ventils,

Fig. 6 ein Diagramm des Impulsdruckes über dem Zylinder volumen für ein schließendes Sicherheitsventil, das den sich im Vakuumsystem einstellenden Luft druck gemäß der Erfindung zeigt,

Fig. 7 einen Seitenansichtsschnitt eines Sicherheits ventils mit gleitender O-Ring-Dichtung ohne eine Puffervolumenkammer,

Fig. 8 einen Seitenansichtsschnitt einer anderen Ausfüh rungsform eines Sicherheitsventils, bei dem der Ventilsitz auf dem direkt zur Vakuumpumpe führen den Durchgang liegt und eine rollende Membrandich tung verwendet wird,

Fig. 9 einen Seitenansichtsschnitt eines Weichstart ventils, das dem Ventil nach Fig. 1 ähnlich ist, außer daß die Verbindungen zur Vakuumpumpe und dem Vakuumsystem vertauscht sind und eine zusätzliche Öffnung benutzt wird, um ein sanftes Anfahrver halten im Sicherheitsventil zu erreichen,

Fig. 10 eine schematische Darstellung eines Vierkammer systems, das die Grundlage für theoretische Be rechnungen eines Sicherheitsventils mit einem Puffervolumen gemäß der Erfindung bildet und

Fig. 11 einen Seitenansichtsschnitt einer anderen Ausfüh rungsform, bei der das Puffervolumen außerhalb des Ventilkörpers angeordnet ist.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist ein Sicherheitsventil 2 in geschnittener Seitenansicht dargestellt und mit einem Mag netventil 18 über eine Leitung 25 verbunden. Das Magnetven til 18 steht mit einer Belüftung in Verbindung, die in der bevorzugten Ausführungsform mit der Atmosphäre Verbindung hat.

Das Ventil 2 hat einen Totraum 10 oberhalb der Stirn fläche eines Hohlkörperflansches 12. Der Flansch 12 gleitet entlang einer Führungsstange 13, deren oberes Ende fest mit einem Deckel 16 des Ventils 2 verbunden ist.

Ein Kolben 6 besteht am oberen Ende aus dem Flansch 12, aus einer damit verbundenen, konisch geformten Seitenwand 22, aus einer zylindrischen Seitenwand 23, die mit der Wand 22 verbunden ist und zu unterst aus einer mit Wand 23 verbun denen Wand 24. Der Kolben 6 umschließt ein Puffervolumen 8. Das untere Ende 30 des Flansches 12 ist fest mit einer Bohrung 29 in der untersten Wand 24 verbunden, wobei sich diese Bohrung 29 in einen Ansatz 27 der Wand 24 befindet. Diese Befestigung hält auch die Membran zwischen Kolben 6 und Flansch 12 lecksicher fest. Der unterste Teil der Wand 24 hat eine Oberfläche 32 als Ventilsitz und einen in die Oberfläche 32 eingelassenen O-Ring 15, so daß ein luft- oder fluiddichter Sitz zwischen der Oberfläche 32 und dem Ventilsitz 14 gebildet wird. Der Kolben 6 hat eine Öffnung 11, die die Verbindung zwischen dem Puffervolumen 8 und dem Totraum 10 herstellt. Der Kolben 6 hat eine weitere Öffnung 9, die das Puffervolumen 8 mit dem übrigen Innen raum des Ventils verbindet, das mit der Vakuumpumpe und dem Vakuumsystem kommunizieren kann (schematisch in Fig. 1 mit Pfeilen gekennzeichnet).

Eine flexible Membran 5 liegt auf einem Teil der Wand 22 des Kolbens 6, wie aus Fig. 1 zu ersehen ist. Das eine Ende der Membran 5 ist zwischen dem Gehäuseteil 17 des Ventils 2 und dem Deckelteil 16 des Ventils 2 fest eingespannt. Das andere Ende der flexiblen Membran 5 ist zwischen der Unter seite des Flanschteils des Hohlkörpers 12 und dem obersten Teil der konischen Wand 22 des Kolbens 6 befestigt. Die Membran 5 trennt dabei den Totraum 10 vom übrigen Raum des Ventils 2 und isoliert den Totraum 10 von der Vakuumpumpe und vom System, mit Ausnahme der Verbindung zwischen dem Totraum 10 und dem Puffervolumen 8 durch die Öffnung 11.

Der Totraum 10 ist mit der Bohrung 19 und diese Bohrung 19 mit dem Rohr 25 und dem Magnetventil 18 verbunden. Der Totraum 10 steht daher mit der Belüftung in Verbindung, wenn sich das Magnetventil 18 in geöffneter Lage befindet. Die Belüftung erfolgt vorzugsweise aus der Atmosphäre, kann aber auch aus irgendeinem anderen gewünschten Fluidbehälter erfolgen. Das Schließen des Magnetventils 18 schließt die Verbindung vom Totraum 10 zur Belüftung.

Das Ventil 2 nimmt den Kolben 6 im Ventilkörper 17 auf. Der Ventilkörper 17 ist mit einem Endstück 33 verbunden, das einen Ventilsitz 14 und einen Nasenflansch 3 besitzt. Der Ventilkörper 17 ist außerdem mit einem Gehäuseflansch 4 fest verbunden. In der Ausführungsform nach Fig. 1 ist der Nasenflansch 3 mit dem Vakuumsystem und der der Gehäuse flansch 4 mit der Vakuumpumpe verbunden. In der Stellung des Kolbens 6 in Fig. 1 ist die Vakuumpumpe mit dem Vakuum system über die Öffnung 26 im Gehäuseflansch 4 verbunden, der wiederum mit einer angrenzenden Öffnung (nicht nume riert) im Gehäuseteil 17 und infolgedessen mit dem Innen raum des Gehäuseteils 17 unter der Membran 5 und mit dem äußeren Teil des Kolbens 6 unter der Membran 5 verbunden ist. Der Raum unter der Wand 24 des Kolbens 6 steht mit einem Durchgang, der vom Inneren des Endstückes 33 gebildet wird und mit einem Rohrstück, das von der Innenwand 25 des Nasenflansches 3 gebildet wird, in Verbindung.

Das Endstück 33 besitzt innen einen Absatz (nicht nume riert) zur Aufnahme eines Endes einer Feder 7, die in Fig. 1 schematisch angedeutet ist. Das obere Ende der Feder 7 berührt die Unterseite der Wand 24, um den Kolben 6 federnd in die in Fig. 1 dargestellte Lage zu drücken. Das Sicherheitsventil 2 in Fig. 1 ist in der geöffneten Lage dargestellt, bei der der Kolben 6 mit Hilfe der Feder 7 vom Ventilsitz 14 federnd abgehoben wird und dadurch die direkte Verbindung vom Vakuumsystem zur Vakuumpumpe herstellt.

