DE4036296C2 - Ventilanordnung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein am Gehäuse einer Vakuumpumpe oder eines Vakuumrezipienten angeordnetes Vakuumventil.

Beim praktischen Einsatz von Vakuumventilen ist es sehr wichtig, hohe Leitwerte bei kompakten Bauformen erzielen zu können. Auch ist es wichtig, zur Überwindung der ab­ zusperrenden Druckdifferenz Lösungen für die Ventilaus­ führung zu finden, welche mit möglichst geringem Kraft­ aufwand beim Stellvorgang auskommen. Gerade in der Vaku­ umtechnik kommt diesen Anforderungen eine sehr grosse Bedeutung zu. In der Elektronikindustrie werden zum Bei­ spiel für die Herstellung von Mikroschaltkreisen ver­ schiedenste Prozessschritte in Vakuumprozessanlagen durchgeführt. Je nach Anforderung werden Verfahren zur Herstellung von dünnen Schichten, Ätzverfahren, Verfah­ ren zur Oberflächenaktivierung, sowie thermische und op­ tische Verfahren in solchen Prozessanlagen verwendet. Diese Prozesse stellen unter anderem sehr hohe Anforde­ rungen an die Reinheit. Kleinste Verunreinigungen der Substrate haben in der Regel Folgen für die Qualität des Produktes oder lassen es gar nicht zu, ein funktionsfähiges Produkt zu erzeugen. Eine spezielle Rolle spielt in diesem Zusammenhang die Qualität des Vakuums in dessen Umge­ bung sich der Prozess abspielt. Es ist Aufgabe einer fachmännischen Dimensionierung des Vakuumsystems die notwendigen Bedingungen zu schaffen, dass hinreichend gute Ergebnisse in der Vakuumqualität ermöglicht wer­ den. Gute Vakuumbedingungen sowie wirtschaftliche Produktdurchsätze werden bei solchen Prozessanlagen wesentlich durch die Leistungsfähigkeit des Pumpsy­ stemes mitbestimmt. Neben der richtigen Dimensionie­ rung der Pumpe müssen mit besonderer Sorgfalt Verluste in Ventilen und Leitungen so gering wie möglich gehalten werden. Dieser Anforderung gerecht zu werden ist in der praktischen Ausführung oft mit Schwierig­ keiten verbunden. Bei ungünstiger Leitungsauslegung können die Leitungsverluste sogar so stark ansteigen und systembestimmend dominieren, dass der Einfluss der Pumpenleistung nicht mehr stark in Erscheinung treten kann. Vakuumsysteme mit guten Pumpleistungen erfordern neben leistungsfähigen Pumpen Pumpleitungen mit gross­ em Leitwert welche relativ grosse Leitungsquerschnitte erforderlich machen. Werden Ventile in Leitungen ein­ gebaut so darf durch den Durchlassquerschnitt des Ven­ tils der Leitwert nicht unzulässig verschlechtert werden. Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass grosse Leitungsquerschnitte bei den gestellten Forderungen auch entsprechend grosse Ventilöffnungsquerschnitte verlangen, um Verluste gering halten zu können. Solch grosse Ventilöffnungen verlangen, zur Überwindung der anliegenden Druckdifferenz, hohe Stellkräfte, welche eine robuste Konstruktion sowohl des Ventiles wie auch des Ventilantriebes erforderlich machen. Die bekannten Ventilkonstruktionen weisen aus den erwähnten Gründen in der Regel grosse Gesamtabmessungen auf. Diese wirken sich sehr ungünstig auf die Ausführungsmöglich­ keiten von Prozessanlagen aus.

Eine zusätzliche Problematik ergibt sich durch die bei solchen Ventilen auftretenden grossen Stellkräfte. Diese Kräfte müssen in geeigneten Lagern aufgefangen werden. In der Vakuumtechnik sind aber Lagerungen wegen der bekannten Schmierproblematik schwieriger zu lösen als in anderen technischen Bereichen. Bei hoch­ reinen Vakuumanwendungen ist die Verwendung von Schmiermittel stark eingeschränkt oder teilweise gar nicht zulässig. In diesem Fall ist aber besonders bei hohen Reibungskräften mit erhöhtem Abrieb und da­ mit mit erhöhtem Auftreten von Partikeln zu rechnen. Diese Partikelerzeugung wird bei grossen Reibungs­ kräften wesentlich stärker auftreten als bei geringen. Beispielsweise bei der Herstellung von Mikroschalt­ kreisen oder beispielsweise bei der Herstellung von Speicherplatten sind solche Partikel wegen der hohen Reinheitsanforderungen nicht erwünscht. Solche Partikel führen mit Sicherheit zu Produktausfällen. Bei der Konzeption und bei der Realisierung solcher Prozess­ anlagen werden deshalb alle möglichen Vorkehrungen ge­ troffen, um die Erzeugung von Partikeln zu vermeiden oder auf einem beherrschbaren geringen Niveau zu hal­ ten.

