EP2855004A1 - Selbstöffnende vakuumdose - Google Patents

Selbstöffnende vakuumdose

Info

Publication number
EP2855004A1
EP2855004A1 EP13730096.8A EP13730096A EP2855004A1 EP 2855004 A1 EP2855004 A1 EP 2855004A1 EP 13730096 A EP13730096 A EP 13730096A EP 2855004 A1 EP2855004 A1 EP 2855004A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
actuating device
cover
holder
lid
expansion body
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13730096.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Marek
Torsten Scherer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Karlsruher Institut fuer Technologie KIT filed Critical Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Publication of EP2855004A1 publication Critical patent/EP2855004A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J3/00—Processes of utilising sub-atmospheric or super-atmospheric pressure to effect chemical or physical change of matter; Apparatus therefor
    • B01J3/03—Pressure vessels, or vacuum vessels, having closure members or seals specially adapted therefor

Definitions

  • Actuating device for displacing a lid relative to a holder
  • the invention relates to an actuating device for displacing a lid relative to a holder receiving this displaceable and a vacuum container with this.
  • a lid in its most general form separates one volume from another
  • an actuator by displacement of the lid against a fixed, for example, arranged on a container or a wall holder opening or closing the opening at least partially before.
  • Such actuators are operated manually or by a drive and therefore require access. In environments in which this access is not manually possible or difficult, sometimes complicated measures to operate the lid must be made.
  • the object of the invention is the development of an actuating device for displacing a lid relative to a receiving this holder, in which a displacement takes place automatically and without external manipulation. Furthermore, object of the invention to provide a vacuum container with this actuator. The object is solved by the features of claim 1 concerning an actuator and the features of claim 10 relating to a vacuum container.
  • the dependent claims relating to these claims relate to advantageous embodiments.
  • An actuating device for displacing a cover relative to a holder accommodating the latter displaceably contains a mechanical energy store between lid and holder along a displacement path between the cover and the holder and an expansion body which adjusts the force counteracting the force depending on a thermodynamic state variable in the environment of the actuating device with closed volume.
  • the mechanical energy storage and the expansion body causes the lid relative to the holder, for example in the form of a wall or a container in a first environment, for example, ambient air assumes a first position and changing one or more selected state variables by reaction of the expansion body on a second environment, for example, occupies a second position in an examination device.
  • the reaction of the expansion body causes the force of the mechanical energy storage counteracting counterforce.
  • thermodynamic state variable is preferably an effective on the closed volume of the expansion body intensive size such as temperature and / or pressure.
  • the volume of the expansion body and volume work to be done, which forms a counterforce to the mechanical energy storage, which varies depending on the environment.
  • the energy storage bias the lid in the closed state against the holder and the expansion body with changing state variable shift the lid against the action of the energy storage in an open position.
  • the lid can be displaced by means of the expansion body under tensile stress, if its volume is increased, for example, at decreasing pressure and / or increasing temperature.
  • the lid can be displaced against the action of the energy storage in an opening or closing position by means of a compressive stress at magnifying volume.
  • the expansion body may for example be designed in the sense of a piston / cylinder unit, wherein the piston in the cylinder due to the change of a thermody- Namischen state variable, axially displaced, for example, with changing pressure or temperature and thus causes the displacement of the lid.
  • the piston / cylinder unit is effectively arranged between the cover and the holder.
  • the lid about a pivot bearing relative to the support tilting or in a further embodiment with respect to the holder about a rotation axis rotatable öeek-el-be provided, for which purpose the expansion body is tangent to the pivot point hinged to the lid and rotatably connected to the holder.
  • the expansion body is designed as an elastic, arranged between the cover and the holder cavernous body, which may be, for example, a balloon or inflatable body and on the one hand to the lid and on the other hand, the holder is attached. Due to a change in shape of the erectile tissue by changing its closed volume at pressure and / or temperature changes its environment brings this Schwell stresses the necessary counterforce to the force of the mechanical energy storage and displaced automatically and without additional actuator or drive elements lid and bracket against each other.
  • the closed volume of the expansion body may be filled at least partially with a liquid boiling at a temperature and / or pressure provided for an actuation. If, for example, the pressure in the area of the actuating device is lowered and / or the temperature is raised, a liquid such as water and the like can change from the liquid to the gaseous state and thus increase its volume many times and therefore increase the counterforce-forming effect.
  • the mechanical energy store can be formed from a spring device with one or more screw, spiral, membrane, leaf, disc springs and the like.
  • the mechanical energy storage of elastic materials for example, as an organic buffer, for example, plastic, rubber or rubber and the like may be formed.
  • the mechanical energy storage supports a displacement of the lid relative to the holder in the opening and closing direction relative to a component with the holder, for example a container or a wall in the opposite direction to the force of the expansion body.
  • the bearing of the lid relative to the holder can be linear, rotary or pivoting. For example, the lid can be moved in a linear bearing arrangement relative to a component in the sense of a sliding window against an opening.
  • the mechanical energy storage and the expansion body are arranged linearly effective as antagonists in the sliding direction of the lid.