Das Sicherheitsventil 2 nach Fig. 1 zeigt den Zustand, wenn das Sicherheitsventil nicht in Betrieb ist, d. h. wenn das Belüftungs-Magnetventil 18 geöffnet ist und die Vakuum pumpe, das Innere des Sicherheitsventils und die Geräte des Vakuumsystems alle auf Atmosphärendruck liegen und über die Belüftungsöffnung mit der Atmosphäre verbunden sind. Da dann keine Druckdifferenz über der Membran 5 herrscht, wird der Kolben 6 von der Rückholfeder 7 in der geöffneten Lage gehalten.

Das Magnetventil 18 enthält ein normalerweise geöffnetes Vakuumventil. Das Magnetventil 18 wird von einer (nicht dargestellten) Stromquelle versorgt, die vorzugsweise gleichzeitig die Vakuumpumpe mit Strom versorgt. Wenn die Vakuumpumpe mit Strom versorgt wird, wird das Magnetven til 18 ebenfalls mit Strom versorgt, so daß das Magnetven til 18 schließt und damit die Verbindung zwischen der Belüftung und dem Totraum 10 trennt.

Der Gehäuseflansch 4 ist vorzugsweise mit einem (nicht gezeigten) Zuleitungsrohr verbunden. Das Zuleitungsrohr ist dann in der bevorzugten Ausführungsform mit einer Vor vakuumpumpe verbunden. In der Ausführungsform nach Fig. 1 läuft die Pumpe nicht und an keiner Stelle im System, weder im Puffervolumen noch im Totraum wird ein Vakuum aufrecht erhalten.

Fig. 2 zeigt den Luftstrom im Ventil 2 von Fig. 1 zu einem Zeitpunkt gleich nach dem Anlauf der Vakuumpumpe aus dem Zustand von Fig. 1. In Fig. 2 ist das Magnetventil 18 in einer geschlossenen Stellung, schließt die Bohrung 19 der Belüftung und ermöglicht damit den Aufbau eines Vakuums, das sich sogleich im Ventil 2 einstellt. Beim Anlauf wird zu gleicher Zeit das Magnetventil 18 mit Strom versorgt, um das Ventil zu schließen, die Vakuumpumpe startet und die Evakuierung der Luft aus dem Zuleitungsrohr, aus dem Ven tilgehäuse 2 und den Geräten des Vakuumsystems beginnt (angedeutet durch Pfeile im unteren Teil des Ventils 2 in Fig. 2). Das Kolbenpuffervolumen 8 wird beim Starten über die Öffnung 9 evakuiert, die in direkter Verbindung mit dem Innern von Ventil 2 steht. Schließlich wird der Totraum 10 über dem Kolben 6, der durch die Membran 5 vom Innengehäuse getrennt ist, über die Einlaßöffnung 11 evakuiert, die mit dem Kolbenpuffervolumen 8 in Verbindung steht. Nachdem die Vakuumpumpe in der in Fig. 2 gezeigten Lage des Ventils 2 eine Zeit lang gearbeitet hat, wird das gesamte Innere des Gerätesystems und das gesamte Innere des Ventils 2 auf dem Vakuum gehalten, das die Vakuumpumpe liefert. Das Innere des Kolbens 6 ist genauso evakuiert, wie der Totraum 10, so daß der Kolben 6 in der in Fig. 2 gezeichneten Lage bleibt, weil ein positiver Differenzdruck über der Membran 5 fehlt. Diese Lage und die oben genannten Bedingungen stellen den nominalen und normalen Betriebszustand des Ventils, der Vakuumpumpe und des Vakuumsystems dar. Die Pfeile in Fig. 2 zeigen schematisch den Luftstrom durch das Ventil 2 während des Startvorgangs der Vakuumpumpe (der im allgemeinen gleichzeitig mit dem Schließen des Ventils 18 erfolgt).

Der Kolben 6 des Ventils 2 bleibt in der geöffneten Lage, bis ein Netzausfall eintritt. Beim Eintreten von Netzaus fall schaltet die Vakuumpumpe ab und das Magnetventil 18, das dann gleichzeitig keinen Strom erhält, läßt das ohne Erregung offene Ventil 18 in seine geöffnete Lage gehen und damit Belüftung eindringen. Das Luftstrombild im Ventil 2 kurz nach dem erfolgten Netzausfall zeigt Fig. 3.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ermöglicht das Öffnen von Ven til 18 einen relativ großen Zustrom von Luft durch die Öffnung 19. Der Durchmesser der Öffnung 19 ist wesentlich größer als der der Öffnung 11, so daß eine wesentlich größere Luftmenge schnell durch die Öffnung 19 fließen kann und dann unmittelbar durch die Öffnung 11, solange ein elektrischer Fehler oder ein Abschalten des Systems dauert.

Das Luftstrombild in Fig. 3 zeigt die im wesentlichen sofortige Füllung des Totraumes 10 mit Luft durch die Öffnung 19, so daß ein wesentlicher und deutlicher Druck im Totraum 10 über dem Kolben 6 herrscht. Das bewirkt das Zustandekommen einer abwärts gerichteten Kraft auf den Kolben 6. In dem in Fig. 3 gezeigten Augenblick ist sehr wenig Luft durch die Öffnung 11 in das Puffervolumen 8 geströmt, so daß im Puffervolumen 8 ein wesentlich geringe rer Druck als im Totraum 10 herrscht. Es wirkt daher eine abwärts gerichtete Kraft auf die Oberfläche des Flan sches 12, der Wand 22 und der Membran 5, die den Kolben 6 abwärts gegen die Feder 7 zu drücken versucht. Da außerdem das Puffervolumen 8 ein Ausströmen von Luft nur durch die Öffnung 9 erlaubt, befindet sich das Puffervolumen 8 in dem in Fig. 3 gezeigten Augenblick auf einem Druck, der höher ist, als der, der sich im restlichen Raum von Ventil 2 unterhalb der Membran 5 befindet, der mit den Flanschen 3 und 4 in Verbindung steht. Es geht daher ein wesentlich geringerer Luftstrom durch die Öffnung 9, weil eine relativ geringe Druckdifferenz über der Öffnung 9, also zwischen dem Puffervolumen 8 und dem Systemdruck im Ventil 2 herrscht. Das Ergebnis sind sehr kleine Luftströme aus dem Puffervolumen 8 in das Vakuumsystem während des Abschaltens und des Netzausfalls des Systems.