In der US Patentschrift 4 712 768 ist ein Ventil vom Typ "Butterfly" beschrieben. Der gleiche Ventiltyp wird in Fig. 2 in eingebautem Zustand zusammen mit ei­ ner Kryopumpe dargestellt. Das Ventil 20 wird ge­ öffnet, beziehungsweise geschlossen durch Drehung der Ventilplatte 21 um eine Querachse. Bei grossen Leitungsdurchmessern ist bei dieser Ventilbauart auch ein grosser Durchmesser des Ventiltellers 21 not­ wendig. Die Grösse dieses Ventiltellers 21 bestimmt denn auch die notwendige Bauhöhe der Anordnung weil der nötige Schwenkbereich des Ventiltellers durch dessen Durchmesser vorgegeben ist. Die Drehlager müssen hierbei die volle Kraft aufnehmen, welche sich im wesentlichen aus der Druckdifferenz und der Tellerfläche ergibt.

Bei diesen Ventilarten dominieren diese Kräfte gegen­ über den Reibungs- und Verpressungskräften der Dich­ tungen. Die grossen Stellkräfte erforden einen verhält­ nismässig grossen Antrieb 22, welcher für diese Art Ventil als Drehantrieb seitlich angebaut ist. Neben der grossen Bauhöhe erfordern solche Ventile auch freien Raum seitlich. Bei Vakuumprozessanlagen werden, vor allem im Bereich der industriellen Produktion von Mikroschaltkreisen hohe Anforderungen an kompakte An­ lagenbauweise gestellt. Diese Art Anlagen erfordern eine sehr aufwendige Infrastruktur der Gebäude wegen den erfoderlichen Reinraumbedingungen und den sehr aufwendigen Installationen für die benötigten Be­ triebsmittel für diese Anlagen. In solchen Pro­ duktionsonsgebäuden zum Beispiel bei Reinraumklasse 10, müssen heute für einen m² Anlagenstellfläche Kosten von 10'000 bis 20'000 $ investiert werden. Diese Anlagen müssen wegen der immer komplexer werdenden Verfahren auch vom Ausrüstungsgrad her immer aufwendiger gebaut werden. An die verwendeten Bauteile müssen deshalb aus wirtschaftlichen Gründen vermehrt hohe Anforderungen an kompakte Bauweise gestellt werden.

Die Servicefreundlichkeit kann bei kompakten Anlagen, wenn diese gut strukturiert sind ebenfalls beträcht­ lich verbessert werden, was wiederum der wirtschaft­ lichen Betriebsweise und der Zuverlässigkeit der Anlage entgegen kommt. Oft sind bei den beschriebenen Anlagen mehrere Arbeitsstationen notwendig. Dies hat zur Folge, dass mehrere Pumpsysteme auf engstem Raum nebeneinander angeordnet werden müssen. Ventile der Art wie sie in der erwähnten US-PS beschrieben sind, können den erwähnten Anforderungen oft nicht mehr genügen.

In Fig. 1 ist ein weiteres bekanntes Ventil 19 vom Typ Plattenventil dargestellt bei welchem die Ventil­ platte 21 im Gegensatz zum beschriebenen Ventil 20 aus Fig. 2 nicht um die zentrale Achse gedreht wird sondern als ganze Platte eingeschwenkt wird. Diese Ventilbauart weist bezüglich kompakter Baumöglichkeit im wesentlichen dieselben Nachteile auf wie das Ventil aus Fig. 2. Es hat zusätzlich noch den Nachteil, dass der Mechanismus für das Einschwenken der Platte auf­ wendiger ist als ein Drehen der Platte um die Quer­ achse.

Fig. 3 zeigt schematisch einen Ventilaufbau 23 nach dem Typ Schiebeventil. Wie aus der Figur ersichtlich kann diese Ventilbauart sehr flach gebaut werden. Der Ventilschieber benötigt aber zur Betätigung einen sehr langen seitlichen Schiebeweg. Die Probleme einer kom­ pakten Bauweise können auch mit diesem Ventiltyp nicht optimal gelöst werden. Wegen der grossen auftretenden Reibungskräfte und Reibungsflächen tritt hierbei auch das Partikelproblem verschärft auf. In der Deutschen Patentschrift DE 32 09 217 wird ein Schiebeventil der erwähnten Art beschrieben.