  • the cover relative to the holder about an axis of rotation in the same plane is rotatable, wherein the cover has a cutout which is arranged in the open state with a section of the support member carrying the cover and the cover in the closed state in the existing component Section covered.
  • the mechanical energy storage and the expansion body are arranged in this case tangential to the rotational movement of the lid effectively as antagonists.
  • the lid and holder can be connected to each other by means of a pivot bearing rotatable one another as tiltable in the sense of a door or window stop.
  • the mechanical energy storage and the expansion body are effectively arranged as antagonists about the axis of rotation. It has proven to be advantageous in this case if the cover has a curvature and a swelling body forming the expansion body is arranged over at least part of the curvature and the rotary bearing is fastened crosswise between the cover and the holder.
  • the pivot bearing may be provided elastically biased play related to its axis of rotation and preferably against the axis of rotation.
  • a vacuum container is provided which the
  • the holder in the form of a bottom plate or a container and the lid thereby close between a sample volume and are sealed in a closed state against each other.
  • the lid may be arranged on the front side of a cylindrical container, for example, or on the side of a container, for example on a flat side or cylinder jacket surface.
  • the bottom plate may have an area for receiving a sample, over which a curved lid is closed.
  • atmosphere-sensitive substances and samples for example with a corresponding composition and / or corresponding surface structure, between two protective environments, for example a preparation site and a measuring chamber of an analytical device for its characterization.
  • two protective environments for example a preparation site and a measuring chamber of an analytical device for its characterization.
  • such measuring chambers can be designed simply and without further manipulation tools for opening the vacuum container. For example, applying a vacuum that is necessary anyway is sufficient to open the proposed vacuum container by expanding the expansion body, for example, under vacuum, and closing the closing force of the mechanical energy accumulator as a result of the counterforce developing therefrom, thereby opening the vacuum container.
  • At least one is preferably in the vacuum container
  • Residual vacuum applied which supports the closing action of the mechanical energy storage.
  • the pressure in the vacuum container can vary, a protective gas can be flushed in and / or the vacuum container can be opened.
  • wire feedthroughs for heating, electrical communication and the like may be provided for monitoring the internal conditions and manipulation of the interior of the vacuum container.
  • means for monitoring the pressure and / or the temperature may be provided in the vacuum container, for example in a sample volume.
  • a further swelling body can be provided in a particularly simple manner, on the basis of which degree of filling the quality of the vacuum can at least be estimated.
  • intended wire feedthroughs can be used to carry out experiments, for example a measurement of solar cells in the case of a translucent lid and the like.
  • the actuator and a vacuum container with this are particularly suitable for all applications in which a separation between an indoor environment and atmospheric conditions, regardless of which side is the damaging, is required.
  • atmosphere-sensitive substances can be protected from the atmosphere and atmospheric-dependent processes can be protected from vacuum.
  • an astronaut helmet or a lock in space can be self-closing depending on an action of vacuum.
  • Applications in atmospherically sensitive materials may be advantageously provided, for example, in research, development, and production of battery and accumulator technology (e.g., lithium and its compounds), BioHazard, genetics, medical, nuclear, and the like.
  • battery and accumulator technology e.g., lithium and its compounds
  • BioHazard e.g., lithium and its compounds
  • BioHazard e.g., lithium and its compounds
  • the harmful effects of a content of the vacuum chamber e.g., a protection of the external atmosphere may be provided in front of the interior of the vacuum vessel.
  • the proposed vacuum containers can be advantageous for example in the development of batteries, organic solar cells, sensor materials, fuel cells, hydrogen storage materials, vaccines, optical components and the like, in which surface-sensitive layers and contaminated materials are produced in glove boxes (glovebox) with exclusion of air and water. as long as they are not sealed with a metal electrode, a capping layer, a case, or the like.
  • the morphology of their surfaces has a significant influence on the efficiency and is therefore examined before the sealing by scanning electron microscopy (SEM).
  • SEM scanning electron microscopy
  • the lid is transparent and vacuum-proof made of glass or plastic and the container or the bottom plate made of metal.
  • materials used in particular for use for biological materials can be designed for a resistance at temperatures greater than 120 ° C.
  • the expansion body may also be made of correspondingly resistant material or as well as for replacement in case of damage or prevention of damage in an autoclave by a self-adjusting in the closed volume pressure in a simple manner removable as can be provided aushssenbar to the vacuum vessel.
  • Autoclaving with the vacuum container open can be achieved, in particular, if a liquid is used in the expansion body which under autoclaving conditions builds up a greater pressure in the expansion body, for example by having a lower boiling point than the water normally used during hot steam sterilization.
  • the vacuum container is kept open and closes automatically after cooling, so that the sample chamber of the vacuum container and its environment are germ-free.
  • an exchangeability of the expansion body may be advantageous to
  • the opening time to various external pressures and / or committeeentempe- to adapt to For this purpose, to set a shift criterion of the lid with respect to the holder of the actuating device and the vacuum container with this one or more liquids can be provided with different boiling point in the closed volume of the expansion body.