Die Existenz des Puffervolumens 8 reduziert auf diese Weise wesentlich das Eindringen von Luft oder anderem Fluid in das Vakuumsystem beim Netzausfall oder Abschalten der Vakuumpumpe im Gegensatz zu Anordnungen früherer Art. Das Puffervolumen erlaubt daher die Verwendung einer Bohrung 19 mit relativ großem Durchmesser, um einen relativ schnellen und hohen Druckaufbau über dem Kolben 6 zu ermöglichen, um den Kolben 6 kraftvoll und schnell abwärts gegen die Feder 7 zu drücken, bis der Kolben 6 aufsitzt. Je schneller der Kolben 6 sich abwärts in die Sitzlage bewegt, umso geringer ist die Menge an Luft oder anderem Fluid, die in das Vakuumsystem eindringt. Der Sitz des Kolbens 6 auf dem Sitz 14 verschließt den gesamten Luftfluß zum Vakuumsystem. Das Puffervolumen 8 erlaubt ferner einen verhältnismäßig langsamen Druckaufbau im Zuleitungsrohr und in der Vakuum pumpe selbst während des Abschaltens und vermeidet dadurch einen unnötigen Stoß oder einen plötzlichen Druckaufbau infolge des eingeschränkten Luftstroms durch die Öffnun gen 9 und 11. Die Ventilkonstruktion nach Fig. 1 bis 3 hat infolge der Existenz des Puffervolumens 8 und dem dadurch verringerten Luftstrom in den Raum beim Ventilsitz 14 den weiteren Vorteil, daß der O-Ring 15 und der Sitz 14 ver hältnismäßig frei von Verunreinigungen bleiben. Das sollte die Betriebszeit des Ventils zwischen erforderlicher Reini gung und Reparatur oder Austausch wesentlich erhöhen, da sich die inneren Ventilsitzteile während des Betriebs des Ventils in einer verhältnismäßig sauberen Umgebung be finden, wenn dieses einmal im System eingebaut ist.

Bei der Lage nach Fig. 3 steigt der Druck im Totraum 10 schnell an, bis die resultierende Kraft am Kolben 6 die Grundkraft der Feder 7, die gegen den Druck und gegen das Gewicht des Kolbens 6 wirkt, übersteigt. Mit wachsendem Druck im Totraum bewegt sich der Kolben 6 zusammen mit dem starr befestigten Hohlkörper 12 in Richtung der geschlosse nen Lage (gezeigt in Fig. 4), wobei der Hohlkörper 12 entlang der Führungsstange 13 gleitet. In diesem kurzen Zeitraum fließt Luft aus dem Totraum 10 durch die Öff nung 11 in das Kolbenpuffervolumen 8, wobei es langsam im Kolbenpuffervolumen 8 einen Druck aufbaut. Luft tritt also aus dem Puffervolumen 8 durch die Öffnung 9 in den Ventil körper aus, wie es oben erläutert wurde. Beim Schließen wird zwischen dem Kolben 6 und dem Ventilsitz 14 durch den O-Ring 15 ein vakuumdichter Verschluß hergestellt. Im Ver gleich mit Anordnungen früherer Art bleibt die Zeit, die zur Belüftung der Vakuumpumpe gemäß der Erfindung erforder lich ist, im wesentlichen ungeändert, wenn man die Abmes sungen der Einlaßöffnung 11 und der Kolbenauslaßöffnung 9 richtig auswählt. Bei vergleichbarem Zeitbedarf zum Belüf ten der Vakuumpumpe (zwischen dem Ventil 2 der Erfindung und den Anordnungen früherer Art) wurde eine merkliche Verringerung von Gasdruckstößen (zum Vakuumsystem) beim Schließen und eine entsprechend deutliche Verringerung des Luftmengenflusses in das Vakuumsystem, verglichen mit Systemen früherer Art, erreicht.

Experimente und theoretische Studien zeigen eine nahezu 30fache Verringerung der Größe des Gasstoßes beim Ventil schließen gegenüber Anordnungen früherer Art. Fig. 6 zeigt den Luftdruckstoß beim Schließen als Funktion des Kolben volumens und wird später besprochen. Die Auswahl der Abmes sungen der Öffnungen 9 und 11 entsprechen den Erwägungen des Entwurfs und können, um speziell gewünschtes Verhalten zu erreichen, wie oben besprochen wurde, von Fachleuten der Vakuumsicherheitsventiltechnik dimensioniert werden.

Fig. 4 zeigt das Ventil von Fig. 3 unmittelbar nachdem sich der Kolben 6 auf dem Ventilsitz 14 abgesetzt hat. Wie in Fig. 4 ersichtlich ist, fließt Luft weiterhin in das Spei chervolumen 8 und in das Zuleitungsrohr über den Flansch 4 zur Vakuumpumpe. In Fig. 4 ist der abwärts wirkende Druck im Totraum 10 durch die Pfeile P angedeutet. Der Druck, der auf die Unterseite 24 des Kolbens 6 wirkt, kann vernachläs sigt werden, da der Nasenflansch 3 unter Vakuum steht. Die resultierende Kraft hält das Aufsitzen des Kolbens 6 gegen den Widerstand der Feder aufrecht, die in Fig. 4 zusammen gedrückt zu sehen ist.

Die Membran 5 in Fig. 4 ist vollständig von der konisch geformten Wand 22 abgehoben. Die flexible Eigenschaft der Membran 5 ermöglicht die Bewegung des Kolbens 6 entlang der Führungsstange 13. Da der Flansch 3 direkt unterhalb des Kolbens 6 liegt und mit der Vakuumkammer verbunden ist, und da der Seiteneingang als Flansch 4 mit dem Vakuum verbunden ist, wie in Fig. 3 und 4 dargestellt ist, entsteht ein Vorteil dahingehend, daß die Druckdifferenz über der Mem bran 5 nicht ständig, sondern nur für kurze Zeit des Ven tilschließens und ebenso des Ventilöffnens herrscht. Das bedeutet, daß die Druckdifferenz über der Membran 5 nur so lange besteht, bis das Gleichgewicht im System wieder her gestellt ist, und daß deshalb Langzeitbelastungen der Mem bran verringert werden. Andere Anordnungen werden, wie auch immer, als im Sinn der vorliegenden Erfindung betrachtet.