Wenn bei Vakuumanlagen von Pumpsystemen sehr hohe Leit­ werte beziehungsweise sehr gute Pumpwerte gefordert wer­ den, können Pumpen 24 direkt oder sogar mit teilweisem Eintauchen der Pumporgane 12 in den abzupumpenden Rezi­ pienten am Vakuumrezipienten 7 angebaut werden. Dies ist dann eine brauchbare Lösung, wenn keine Absperrorgane zwischen Pumpe 24 und Prozesskammer 7 notwendig sind. Ein solches Beispiel zeigt die Fig. 4 im Querschnitt.

Die Anordnung zeigt eine heute oft verwendete Kryopumpe mit in die Prozesskammer eintauchenden Kryoflächen 12 welche das eigentliche Pumpelement bilden. Die Pumpe ist durch diese Einbauart wegen dem geringen Abstand und der guten Exponierung der Pumpelemente gegenüber dem Prozess für optimale Ergebnisse positioniert. In sehr vielen An­ wendungsfällen müssen aber die Pumpen durch Absperrvor­ richtungen 19, 20, 23 dicht abgetrennt werden können. Diese Absperrventile sollen aber die optimalen Betriebs­ bedingungen wie sie sich aus der in Fig. 4 dargestell­ ten Einbauart einstellen nicht wesentlich verschlech­ tern.

Aus DE-OS 26 00 581 ist ein auch für Vakuumanlagen geeig­ netes Ventil bekannt, dessen Verschlussglied eine an ei­ nem Schwenkhebel gelenkig gelagerte Ventilplatte ist. Dieses Ventil hat im wesentlichen die gleichen Nachtei­ le, wie vorstehend für das Plattenventil gemäß Fig. 1 erläutert.

Aus US 1477722 ist ein Ventil für das Verschließen von Druckwasserleitungen, insbesondere bei Wasserturbinenan­ lagen, bekannt, das ein doppelwandiges Rohrstück aus zwei zueinander koaxialen Rohrwandungen aufweist, von denen die eine Rohrwandung axial verschiebbar ist und sich in der einen Endlage der Verschiebung mit einer ko­ nischen Dichtfläche gegen eine entsprechende konische Dichtfläche eines die feststehende Rohrwandung ver­ schließenden Deckels anlegt und dadurch die Durchgangs­ öffnung des Ventils verschließt. Bei Druckwasserlei­ tungsventilen treten die vorstehend geschilderten, bei Vakuumventilen zu beachtenden Probleme nicht auf. Auch würde sich diese Konstruktion eines Druckwasserleitungs­ ventils nicht für die Anwendung bei einem Vakuumventil eignen, weil an dem konischen Ventilsitz unvermeidlich Abrieb auftreten würde, der in Vakuumanlagen nicht tole­ rierbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein am Gehäuse einer Vakuumpumpe oder eines Vakuumrezipienten angeord­ netes Vakuumventil zu schaffen, welches die vorerwähnten Nachteile der bekannten Typen von Vakuumventilen nicht aufweist. Insbesondere soll ein Vakuumventil geschaffen werden, das bei kompakter Bauweise in axialer und radia­ ler Richtung ein sehr gutes Leitwertverhalten zeigt, ge­ ringe Stellkräfte benötigt und weitgehend frei von Par­ tikelabrieb an den Dichtflächen ist.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Die Unteransprüche beziehen sich auf weite­ re vorteilhafte Merkmale des erfindungsgemäßen Vakuums­ ventils.

Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand der Figuren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1-4 Vakuumventilanordnungen nach dem Stand der Technik;

Fig. 5 schematisch einen Längsschnitt eines bevor­ zugten erfindungsgemässen Vakuumventils mit einem feststehenden Aussenrohr als Ventil­ gehäuse und mit einem axial bewegbaren ko­ axialen inneren Rohrstück als Stellelement;

Fig. 6 eine Ausführungsvariante eines erfindungs­ gemässen Vakuumventils mit feststehendem zentralem Gehäuse und koaxialem axial be­ wegtem äusserem Rohrteil als Stellelement;

Fig. 7 ein teilweise im Längsschnitt dargestelltes erfindungsgemässes Ausführungsbeispiel inte­ griert in das Gehäuse einer Kryopumpe.