  • an opening of the lid, depending on the boiling point of the expansion body filling can be set to different ambient pressures, which is achieved for example at low pressures (high-quality vacuum) with the addition of water, medium pressures with the addition of ethanol and higher pressures with the addition of dichloromethane.
  • a lid displaced by means of an expansion body filled with water is essentially displaced only at temperatures greater than 100 °, while with the use of dichloromethane a shift already takes place by temperatures around 40 °. It is understood that further solids and / or liquids are included with corresponding to the desired displacement of the lid adapted sublimation or boiling points of the invention.
  • the choice of expansion body filling also affects the closing time before reaching the atmospheric pressure and thus also the residual vacuum that remains in the can. It is understood that a suitable shielding gas is used to protect the sample during flooding of a vacuum chamber, for example, surrounding the measuring chamber.
  • the lid can be displaced without substantially changing the pressure by means of a change in the thermostated temperature, for example.
  • a predetermined displacement temperature such as opening temperature can be set. For example, opens a container filled with dichloromethane expansion body at about 40 ° C under inert gas at atmospheric pressure. Under heat extraction, such a trained container closes automatically.
  • a container which opens when cooled or overpressure. If, for example, a solid having a predetermined sublimation point, for example carbon dioxide, is used as the filling in the expansion body, this keeps the enclosed volume under normal conditions, so that counterpressure counteracting the force of the mechanical energy store closes the lid in a closed position. holds this position. Upon cooling or overpressure, the trapped volume decreases and the mechanical energy storage device gains excess weight and opens the container.
  • a solid having a predetermined sublimation point for example carbon dioxide
  • the invention encompasses any form of displacement of the lid relative to the holder.
  • the cover may have a latching function or brake to prevent inadvertent closing of a vacuum container when the external vacuum collapses.
  • a corresponding lock can be provided mechanically and be activated or deactivated by means of a conscious modulation of the controlling state variable - pressure and / or temperature.
  • the lid could open and activate a latching function, which is deactivated again after a brief increase in pressure, and only after renewed evacuation followed by an increase in pressure, the lid can be fully closed again, such as when opening upwards Cupboard doors is provided, which can only fully close again when they are raised again.
  • the vacuum container may be provided means for monitoring and examination of the interior.
  • the pressure, the temperature and / or the internal atmosphere for example the residual moisture, the residual oxygen content, for example by means of a slightly oxidizing sample of an alkali or alkaline earth metal, and the like detected and directly through a display or the like inside the vacuum vessel displayed and / or transmitted to the outside for further signal processing.
  • FIG. 1 shows a 3D view of a vacuum container with an actuating device in the closed state
  • Figure 2 is a 3D view of the vacuum container of Figure 1 in the open state.
  • FIG. 1 shows a 3D view of the vacuum container 1 with the actuating device 2 in the closed state.
  • the arched - shown here transparent - cover 3 is on one side of the holder 4, which also forms the bottom plate 5, taken to the axis of rotation d displaced.
  • the lid 3 is added to the bearing 10 in the radial direction of the axis of rotation d play.
  • a vacuum can be applied in the sample space 8 or an existing vacuum can be reinforced.
  • a non-visible pressure valve can be provided.
  • the expansion body 11 is arranged effectively.
  • this is arranged as Schwellianu 12, the bulge 13 of the lid 3 across at a first end 14 with the bearing 10 opposite the receptacle 15 and by means of a second end 16 with the holder 4 attached to the receptacle 17, the bearing 10th firmly connected across, for example, is mounted.
  • the cavernous body 12 contains a closed volume 18 which is filled with a gas or at least partially with a liquid.
  • the closed volume 18 of the swelling body 12 changes, so that its length is shortened and exerts a counterforce to the force exerted by the mechanical energy store 6, which lifts off due to the set lever kinematics of the lid 3 leads from the bottom plate 5.
  • the counterforce is greater than the force at a predetermined pressure such as negative pressure or vacuum and / or at a predetermined temperature, in particular when a liquid present in the closed volume 18 exceeds the boiling point.
  • Figure 2 shows the vacuum container 1 in the open state with lifted from the holder 4 with the bottom part cover 3 and expansion body 11 with increased volume 18 and thus shortened ends 14, 16.
  • the bearing 10 and the holder 4 has a stop, not shown for limiting the Displacement angle of the lid 3.
  • the receiving surface 19 for a sample has, for example, the recess 20 for receiving a sample holder.
  • the ring seal 9 and the planar sealing surface 21 form the sealing device in the closed state of the vacuum container 1.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Sampling And Sample Adjustment (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Betätigungsvorrichtung (2) zur Verlagerung eines Deckels (3) gegenüber einer diesen verlagerbar aufnehmenden Halterung (4) sowie einen Vakuumbehälter (1) mit dieser. Um den Deckel (3) systembedingt und ohne Hilfsmaßnahmen gegenüber der Halterung (4) verlagern zu können, sind zwischen Deckel (3) und Halterung (4) entlang einer Verlagerungsstrecke ein eine Kraft zwischen Deckel (3) und Halterung (4) einstellender mechanischer Energiespeicher (6) und ein abhängig von einer in der Umgebung der Betätigungsvorrichtung (2) thermodynamischen Zustandsgröße eine der Kraft entgegenwirkende Gegenkraft einstellender Expansionskörper (11) mit geschlossenem Volumen (18) vorgesehen.