Fig. 5 zeigt das Ventil 2 in der Sitzlage, wenn das Gleich gewicht erreicht ist, und wenn die Zuleitung, das Puffer volumen 8 und der Totraum 10 alle auf Atmosphärendruck liegen, so daß keine Druckdifferenz über der Membran 5 liegt. Die abwärts wirkende Druckdifferenz liegt nun über der Kolbenwand 24, wie durch abwärts gerichtete Pfeile P in Fig. 5 angedeutet ist. Der abwärts wirkende Druck P über der Kolbenwand 24 verursacht eine resultierende Abwärts kraft, die die Sitzlage des Kolbens 6 gegen den Widerstand der Feder 7 aufrecht erhält. Das Vakuumsystem wird auf einem relativ hohen Vakuumpegel gehalten, weil der O-Ring 15 und die Kolbensitzfläche 32 auf dem Ventilsitz 14 sitzen. Das übrige System wird auf Atmosphärendruck gehal ten und die Belüftung bleibt mit dem Totraumvolumen 10 in Verbindung, da das Ventil 18 während des Ausfalls oder Abschaltens des Vakuumsystems geöffnet bleibt.

Der Öffnungsvorgang zum Öffnen des Ventils 2 beim Start der Vakuumpumpe und beim Schließen des Magnetventils 18 ist im folgenden beschrieben. Dieser Öffnungsvorgang wird, bezogen auf die Lage des Kolbens 6 in Fig. 5A, beschrieben. Nach Rückkehr der Stromversorgung läuft die Vakuumpumpe an und das Magnetbelüftungsventil 18 wird geschlossen. Das Zulei tungsrohr, das Innere des Pumpengehäuses, das Puffervolu men 8 und der Totraum 10 befinden sich alle zunächst auf Atmosphärendruck, da sie vorher durch Öffnen des Belüf tungsventils 18 belüftet wurden. Das Gerätesystem, das unter dem Kolben 6 in Fig. 5 liegt, befindet sich noch im Vakuum, da es durch den Kolben 6, den O-Ring 15 und den Ventilsitz 14 abgedichtet ist.

Die Vakuumpumpe evakuiert dann die Zuleitung, das Innere des Ventilkörpers, das Puffervolumen 8 und den Totraum 10. Wenn die Druckdifferenz über dem Kolben 6 ausreichend ver ringert ist, wird der Kolben 6 durch die Rückholfeder 7 in die geöffnete Lage gedrückt, wodurch die Vakuumpumpe mit dem Gerätesystem verbunden wird. Die Kraft der Rückhol feder 7 ist so bemessen, daß der Kolben 6 nicht eher öffnet, als bis der Zuleitungsdruck unter einen vorher festgelegten sicheren Wert gesunken ist.

Sowohl Anordnungen früherer Art als auch das vorliegende Ventil mit einem Puffervolumen erzeugen beim Öffnen Gas impulse von etwa gleicher Größenordnung. Da bei all diesen Anordnungen während dieser Zeit die Vakuumpumpe arbeitet, werden diese Gasimpulse relativ schnell abgepumpt und sind nicht annähernd so gefährlich, wie es ein großer Luftimpuls (bei Anordnungen früherer Art) beim Schließen des Ventils sein würde.

Das Ventil in der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 5 zeigt die bevorzugte Ausführungsform. Spezielle Eigenschaften dieser Ausführungsform, die besonders vorteilhaft sind, werden im folgenden besprochen. Erstens gibt es hier keine gleitenden Dichtungen, die Trennung zwischen Kolbenoberteil und -unterteil wird durch eine flexible Membrandichtung erreicht, die an ihrem äußeren Rand im Ventilgehäuse und an ihrem inneren Rand in der Hohlkörper/Kolbenfuge eingeklemmt ist. Zweitens sind die beweglichen Teile (die Führungs stange 13 und der Hohlkörper 12) von der "schmutzigen" Seite des Kolbens 6, der dem Vakuumsystem ausgesetzt ist, getrennt. Die Trennung der gleitenden Teile soll eine lange Lebensdauer und Betriebssicherheit fördern. Drittens steht die Öffnung direkt unter dem Kolben 6 (in der Ausführungs form nach Fig. 1 bis 5) mit der Vakuumkammer in Verbindung, wobei diese Anordnung eine vergleichsweise größere Kolben fläche vorsieht, auf die eine Druckdifferenz wirken kann, als vergleichsweise bei anderen Ausführungen, bei denen eine Druckdifferenz "X" nur über einen ringförmigen Bereich zwischen dem Ventilkörper am äußeren Durchmesser und dem Ventilsitz am inneren Durchmesser besteht (wie es in den Ausführungsformen in Fig. 7 und 8 der vorliegenden Anwen dung ersichtlich ist). Außerdem besteht, wie oben erläutert wurde, die Druckdifferenz "X" über der Membran nur für eine kurze Zeitspanne während des Schließens und des Öffnens, anstatt andauernd, wodurch Langzeitermüdungseffekte der Membran 5 verringert werden.

Bei der bevorzugten Ausführungsform wurde festgestellt, daß das Verhältnis von Puffervolumen 8 zu Totraumvolumen 10 (bei geöffnetem Ventil) kein wichtiger Entwurfsparameter für die Funktionsfähigkeit ist, eher wird die optimale Größe des Puffervolumens 8 von einigen Überlegungen be stimmt. Diese Überlegungen schließen die Größe des Geräte systems und Zuleitungsvolumens, den Ventilmechanismus und Kundenwünsche mit ein. Diese vielfachen Abhängigkeiten machen es unmöglich, das Puffervolumen in Form irgendeiner Gleichung oder eines Verhältnisses anzugeben. Die Theorie, die geeignet ist, um das günstigste Puffervolumen zu be stimmen, kann z. B. aus dem (später besprochenen) Diagramm in Fig. 10 zusammen mit der Analyse nach den Gesetzen der Strömungsdynamik, des Wärmeübergangs und den Gesetzen der Physik bezüglich der Erhaltung der Energie, des Moments und der Massen bestimmt werden. Diese sind dem mit der Materie der Vakuumventile Vertrauten bekannt.

In einer bevorzugten Ausführungsform hat für ein Zwei-Zoll- Ventil 2 das Magnetventil 18 einen Öffnungsdurchmesser von 1,59 mm (1/16 Zoll), die Öffnung 11 einen Innendurchmesser von 1,4 mm (0,055 Zoll) und die Auslaßöffnung 9 am Kolben einen Innendurchmesser von 1,12 mm (0,044 Zoll).