Ein Gehäuse 1 eines erfindungsgemässen Ventiles ist rohrförmig ausgebildet und mit einem Deckel 13 abgeschlossen. An der Rohrwandung 1 sind eine oder mehrere Öffnungen 5 vorgesehen wodurch im geöffneten Ventilzustand das Medium durchtritt. Das Gehäuse 1 kann beispielsweise über eine Flanschverbindung 15 an einer Rezipientenwand 7 mit der Schraubverbindung 9 über eine Dichtung 8 dichtend montiert werden. Die Durchtrittsöffnungen 5 sind vorzugsweise nahe am Gehäusedeckel 13 angeordnet. Diese fensterartigen Oeffnungen 5 sind durch schmale Stege 16 getrennt welche den Gehäusedeckel 13 tragen. Die Stege 16 sind gegenüber den Oeffnungen 5 nur so breit wie nötig ausgebildet, um die auf den Gehäusedeckel 13 wirkenden Kräfte aufnehmen zu können. Die Summe der einzelnen Oeffnungsquerschnitte 5, in Fig. 7 strichliert ein­ getragen, wird so gewählt, dass ein genügend grosser Leitwert zur Verfügung steht. Als Richtwert für gute Ergebnisse soll der Gesamtöffnungsquerschnitt etwa gleich gross oder grösser als der Rohrleitungs­ querschnitt vorgesehen werden.

Das Verschlusselement 2 ist koaxial zum rohrförmigen Gehäuse 1 ausgebildet. Dieses deckt in geschlossener Stellung die Oeffnungen 5 mit den Dichtungen 3 und 4 dichtend gegenüber dem Gehäuse 1 ab. In den Fig. 5 bis 7 ist das Ventil in geschlossener Stellung dar­ gestellt. Zum Öffnen oder Schliessen des Ventiles wird das Verschlusselement 2 in axialer Richtung 6 be­ wegt bis die Oeffnungen 5 frei gegeben sind oder in geschlossener Stellung die Dichtungen 3 und 4 gegen die Dichtflächen am Gehäuse 1 beziehungsweise am Gehäusedeckel 13 anpressen. Die in geschlossener Stellung durch die Druckdifferenz auftretenden Kräfte werden wegen der Rohrausbildung durch das Verschluss­ element 2 selbst getragen. Das Schliessen des Ventiles belastet den Antrieb im Wesentlichen nur durch die für die Verpressung der Dichtungen 3 und 4 nötigen Kräfte.

Vor allem bei grossen Ventildurchmessern weist die er­ findungsgemässe Ausführung neben der kompakten Bau­ form grosse Vorteile auf bezüglich geringem Kraftauf­ wand beim Stellen oder beim Halten in Endposition. Die für die Verpressung der Dichtungen 3 und 4 nötigen Kräfte wachsen etwa proportional mit dem Durchmesser des Ventiles. Bei herkömmlichen Ventilausführungen, wo zusätzliche Belastung durch die Druckdifferenz auf Lager und Antriebe wirken, wachsen diese proportional mit der Querschnittsfläche beziehungsweise quadratisch zum Durchmesser des Ventiles.

Wegen der geringen Stell- und Haltekräfte lässt sich der Antrieb für das Verschlusselement 2 einfach und kompakt aufbauen. Auch die Lagerung wird dadurch wesentlich vereinfacht. Ein zusätzlicher Vorteil be­ züglich der Lagerung und Führung des Verschlussele­ mentes 2 ergibt sich dadurch, dass ausschliesslich axiale Kräfte auftreten. In Fig. 7 ist beispielsweise ein erfindungsgemässes Ventil dargestellt welches direkt im Gehäuse einer Kryopumpe eingebaut ist. Das Gehäuse 1 ist gleichzeitig Pumpengehäuse und Ventil­ gehäuse. Dies schafft besonders günstige Einbauver­ hältnisse. Die Pumpfläche 12 ist im geöffneten Ventil­ zustand durch extrem kurze Wege gegenüber der Prozess­ kammer exponiert. Dies ergibt zusammen mit den grossen Oeffnungsquerschnitten besonders günstige Verhältnisse im Pumpverhalten. Es können annähernd Werte erreicht werden wie sie bei der bereits erwähnten Ausführung gemäss Fig. 4 möglich sind. In Fig. 7 wird das Ver­ schlusselement beispielsweise durch die Schubstangen 10 welche von Pressluftzylindern 11 angetrieben wer­ den bewegt und gelagert. Es können aber ohne weiteres auch andere bekannte Antriebsarten, welche translato­ rische Bewegungen erzeugen, verwendet werden. Die in Fig. 7 dargestellte Ausführung stellt aber eine beson­ ders platzsparende Ausführungsform der Erfindung dar. Selbstverständlich können solche Ventile auch vorteilhaft bei anderen Pumpenarten wie beispielsweise Diffu­ sionspumpen, Turbomolekularpumpen, mechanische Pumpen, Getterpumpen usw. eingebaut oder angebaut werden. Das Ventil ist aber nicht nur in Kombination mit einer Pumpe verwendbar, es kann auch vorteilhaft in Lei­ tungen eingebaut werden oder als Verbindungselement von Kammern verwendet werden.