Description

Betätiqungsvorrichtung zur Verlagerung eines Deckels gegenüber einer Halterung und
Vakuumbehälter mit dieser
Die Erfindung betrifft eine Betätigungsvorrichtung zur Verlagerung eines Deckels gegenüber einer diesen verlagerbar aufnehmenden Halterung sowie einen Vakuumbehälter mit dieser.
Ein Deckel in seiner allgemeinsten Form trennt ein Volumen von einem anderen,
beispielsweise verschließt er eine Öffnung eines Behälters von der Umgebung. In diesem Sinne nimmt eine Betätigungsvorrichtung durch Verlagerung des Deckels gegenüber einer fest, beispielsweise an einem Behälter oder einer Wandung angeordneten Halterung ein Öffnen oder Schließen der Öffnung zumindest teilweise vor. Derartige Betätigungsvorrichtungen werden manuell oder von einem Antrieb betätigt und erfordern daher einen Zugriff. In Umgebungen, in denen dieser Zugriff manuell nicht möglich oder erschwert ist, müssen teilweise aufwendige Maßnahmen zur Betätigung des Deckels vorgenommen werden.
Beispielsweise werden unter normalen Umgebungsbedingungen empfindliche Materialien in Behältern transportiert und aufbewahrt. Um diese Materialien zu untersuchen oder in anderer Weise zu behandeln, sind aufwendige Schleusungsvorgänge notwendig, um die Materialien unter Ausschluss der Umgebungsbedingungen von einer Schutzumgebung in die andere verbringen zu können. Hierbei werden entsprechende Behälter wie Vakuumbehälter in unter Schutzgas stehende oder evakuierte Untersuchungsvorrichtungen wie Rasterelektronenmikroskope, Analysengeräte und dergleichen oder Manipulationsvorrichtungen wie Handschuhkästen und dergleichen eingebracht. Im Anschluss muss der Vakuumbehälter geöffnet werden. Hierzu ist beispielsweise aus der DE 10 2008 062 080 A1 eine Vorrichtung zum Transport von atmosphärenempfindlichen Proben bekannt. Eine dicht schließende Probenkammer ist hierbei durch einen Deckel und einen Behälter gebildet, die mittels eines Drehverschlusses geöffnet werden kann. Zum Öffnen des Proberaums muss der Behälter festgehalten und der Deckel abgedreht oder umgekehrt verfahren werden. Derartige Manipulationseinrichtungen stehen in vielen Untersuchungs- und Manipulationseinrichtungen nicht zur Verfügung.
Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung einer Betätigungsvorrichtung zur Verlagerung eines Deckels gegenüber einer diesen aufnehmenden Halterung, bei der eine Verlagerung selbsttätig und ohne äußere Manipulation erfolgt. Desweiteren ist Aufgabe der Erfindung, einen Vakuumbehälter mit dieser Betätigungseinrichtung vorzuschlagen. Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 betreffend eine Betätigungseinrichtung und die Merkmale des Anspruchs 10 betreffend einen Vakuumbehälter gelöst. Die auf diese Ansprüche rückbezogenen Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen.
Eine Betätigungsvorrichtung zur Verlagerung eines Deckels gegenüber einer diesen verlagerbar aufnehmenden Halterung enthält dabei einen zwischen Deckel und Halterung entlang einer Verlagerungsstrecke eine Kraft zwischen Deckel und Halterung einstellenden mechanischen Energiespeicher und einen abhängig von einer in der Umgebung der Betätigungsvorrichtung thermodynamischen Zustandsgröße eine der Kraft entgegenwirkende Gegenkraft einstellenden Expansionskörper mit geschlossenem Volumen. Bei entsprechender Auslegung des mechanischen Energiespeichers und des Expansionskörpers wird bewirkt, dass der Deckel bezüglich der Halterung, beispielsweise in Form einer Wandung oder eines Behälters in einer ersten Umgebung, beispielsweise Umgebungsluft eine erste Stellung einnimmt und bei Änderung einer oder mehrerer ausgewählter Zustandsvariablen durch Reaktion des Expansionskörpers auf eine zweite Umgebung beispielsweise in einer Untersuchungseinrichtung eine zweite Stellung einnimmt. Hierbei bewirkt die Reaktion des Expansionskörpers eine der Kraft des mechanischen Energiespeichers gegenwirkende Gegenkraft. Hierbei ist die thermodynamische Zustandsgröße bevorzugt eine auf das geschlossene Volumen des Expansionskörpers wirksame intensive Größe wie Temperatur und/oder Druck. Infolge der allgemeinen Gasgesetze kann aus Temperatur- und Druckunterschieden das Volumen des Expansionskörpers geändert und Volumenarbeit geleistet werden, die eine Gegenkraft zum mechanischen Energiespeicher ausbildet, die sich abhängig von der Umgebung ändert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Energiespeicher den Deckel in geschlossenem Zustand gegen die Halterung vorspannen und der Expansionskörper bei sich ändernder Zustandsgröße den Deckel entgegen der Wirkung des Energiespeichers in eine Öffnungsposition verlagern. Hierbei kann beispielsweise der Deckel mittels des Expansionskörpers unter Zugbeanspruchung verlagert werden, wenn dessen Volumen beispielsweise bei sich verminderndem Druck und/oder zunehmender Temperatur vergrößert wird. Alternativ kann der Deckel mittels einer Druckbeanspruchung bei sich vergrößerndem Volumen entgegen der Wirkung des Energiespeichers in eine Öffnungs- oder Schließposition verlagert werden.