In der bevorzugten Ausführungsform liegt außerdem das Volu men des Totraums 10 in der Größenordnung von 33 bis 100 cm³ (2 bis 6 Kubikzoll) und das Puffervolumen 8 in der Größen ordnung von 50 bis 115 cm³ (3 bis 7 Kubikzoll). Alle vorge nannten Abmessungen gelten für ein Zwei-Zoll-Ventil. Das Volumen der Vakuumpumpe der bevorzugten Ausführungsform sollte insbesondere dadurch gering gehalten sein, daß das Sicherheitsventil 18 so nahe wie möglich bei der Vorvakuum- oder Vakuumpumpe eingebaut wird.

In der bevorzugten Ausführungsform sollte die Feder soweit vorgespannt sein, daß die Vorspannkraft der Feder im ent spannten Zustand möglichst gering ist, und zwar daß gerade die erforderliche Kraft aufgebracht wird, um den Kolben 6 mit einem gewünschten Sicherheitsfaktor in der gewünschten oberen Lage zu halten. Dieser "Vorspannungs"-Druck kann bestimmt werden, wenn das Gewicht des Kolbens bekannt ist. Um den Unterschied der Federkraft zwischen geöffneter und geschlossener Lage gering zu halten, sollte die Feder so lang sein, wie es der Platz ermöglicht und die Federkon stante möglichst niedrig liegen. Die Feder muß geeignete Kraft besitzen, um Gewichts- und Reibungskräfte zu überwin den. Was die Kolbenmasse betrifft, so sollte diese als erstes so weit wie möglich verringert werden. Eine Größen ordnung von 90 g (0,2 lbm) oder weniger ist anzustreben.

Der Kolbenquerschnitt sollte etwa 16 bis 23 Quadratzenti meter (2,5-3,5 Quadratzoll) betragen.

Die bevorzugten Abmessungen sind für ein Zwei-Zoll-Ventil angegeben. Es versteht sich aber, daß die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt ist, sondern alle Varianten der oben genannten Art, die von Fachleuten mach bar sind, einschließt.

Fig. 6 stellt ein Diagramm des Druckimpulses in Torr über dem Kolbenvolumen in Kubikzoll dar. Zwei experimentell ermittelte Punkte sind im Diagramm eingetragen. Außerdem ist im Diagramm eine theoretische Kurve eingezeichnet, die verhältnismäßig nahe den experimentellen Ergebnissen folgt. Die Theorie, die zum vorliegenden Entwurf des Ventils ver wendet wurde, wird weiter unten mit Bezug auf Fig. 10 besprochen. Verglichen mit Anordnungen früherer Art, zeigen Versuche und theoretische Überlegungen, daß die Größe des Schließimpulses ungefähr um den Faktor 30 verringert ist.

Das Ventil 40 nach Fig. 7 zeigt ein Ventil mit einer gleitenden O-Ring-Dich tung 43, bei dem der Kolben so angeordnet ist, daß er über der Leitung, die zur Vakuumpumpe anstatt über der, die zum Vakuumsystem führt, sitzt. Der seitliche Flansch 49 führt in dieser Ausführungsform zum Vakuumsystem.

Das Ventil 40 nach Fig. 7 hat einen Kolben 41, der entlang einer Führungsstange 48 gleiten kann. Eine Feder 44 drückt federnd den Kolben 41 aufwärts. Der Kolben 41 ist mit Bohrungen 43 versehen, um den Durchfluß eines Fluids zu ermöglichen. Der Kolben 41 besitzt unten eine Fläche 46. Diese untere Fläche 46 des Kolbens 41 enthält einen festen O-Ring 45, mit dem sie sich gegen einen Flächensitz 47 auf einem Flansch 50 aufsetzt. Eine Öffnung 39 steht mit dem Fluid oberhalb der Kolbenfläche 38 und mit dem Zuleitungs rohr in Verbindung und hat eine ähnliche Aufgabe, wie die Öffnung 9 in der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 5.

Obwohl in Fig. 7 kein Puffervolumen dargestellt ist, geht man davon aus, als läge es im Rahmen der gegenwärtigen Erfindung, einen Kolben mit einem Puffervolumen nach Fig. 1 in der Anordnung nach Fig. 7 zu benutzen, einschließlich der speziellen Verbindungen zur Vakuumpumpe und zum Vakuum system sowie speziell der unteren Form des Kolbens und der Führungsstange, vgl. hierzu auch Fig. 8. Außerdem wird davon ausgegangen, daß die gleitende O-Ring-Dichtung 42 der Ausführungsform nach Fig. 7 anstatt der Membran 5 in der Ausführungsform nach Fig. 1 verwendet werden kann, und zwar mit der Form des Kolbens 6 nach Fig. 1, wenn sie in geeigneter Weise sach gemäß verändert wird, um diese anzupassen. Umgekehrt wird in Betracht gezogen, die Kolbenform und -anordnung nach Fig. 1 für den oberen Kolbenteil des Kolben 41 nach Fig. 7 zu verwenden, so daß ein Puffervolumen und geeignete Luft durchlässe ähnlich wie in Fig. 1 für die Ausführungsform nach Fig. 7 verwendet werden können.

Fig. 8 zeigt im Schnitt die Seitenansicht einer anderen Ausführungsform eines Ventils 60, das ebenfalls ein Magnet ventil 18 besitzt. Die Anschlußanordnung zur Vakuumpumpe und zum Vakuumsystem ist der in Fig. 7 gezeigten ähnlich, am Bodenflansch 70 ist ein Zuleitungsrohr angebracht, das mit der Vakuumpumpe verbunden ist, und ein Seitenflansch 59 steht mit dem Vakuumsystem in Verbindung. Eine Führungs stange 58 führt gleitend eine Führungshülse 71. Die Füh rungshülse 71 ist mit dem Flansch über Arme 72 verbunden. Eine Rückholfeder 54 wird dazu benutzt, um einen Kolben 73 in seine geöffnete Lage gemäß Fig. 8 zurückzudrücken.