Ein weiterer Vorteil dieses Ventiles ist die Möglich­ keit neben der Schliessfunktion den Leitwert kontinu­ ierlich einstellen zu können ohne dass wie bei anderen Ventilarten üblich zusätzliche Drosseleinrichtungen notwendig sind. Oft werden beispielsweise in der Vakuumdünnschichttechnik Prozesse mit Gaslast ge­ fahren. Bei den entsprechend notwendigen Gasmengen beziehungsweise Drücken würden die Pumpen oft nicht mehr im richtigen Arbeitspunkt arbeiten wenn nicht durch eine Drosselvorrichtung für dessen Ein­ haltung gesorgt wird. Mit dem erfindungsgemässen Ventil kann dieses Problem einfach gelöst werden indem das Verschlusselement 2 Positionen einnehmen kann, welche zwischen den beiden Endlagen liegen. Die Oeff­ nungen 5 werden so nach Bedarf mehr oder weniger frei gegeben. Dies hat zur Folge, dass der Leitwert ver­ ändert wird. Auf diese Weise können verschiedene Arbeitspunkte nach Bedarf in Schritten oder konti­ nuierlich eingestellt werden.

In vielen Fällen ist es aber notwendig stets wechs­ elnde Verhältnisse ausgleichen zu können. Bei solchen Anforderungen ist es vorteilhaft das erfindungsgemässe Ventil als dynamisches Stellglied eines Regelkreises zu verwenden. Besonders günstig ist bei dieser Anwen­ dung das Uebertragungsverhalten der Drosselfunktion dieses Ventiles. Der Leitwert steht in einem linearen Zusammenhang mit dem axialen Verschiebeweg 6. Ein solches Stellverhalten ist bekanntlich bei Regel­ systemen für stabiles und günstiges Betriebsverhalten sehr erwünscht.

Claims (8)

1. Am Gehäuse einer Vakuumpumpe oder eines Vakuumrezi­ pienten angeordnetes Vakuumventil mit folgenden Merk­ malen:

• a) ein doppelwandiges Rohrstück aus zwei zueinander koa­ xialen Rohrwandungen (1, 2), die relativ zueinander axial verschiebbar sind;
• b) ein an einer der Rohrwandungen (1) angebrachter, die­ se verschließender Deckel (13), welcher so ausgebil­ det ist, daß sich die andere Rohrwandung (2) in einer Endlage der Relativverschiebung axial dichtend an den Deckel (13) anlegt;
• c) mindestens eine Öffnung (5) in der einen Rohrwandung (1), die im Verschiebebereich der Rohrwandungen (1, 2) liegt;
• d) eine auf der dem Deckel (13) abgewandten Seite der Öff­ nung (5) angeordnete Dichtungsanordnung (3) zwischen den Rohrwandungen (1, 2), die in der einen Endlage der Relativverschiebung eine axial beanspruchte Dich­ tung zwischen den Rohrwandungen (1, 2) bildet.

2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass der Abschlussdeckel (13) am Aussenrohr an­ gebracht ist in dessen Wandung auch die Öffnung (5) vorgesehen ist.

3. Ventilanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Querschnitt der Öffnung (5) einstellbar ist, um bestimmte vorgegebene Leitwerte einzustellen, vorzugsweise motorisch einstellbar ist.

4. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Öffnung (5) kontinuierlich und/oder in Schritten veränderbar ist, um bestimmte vorgegebene Leitwerte einzustellen.

5. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwandung (2) kontinuier­ lich und/oder in Schritten verschieblich ist, um be­ stimmte vorgegebene Leitwerte einzustellen.

6. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die gesteuerte Öffnung (5) Stellgrösse eines Regelkreises ist.

7. Vakuumpumpe mit einer Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1-6 im Ansaugstutzen, wobei das Pumpenge­ häuse vorzugsweise die eine Rohrwandung (1) mit Deckel (13) bildet.

8. Vakuumanlage mit mindestens einer Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1-6.