Der Expansionskörper kann beispielsweise im Sinne einer Kolben-/Zylindereinheit ausgebildet sein, wobei sich der Kolben im Zylinder aufgrund der Änderung einer thermody- namischen Zustandsgröße, beispielsweise bei sich änderndem Druck oder Temperatur axial verlagert und damit die Verlagerung des Deckels bewirkt. Hierzu ist die Kolben- /Zylindereinheit wirksam zwischen Deckel und Halterung angeordnet. Hierbei kann der Deckel um ein Drehlager gegenüber der Halterung kippend oder in einer weiteren Ausführungsform gegenüber der Halterung um eine Drehachse verdrehbar öeek-el-vorgesehen sein, wobei hierzu der Expansionskörper tangential zum Drehpunkt an dem Deckel angelenkt und mit dem Halter verdrehbar verbunden ist. In bevorzugter Weise ist der Expansionskörper als elastischer, zwischen Deckel und Halterung angeordneter Schwellkörper ausgebildet, der beispielsweise ein Ballon oder Blähkörper sein kann und einerseits an dem Deckel und andererseits der Halterung befestigt ist. Aufgrund einer Formänderung des Schwellkörpers durch Änderung dessen geschlossenen Volumens bei Druck- und/oder Temperaturänderungen seiner Umgebung bringt dieser Schwellkörper die notwendige Gegenkraft zu der Kraft des mechanischen Energiespeichers auf und verlagert dabei selbsttätig und ohne zusätzliche Aktuator- oder Antriebselemente Deckel und Halterung gegeneinander.
Zur Verstärkung der Volumenänderung des geschlossenen Volumens über die ausschließliche Änderung aufgrund von Temperatur und/oder Druck eines Gases kann in besonders vorteilhafter Weise ein Phasenübergang fest/gasförmig oder flüssig/gasförmig vorgesehen sein, der im Bereich der Änderung der thermischen Zustandsgröße in der Umgebung der Betätigungseinrichtung wirksam ist. Beispielsweise kann das geschlossene Volumen des Expansionskörpers zumindest teilweise mit einer bei einer für eine Betätigung vorgesehenen Temperatur und/oder einem vorgesehenen Druck siedenden Flüssigkeit befüllt sein. Wird beispielsweise im Bereich der Betätigungseinrichtung der Druck erniedrigt und/oder die Temperatur erhöht, kann eine Flüssigkeit wie Wasser und dergleichen vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergehen und damit sein Volumen um ein Vielfaches erhöhen und daher den die Gegenkraft ausbildenden Effekt verstärken.
Der mechanische Energiespeicher kann aus einer Federeinrichtung mit einer oder mehreren Schrauben-, Spiral-, Membran-, Blatt-, Tellerfedern und dergleichen gebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann der mechanische Energiespeicher aus elastischen Werkstoffen, beispielsweise als organischer Puffer beispielsweise aus Kunststoff, Gummi oder Kautschuk und dergleichen ausgebildet sein. Der mechanische Energiespeicher unterstützt dabei eine Verlagerung des Deckels gegenüber der Halterung in Öffnungs- und Schließrichtung gegenüber einem Bauteil mit der Halterung, beispielsweise einem Behälter oder einer Wandung in entgegengesetzter Richtung zur Kraftwirkung des Expansionskörpers. Die Lagerung des Deckels gegenüber der Halterung kann linear, rotativ oder schwenkend sein. Beispielsweise kann der Deckel in einer linear lagernden Anordnung gegenüber einem Bauteil im Sinne eines Schiebefensters gegen eine Öffnung verschoben werden. Dementsprechend sind der mechanische Energiespeicher und der Expansionskörper als Antagonisten in Schiebrichtung des Deckels linear wirksam angeordnet. Bei einer rotativen Lagerung ist der Deckel gegenüber der Halterung um eine Drehachse in derselben Ebene verdrehbar, wobei der Deckel einen Ausschnitt aufweist, der im geöffneten Zustand mit einem Ausschnitt des die Halterung tragenden Bauteils überdeckend angeordnet ist und der Deckel im geschlossenen Zustand den im Bauteil vorhandenen Ausschnitt überdeckt. Der mechanische Energiespeicher und der Expansionskörper sind in diesem Falle tangential zu der Drehbewegung des Deckels wirksam als Antagonisten angeordnet. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel können Deckel und Halterung mittels eines Drehlagers miteinander einseitig verdrehbar wie verkippbar im Sinne eines Tür oder Fensteranschlags miteinander verbunden sein. Hierbei sind der mechanische Energiespeicher und der Expansionskörper als Antagonisten um die Drehachse wirksam angeordnet. Es hat sich hierbei als vorteilhaft gezeigt, wenn der Deckel eine Wölbung aufweist und ein den Expansionskörper bildender Schwellkörper über zumindest einen Teil der Wölbung angeordnet und zwischen Deckel und Halterung das Drehlager übergreifend befestigt ist. Um insbesondere während eines Schließvorgangs des Deckels im Bereich eines mit diesem dichtenden Bauteils wie Bodenplatte, Behälter und dergleichen eine sichere Abdichtung beispielsweise gegenüber einer Ringdichtung oder dergleichen zu erzielen, kann das Drehlager radial zu dessen Drehachse und bevorzugt gegen die Drehachse elastisch vorgespannt spielbehaftet vorgesehen sein.