Der Kolben 73 besitzt eine obere Kolbenwand 51 und eine untere Kolbenwand 75. Die obere Kolbenwand 51 hat eine Öffnung 53 mit dem gleichen Zweck, wie Öffnung 11 in Fig. 1. Die untere Kolbenwand 75 hat eine Öffnung 74, die mit dem Zuleitungsrohr der Vakuumpumpe in Verbindung steht und deren Funktion der Öffnung 9 von Fig. 1 entspricht. Die untere Wand 75 trägt zusätzlich einen O-Ring 55, der so befestigt ist, daß er gegen den Ventilsitz 57 einen luft dichten Verschluß bildet. Der Kolben 73 besitzt ein Puffer volumen 77, und über der oberen Kolbenwand 51 ist nur ein relativ kleiner Totraum 76 vorgesehen.

Das Ventil 60 hat eine an einem Flansch 62 befestigte obere Wand 61, dazwischen liegt ein Ende einer rollenden Mem bran 52. Das andere Ende der rollenden Membran 52 ist zwischen der Seitenwand und der oberen Wand 51 des Kol bens 73 befestigt. Die Beschaffenheit und Wirkungsweise der rollenden Membran 52 ist der der flexiblen Membran 5 in Fig. 1 ähnlich. Es wird hier festgestellt, daß anstatt der flexiblen Membran 5 in der Ausführungsform nach Fig. 1 auch eine abrollende Membran, wie die Membran 52 in Fig. 8, verwendet werden könnte. Umgekehrt kann auch eine Membran wie die Membran 5 in Fig. 1 anstatt der rollenden Membran 52 in der Ausführungsform nach Fig. 8 verwendet werden. Solche Varianten und Modifikationen gelten im Sinne der Erfindung als eingeschlossen. In der Ausführung nach Fig. 8 sind allerdings die gleitenden Teile Schmutz stoffen ausgesetzt, da sie sich auf der Vakuumseite des Kolbens befinden. Nichtsdestoweniger hat diese Anordnung die dem verminderten Druckimpuls beizumessenden Vorzüge, wie sie bezüglich der Ausführungsform gemäß Fig. 1 bis 5 beschrieben sind.

Ein Ventil 2' für automatischen weichen Anlauf ist in Fig. 9 dargestellt, dessen Ausführungsform nahezu der nach Fig. 1 bis 5 gleicht, das aber zusätzlich eine Beipaßöff nung 31 enthält und bei dem die Verbindungen zur Vakuum pumpe und zum Vakuumsystem vertauscht sind. Das heißt, daß in Fig. 9 der Bodenflansch mit dem Zuleitungsrohr verbunden ist, das jetzt mit der Vakuumpumpe Verbindung hat, wohin gegen der Seitenflansch mit dem Vakuumsystem verbunden ist. Außerdem wurde das Belüftungs-Magnetventil 18 von Fig. 1 in dem Ventil 2' nach Fig. 9 ganz weggelassen.

Das Ventil 2' in Fig. 9 kann dazu benutzt werden, die Vorpumpe oder die Vakuumpumpe während der Anfangsevakuie rung zu drosseln. Ein Weichstart-Ventil 2', wie es in Figur g dargestellt ist, eingebaut in einer Vorvakuum strecke, schließt sehr schnell, wenn ein Trennventil zur Pumpe öffnet. Ein erstes Auspumpen erfolgt durch die kleine Beipaßöffnung 31, die eine kleine Verwirbelung in der Vakuumkammer erzeugt. Das Ventil 2' erhält also einen ge ringeren Druck im Innern der Vakuumpumpe aufrecht und ver ringert das Durchblasen von Öl in die Atmosphäre. Dadurch wird die Vorvakuumzeit ausgedehnt. Wenn die Druckdifferenz über dem Kolben einen vorgewählten kleinen Wert erreicht, öffnet das Ventil 2' automatisch und hinterläßt die Pumpen leitung unter geringster Beeinträchtigung des Gleichge wichtes des Vorvakuum- oder Pumpprozesses.

Die anfängliche Auspumpmenge kann durch geeignete Wahl der Abmessung der Bei paßöffnung 31 gesteuert werden. Die Druckdifferenz, bei der das Ventil öffnen wird, kann durch Ändern der Stärke der Rückholfeder und durch Ändern der Kolbenfläche beeinflußt werden. Der Zeitpunkt der Kolbenöffnung wird auch vom Kol benvolumen und vom Totraumvolumen, zusammen mit den Durch messern der Kolbeneinlaß- und Auslaßöffnungen beeinflußt.

Fig. 10 zeigt schematisch ein theoretisches Modell, das zur Analyse der Strömungsdynamik von Sicherheitsventilen geeig net ist und das zur Vorbereitung der theoretischen Kurve in Fig. 6, die oben besprochen wurde, verwendet wurde. Der Block 90 stellt die Atmosphäre bei einem gegebenen Druck P_o, der dem Atmosphärendruck entspricht, und die Temperatur T_o die Umgebungstemperatur der Atmosphäre dar. Die Luft fließt durch die Öffnung O_s in den Totraum, der durch Block 91 dargestellt ist.

Der Totraum in Block 91 enthält Luft mit einem Druck P_c1 und einer Temperatur T_o. Der Totraum steht über eine Öffnung O_p1 mit einer Kammer 92 in Verbindung, die dem Kolbenpuffervolumen entspricht. Das Kolbenpuffervolumen liegt auf einem Druck P_pis und auf einer Temperatur T_o. Das Kolbenpuffervolumen 92 steht mit dem Vakuumpumpenvolumen 93 durch eine schematisch dargestellte Öffnung O_p2 in Verbin dung. Das Vakuumpumpenvolumen hat den Druck P_vp und die Temperatur T_o.

Die Druckwerte, die Temperaturwerte und die Parameter der verbindenden Öffnungen sind theoretische Werte, die für das reale System repräsentativ sind, aber für die rechnerische Analyse eine vereinfachte Form haben. Die Hauptaufgabe der Analyse ist es in der Lage zu sein, Druck, Temperatur, Dichte und Luftmengenfluß als Funktion der Zeit für ge gebene Ventileingangsparameter zu spezifizieren.

Alle Öffnungen und Durchgänge in Fig. 10 drosseln die Luft, da sie einen Druckabfall über ihren Abgrenzungen erzeugen. Die Drosselung von Gas ist naturbedingt ein nicht umkehrbarer Prozess, die Entropie der Luft wird daher wach sen, wenn sie ihren Weg in die Vakuumkammer 93 nimmt. Lokale Luft, die durch die Enge jeder vorhandenen Öffnung fließt ist, jedenfalls zunächst isentropisch und kann mit eindimensionalen Gleichungen für isentropisch kompressiblen Gasfluß genau beschrieben werden.

Das irreversible Phänomen tritt als eine plötzliche Expansion des Gases auf, wenn die jeweilige Öffnung in das stromabwärts liegende Volumen mündet. Die theoretisch bekannten Gasflußgleichungen sind daher im allgemeinen ausreichend, um die Flußmenge in eine Öffnung anzugeben, sie allein allerdings sind nicht in der Lage, den resultie renden Druck im stromabwärts liegenden Volumen zu spezifi zieren. Dazu sind einige zusätzliche Angaben erforderlich.

Die Sätze von der Erhaltung der Energie und der Erhaltung des Impulses und des idealen Verhaltens von Gasen, die Kennt nis der Abmessungen der gegebenen Kammervolumen, die An nahme vernachlässigbarer Luftgeschwindigkeiten weg von die Öffnungen und die Stetigkeit im Fluidfluß liefern die zusätzlich erforderlichen Angaben, um den resultierenden Druck stromabwärts ausreichend vollständig zu spezifi zieren.

Der Satz von der Erhaltung der Energie hat zusammen mit den Annahmen vernachlässigbarer Luftgeschwindigkeit vor und hinter dem Durchgang durch die Öffnung und mit fehlendem Wärmeübergang zu oder von der fließenden Luft (adiabatische Bedingungen) zur Folge, daß die Temperaturen der Luft stromaufwärts und stromabwärts die gleichen sind. Es sei vermerkt, daß dies für Luft nicht gilt, solange sie durch die Öffnung fließt, da ein Teil ihrer Enthalpie in kine tischer Energie besteht, wie es im kinetischen Energietherm 1/2 MV² ausgedrückt ist, und daß demzufolge die strömende Luft eine niedrigere Temperatur haben wird.

Da die Annahme vernachlässigbarer Geschwindigkeiten zur Spezifizierung der Temperatur stromabwärts entscheidend ist, sind gewisse Überlegungen angebracht. Da die Durch messer der Öffnungen soviel kleiner als die gesamten Dimen sionen der Raumvolumina vor und hinter jeder Öffnung sind, kann man annehmen, daß die Geschwindigkeit der Luft Null ist, solange sie sich in einem der Räume befindet. Das ist eine normalerweise vernünftige Annahme, wenn der Durch messer der Öffnung nicht größer als 1/10 des Durchmessers der stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Räume ist.

Dieses Kriterium ist in der vorliegenden Anwendung erfüllt, da der Öffnungsdurchmesser vorzugsweise in der Größen ordnung von 1 mm (0,04 Zoll) liegt, während der Kammer durchmesser etwa 50 mm (2 Zoll) beträgt, wodurch ein Durch messerverhältnis von 1/50 entsteht.

Die Temperatur des strömenden Gases steigt wieder auf seinen ursprünglichen Wert vor dem Durchgang durch die Öffnung, da seine kinetische Energie in innere Energie zurückgewandelt wird. Thermodynamische Kurven, die diesen Vorgang beschreiben, sind allgemein bekannt.

Aus den oben erwähnten bekannten Gasströmungsgleichungen ist die Größe der Masse in dem stromabwärts gelegenen Raum bekannt, die Temperatur der Luft ist die gleiche wie die stromaufwärts herrschende Temperatur und das Volumen des stromabwärts gelegenden Raumes ist eine gegebene Größe. Es gibt daher ausreichende Informationen, um den stromabwärts herrschenden Druck unter der Annahme idealer Gasgesetz mäßigkeiten zu berechnen.

Eine Auflistung von Annahmen und verwendeten Grund gleichungen lautet folgendermaßen:

- Stationäre Strömung gilt für einen kleinen Zeitabschnitt für Berechnungszwecke bis die Zustandsgrößen aktuali siert werden)
- Eindimensionale Strömung
- Isentropische Strömung
- Kompreessible Fluidströmung
- Eigenschaften und Verhalten eines idealen Gases
- Kein Wärmetransport zu oder von der Luft
- Vernachlässigbare Luftgeschwindigkeiten stromaufwärts und stromabwärts außerhalb der Öffnung.

Luftdruck, Temperatur, Dichte, Strömungsgeschwindigkeit und Kolbenlage können zu jedem Zeitpunkt für jedes Kontroll volumen mit Hilfe geeigneter analytischer Berechnung unter sucht werden, wobei eine vollständige Untersuchung des Einflusses der verschiedenen Ventileingangsparameter, wie z. B. der Öffnungsabmessung, der Raumgrößen, der Fläche und der Masse des Kolbens, der Vorspannung und Federkonstante Rückholfeder, der Förderleistung der Vakuumpumpe, des Zu leitungsvolumens und des Volumens des Gerätesystems möglich ist.

Die im Hinblick auf das Obengenannte verwendeten Grundglei chungen sind jedem Fachmann auf dem Gebiet der Strömungs dynamik von Gasen gut bekannt. Die Berechnungen wurden für den Fall des Ventilschließens und getrennt davon auch für das Ventilöffnen durchgeführt. Während des Öffnens des Ventils ist das Belüftungsmagnetventil 18 geschlossen, und es gibt daher keine Strömung aus der Atmosphäre in den Totraum; die Vakuumpumpe ist jedoch eingeschaltet und daher wird Luft aus dem Raum der Vakuumpumpe abgezogen, was schematisch durch die Anordnung einer Öffnung auf der rech ten Seite von Block 93 darzustellen wäre, um eine Luftmenge anzugeben, die aus dem System entfernt wird. Numerische Verfahren können dann verwendet werden, um die oben erwähn ten Mengen für verhältnismäßig kleine Zeitabschnitte zu berechnen. Ein solches oben besprochenes numerisches Modell ist zur Bestimmung erforderlicher Abmessungen verschiedener Komponenten und erforderlicher Mengen nützlich, um die nötigen Entwurfskriterien zu finden. Solche detaillierte Gleichungen und das theoretische Modell sind zwar für Entwurfszwecke nützlich, sie sind jedoch nicht zum Ver ständnis der vorliegenden Erfindung erforderlich und werden daher hier nicht weiter entwickelt.

Fig. 11 zeigt ein außen angebrachtes Puffervolumen, das schematisch als externes Puffervolumen 100 bezeichnet ist.

Das externe Puffervolumen 100 kann aus jeder geeigneten Kammeranordnung bestehen, die ein Paar Verbindungsleitun gen 110 und 111 hat, die mit dem Innenraum von Ventil 2" in Verbindung stehen. Das Ventil 2" enthält einen Kolben 101, der für Luft undurchlässig ist. Das externe Puffervolu men 100 steht mit den Leitungen 110 und 111 über die ent sprechenden Öffnungen 114 und 113 in Verbindung.