Nach dem erfinderischen Gedanken ist ein Vakuumbehälter vorgesehen, der die
vorgeschlagene Betätigungseinrichtung enthält. Die Halterung in Form einer Bodenplatte oder eines Behälters und der Deckel schließen dabei zwischen sich ein Probenvolumen ein und sind in einem geschlossenen Zustand gegeneinander abgedichtet. Der Deckel kann an der Stirnseite eines beispielsweise zylindrischen Behälters oder an der Seite eines Behälters, beispielsweise an einer planen Seite oder Zylindermantelfläche angeordnet sein. Weiterhin kann die Bodenplatte einen Bereich zur Aufnahme einer Probe aufweisen, über dem ein gewölbter Deckel geschlossen wird.
Der Vakuumbehälter dient in besonders vorteilhafter Weise dem Transport und der
Aufbewahrung von atmosphärenempfindlichen Stoffen und Proben, beispielsweise mit einer entsprechenden Zusammensetzung und/oder entsprechenden Oberflächenstruktur, zwischen zwei Schutzumgebungen, beispielsweise einem Präparationsort und einer Messkam- mer eines analytischen Geräts zu dessen Charakterisierung. Aufgrund der selbstöffnenden Funktion des Vakuumbehälters können derartige Messkammern einfach und ohne weitere Manipulationswerkzeuge zum Öffnen des Vakuumbehälters ausgebildet sein. Beispielsweise ist ein Anlegen eines sowieso notwendigen Vakuums ausreichend um den vorgeschlagenen Vakuumbehälter zu öffnen, indem der Expansionskörper beispielsweise unter Vakuum sein geschlossenes Volumen ausdehnt und infolge der sich daraus entwickelnden Gegenkraft die Schließkraft des mechanischen Energiespeichers aufhebt und damit der Vakuumbehälter öffnet.
Unter Normaldruck ist in bevorzugter Weise in dem Vakuumbehälter zumindest ein
Restvakuum angelegt, das die Schließwirkung des mechanischen Energiespeichers unterstützt. Zusätzlich kann beispielsweise mittels zumindest eines in dem Vakuumbehälter vorgesehenen Ventils der Druck in dem Vakuumbehälter variieren, ein Schutzgas eingespült und/oder den Vakuumbehälter geöffnet werden. Weiterhin können zur Überwachung der inneren Bedingungen und Manipulation des Innenraums des Vakuumbehälters Drahtdurchführungen zur Beheizung, elektrischen Kommunikation und dergleichen vorgesehen sein. Desweiteren können in dem Vakuumbehälter, beispielsweise in einem Probevolumen Mittel zur Überwachung des Drucks und/oder der Temperatur vorgesehen sein. Zur Überwachung eines Vakuums kann beispielsweise in besonders einfacher Weise ein weiterer Schwellkörper vorgesehen sein, anhand dessen Füllgrads die Güte des Vakuums zumindest abschätzbar ist. Weiterhin können vorgesehene Drahtdurchführungen der Durchführung von Experimenten dienen, beispielsweise einer Vermessung von Solarzellen bei lichtdurchlässigem Deckel und dergleichen.
Die Betätigungsvorrichtung und ein Vakuumbehälter mit dieser eignen sich insbesondere für alle Anwendungen, bei denen eine Trennung zwischen einer Innenumgebung und atmosphärischen Bedingungen, unabhängig davon, welche Seite die schädigende ist, erforderlich ist. Beispielsweise können atmosphärenempfindliche Stoffe vor der Atmosphäre geschützt und atmosphärenabhängige Vorgänge vor Vakuum geschützt werden. Beispielsweise kann in diesem Fall ein Astronautenhelm oder eine Schleuse im Weltraum abhängig von einer Einwirkung von Vakuum selbststätig geschlossen werden. Anwendungen in Bereichen mit atmosphärisch empfindlichen Stoffen können beispielsweise in Forschung, Entwicklung und Produktion der Batterie- und Akkumulatortechnik (beispielsweise Lithium und dessen Verbindungen), in BioHazard-Bereichen, Genetik-Bereich, in der Medizin, Kerntechnik und dergleichen vorteilhaft vorgesehen werden. Beispielsweise im BioHazard- und Kerntechnik- Bereich kann daher aufgrund der schädigenden Eigenschaften eines Inhalts der Vakuum- kammer ein Schutz der äußeren Atmosphäre vor dem Inneren des Vakuumbehälters vorgesehen sein.
Die vorgeschlagenen Vakuumbehälter können beispielsweise in der Entwicklung von Batterien, organischen Solarzellen, Sensormaterialien, Brennstoffzellen, Wasserstoffspeichermaterialien, Impfstoffen, optischen Bauteilen und dergleichen vorteilhaft sein, bei denen oberflächenempfindliche Schichten sowie kontaminationsgefährdete Materialien unter Luft- und Wasserausschluss beispielsweise in Handschuhkästen (Glovebox) hergestellt werden, solange sie nicht mit einer Metallelektrode, einer Deckschicht, einem Gehäuse oder dergleichen versiegelt sind. Die Morphologie deren Oberflächen hat einen erheblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad und wird daher vor der Versiegelung mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) untersucht. Mittels des Vakuumbehälters wird dabei ein Einschleusen der zu untersuchenden Proben in das Rasterelektronenmikroskop ohne jeglichen Atmosphärenkontakt ermöglicht.
Die Materialien des Vakuumbehälters richten sich in vorteilhafter Weise nach deren
Einsatzzweck. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Deckel durchsichtig und vakuumfest aus Glas oder Kunststoff und der Behälter beziehungsweise die Bodenplatte aus Metall hergestellt sind. Im Weiteren können zur Erzielung einer Autoklavierbarkeit des Vakuumbehälters insbesondere für einen Einsatz für biologische Materialien verwendete Materialien auf eine Beständigkeit bei Temperaturen größer 120°C ausgelegt sein. Hierbei kann der Expansionskörper ebenfalls aus entsprechend beständigem Material hergestellt sein oder ebenso wie zum Ersatz bei Beschädigung oder zur Vorbeugung einer Beschädigung bei einer Autoklavierung durch einen sich im geschlossenen Volumen einstellenden Überdruck in einfacher Weise entfernbar wie aushängbar an dem Vakuumbehälter vorgesehen sein. Eine Autoklavierung bei geöffnetem Vakuumbehälter kann insbesondere dann erzielt werden, wenn in dem Expansionskörper eine Flüssigkeit verwendet wird, die unter Autoklavie- rungsbedingungen einen größeren Druck im Expansionskörper aufbaut, beispielsweise indem diese einen kleineren Siedepunkt als das üblicherweise während einer Heißdampfsterilisation verwendete Wasser aufweist. Hierdurch wird der Vakuumbehälter offengehalten und schließt sich selbsttätig nach dem Abkühlen, so dass der Probenraum des Vakuumbehälters und dessen Umgebung keimfrei sind.
Weiterhin kann eine Austauschbarkeit des Expansionskörpers vorteilhaft sein, um
beispielsweise den Öffnungszeitpunkt an verschiedene Außendrücke und/oder Außentempe- raturen anzupassen. Hierzu können zur Einstellung eines Verlagerungskriteriums des Deckels gegenüber der Halterung der Betätigungsvorrichtung und des Vakuumbehälters mit diesem ein oder mehrere Flüssigkeiten mit unterschiedlichem Siedepunkt in dem geschlossenen Volumen des Expansionskörpers vorgesehen sein. Beispielsweise kann eine Öffnung des Deckels, je nach Siedepunkt der Expansionskörperfüllung auf unterschiedliche Umgebungsdrücke eingestellt werden, was beispielsweise bei kleinen Drücken (hochwertiges Vakuum) mit Zusatz von Wasser, mittleren Drücken mit Zusatz von Ethanol und höheren Drücken mit Zusatz von Dichlormethan erzielt wird. Dasselbe gilt für ausgewählte Temperaturen, so wird beispielsweise ein mittels eines mit Wasser gefüllten Expansionskörpers verlagerter Deckel erst bei Temperaturen größer 100° wesentlich verlagert, während bei Einsatz von Dichlormethan eine Verlagerung bereits um Temperaturen um 40° stattfindet. Es versteht sich, dass weitere Festkörper und/oder Flüssigkeiten mit entsprechend an die gewünschte Verlagerung des Deckels angepassten Sublimations- beziehungsweise Siedepunkten von der Erfindung umfasst sind. Die Wahl der Expansionskörperfüllung beeinflusst auch den Schließzeitpunkt vor Erreichen des Atmosphärendrucks und somit auch das Restvakuum, das in der Dose verbleibt. Dabei versteht sich, dass zum Schutze der Probe beim Fluten einer den Vakuumbehälter beispielsweise umgebenden Messkammer ein geeignetes Schutzgas verwendet wird.