Die Öffnungen 114 und 113 entsprechen den Öffnungen 11 und 9 der Ausführungsform von Fig. 1 und dienen genau dem gleichen Zweck. Die Membran in Fig. 11 trennt nur den oberen Innenraum vom unteren Innenraum des Ventils.

Die oben beschriebenen Ausführungsformen wurden hier nur zur Verdeutlichung herangezogen und können in keiner Weise den Umfang der vorliegenden Erfindung begrenzen. Verände rungen dieser Ausführungsformen und weitere Änderungen in diesem Bereich werden Fachleuten aus dem Gebiet ersicht lich, zu dem die vorliegende Erfindung gehört.

Claims

1. Vakuum-Sicherheitsventil (2) mit

1. einem Ventilgehäuse (16, 17), das eine erste Anschlußöffnung (25) und eine zweite Anschlußöffnung (26) aufweist,
2. einer selektiv zu öffnenden Belüftungseinrichtung (18),
3. einem im Ventilgehäuse zwischen einer ersten, geöffneten Lage und einer zweiten, geschlossenen Lage beweglichen Kolben (6),
4. einem Ventilsitz (14) als Anlage für den beweglichen Kol ben (6) in der zweiten geschlossenen Lage, so daß die erste Anschlußöffnung (25) und die zweite Anschlußöffnung (26) miteinander in Verbindung stehen, wenn sich der bewegliche Kolben (6) in der ersten, geöffneten Lage befindet, und die erste Anschlußöffnung (25) verschlossen ist, wenn sich der bewegliche Kolben (6) in der zweiten, geschlossenen Lage befindet,
5. einem Verschluß (5; 42; 52) zur Unterbindung der Fluid- Übertragung zwischen der selektiv öffnenden Belüftungsein richtung (18) und der zweiten Anschlußöffnung (26),
6. einem Arbeitsvolumen veränderlicher Größe, das durch die selektiv zu öffnende Belüftungseinrichtung (18) belüftet wird und durch das Ventilgehäuse (17), den beweglichen Kol ben (6) und den Verschluß (5) begrenzt ist,
7. einer ersten Drosselöffnung (11; 114),
8. wobei die selektiv zu öffnende Belüftungseinrichtung (18) zu öffnen ist, wenn das Innere des Ventilgehäuses unter Va kuum steht, und beim Öffnen der selektiv öffnenden Belüf tungseinrichtung (18) Fluid von einer Fluidquelle den beweg lichen Kolben (6) beaufschlagt, so daß der Kolben (6) die erste Anschlußöffnung (25) schließt,

dadurch gekennzeichnet, daßein Puffervolumen (8; 100) vorgesehen ist, das mit dem Arbeitsvolumen über die erste Drosselöffnung (11; 114) verbunden ist und mit dem Abschnitt des Inneren des Ventil gehäuses, der mit der zweiten Anschlußöffnung (26) in Ver bindung steht, über eine zweite Drosselöffnung (9; 113) verbunden ist,
wobei das Puffervolumen (8) ausreichend groß ist, um die Zeit zur Einleitung der Belüftung gegenüber der Zeit, die von dem Kolben (6) zum Schließen der ersten Anschlußöffnung (25) benötigt wird, merklich zu vergrößern, so daß die erste Anschlußöffnung (25) durch den beweglichen Kolben (6) ge schlossen wird, bevor ein merklicher Fluidverlust aus dem Puffervolumen (8) über die zweite Drosselöffnung (9) auf tritt.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsvolumen zwischen der Oberseite des beweglichen Kol bens (6) und der selektiv öffnenden Belüftungseinrichtung (18) in der ersten geöffneten Lage des Kolbens (6) ein Tot volumen (10) aufweist.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Verschluß eine flexible Membran (5) auf weist, die den beweglichen Kolben (6) mit dem Ventilgehäuse (16, 17) verbindet.

4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Membran (5) zur Trennung des Inneren des Ventil gehäuses (16, 17) einen fluiddichten Verschluß um den Kolben (6) herum bildet, so daß verschiedene Fluiddrücke auf beiden Seiten der flexiblen Membran (5) gehalten werden können.

5. Ventil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsvolumen mit der einen Seite der flexiblen Membran (5) in Verbindung steht und der Abschnitt des Inneren des Ventilgehäuses (16, 17), der mit der zweiten Anschlußöffnung (26) in Verbindung steht, mit der anderen Seite der flexiblen Membran (5) in Verbindung steht.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die flexible Membran (5) eine allgemein schei benartige, ringförmige Form aufweist.

7. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschluß eine gleitende O-Ring-Dichtung (42) ist, die das Fluid daran hindert, zwischen der Außenwand des be weglichen Kolbens (6) und der Innenwand des Ventilgehäuses (17) hindurchzuströmen.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß der Verschluß eine abrollende, flexible Membran (52) aufweist.

9. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die selektiv arbeitende Belüftungsein richtung (18) ein selektiv arbeitendes Ventil aufweist, wobei das Öffnen dieses Ventils die Verbindung zwischen der Fluidquelle und dem Inneren des Ventilgehäuses (16, 17) herstellt.

10. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Anschlußöffnung (25) mit einem Vakuumsystem verbunden ist.

11. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Anschlußöffnung (26) mit einer Vakuumpumpe verbunden ist.

12. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Anschlußöffnung (25) mit der Unterseite des beweglichen Kolbens (6) in Verbindung steht, wenn sich der Kolben (6) in der geschlossenen Lage auf dem Ventilsitz (14) befindet.

13. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter gekennzeichnet durch einen Führungsstab (13), der mit einem Ende im Ventilgehäuse (16) befestigt ist und der die Bewe gung des beweglichen Kolbens (6) im Ventilgehäuse (16, 17) führt.

14. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Puffervolumen (8) innerhalb des beweglichen Kolbens (6) vorgesehen ist.

15. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge kennzeichnet, daß das Puffervolumen (100) extern vorgesehen ist und mit dem Arbeitsvolumen über eine erste Verbindungs leitung (110) und die erste Drosselöffnung (114) verbunden ist und mit dem Abschnitt des Inneren des Ventilgehäuses, der mit der zweiten Anschlußöffnung in Verbindung steht, über die zweite Drosselöffnung (113) und eine zweite Ver bindungsleitung (111) verbunden ist.