Alternativ zur Steuerung der Verlagerung des Deckels mittels eines angelegten Vakuums kann eine Verlagerung des Deckels ohne wesentliche Änderung des Drucks mittels einer Änderung der beispielsweise thermostatgesteuerten Temperatur erfolgen. Beispielsweise kann mittels zugeführter Wärme einer Heizplatte, einer in eine Bodenplatte des Behälters vorgesehenen Heizwendel und dergleichen und einer zumindest teilweisen Befüllung des Expansionskörpers mit einer Flüssigkeit oder einer Mischung mehrerer Flüssigkeiten mit vorgegebenem Siedepunkt eine vorgegebene Verlagerungstemperatur wie Öffnungstemperatur eingestellt werden. Beispielsweise öffnet ein Behälter mit mit Dichlormethan befülltem Expansionskörper bei ca. 40°C unter Schutzgas bei Atmosphärendruck. Unter Wärmeentzug schließt sich ein derart ausgebildeter Behälter selbsttätig. Wenn sich der Expansionskörper nach Abschaltung der Wärmezufuhr zuerst abkühlt, schließt sich der noch warme Behälter und erzeugt nach vollständiger Abkühlung einen Unterdruck im Inneren, der diesen noch dichter verschließt. Alternativ kann ein Behälter vorgesehen werden, der bei Kühlung oder Überdruck öffnet. Wird beispielsweise in dem Expansionskörper ein Feststoff mit vorgegebenem Sublimationspunkt, beispielsweise Kohlendioxid als Füllung verwendet, hält dieses unter Normalbedingungen das eingeschlossene Volumen vergrößert, so dass ein der Kraft des mechanischen Energiespeichers gegenwirkender Gegendruck den Deckel in einer geschlos- senen Position hält. Bei Abkühlung oder Überdruck verringert sich das eingeschlossene Volumen und der mechanische Energiespeicher gewinnt Übergewicht und öffnet den Behälter.
Es versteht sich, dass von der Erfindung umfassend jede Form von Verlagerung des Deckels gegenüber der Halterung umfasst ist. Beispielsweise kann der Deckel eine Einrastfunktion oder Bremse aufweisen, um bei einem Zusammenbrechen des äußeren Vakuums ein unbeabsichtigtes Schließen eines Vakuumbehälters zu vermeiden. Hierzu kann eine entsprechende Verriegelung mechanisch vorgesehen sein und mittels einer bewussten Modulation der steuernden Zustandsgröße - Druck und/oder Temperatur - aktiviert beziehungsweise deaktiviert werden. So könnte sich nach anfänglicher Evakuierung der Umgebung der Deckel öffnen und eine Einrastfunktion aktivieren, die nach einer kurzfristigen Druckerhöhung wieder deaktiviert wird, und erst nach erneuter Evakuierung gefolgt von einer Druckerhöhung den Deckel sich wieder vollständig schließen lässt, wie dies beispielsweise bei sich nach oben öffnenden Schranktüren vorgesehen ist, welche sich erst dann wieder vollständig schließen lassen, wenn sie erneut angehoben werden. Es können hierzu beispielsweise auch mehrere, bei unterschiedlichen Zustandsbedingungen schaltende Expansionskörper vorgesehen sein, die den Deckel einerseits verlagern und andererseits eine Verriegelung aktivieren/deaktivieren. Hierdurch kann insbesondere eine Beschädigung von beispielsweise zu Messzwecken in den Vakuumbehälter eingeführten oder nahe an die Probe herangeführten, kostenaufwendigen Sonden bei zusammenbrechendem Vakuum vermieden werden. Weiterhin können Stopper und Anschläge zur Begrenzung der Verlagerung des Deckels vorgesehen sein.
In dem Vakuumbehälter können Mittel zur Überwachung und Untersuchung des Innenraums vorgesehen sein. Beispielsweise können nach außen über Drahtdurchführungen oder drahtlos kommunizierende und versorgte Sensoren oder Manipulatoren vorgesehen sein. Beispielsweise kann im Inneren des Vakuumbehälters der Druck, die Temperatur und/oder die innere Atmosphäre, beispielsweise die Restfeuchte, der Restsauerstoffgehalt beispielsweise mittels einer leicht oxidierenden Probe eines Alkali- oder Erdalkalimetalls, und dergleichen erfasst und direkt über ein Display oder dergleichen im Inneren des Vakuumbehälters angezeigt und/oder nach außen zur weiteren Signalverarbeitung übertragen werden.
Die Erfindung wird anhand des in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigen:
Figur 1 eine 3D-Ansicht eines Vakuumbehälters mit Betätigungsvorrichtung im ge- schlossenen Zustand
und
Figur 2 eine 3D-Ansicht des Vakuumbehälters der Figur 1 im geöffneten Zustand.
Figur 1 zeigt in 3D-Ansicht den Vakuumbehälter 1 mit der Betätigungsvorrichtung 2 in geschlossenem Zustand. Der gewölbte - hier durchsichtig dargestellte - Deckel 3 ist einseitig an der Halterung 4, die zusätzlich die Bodenplatte 5 bildet, um die Drehachse d verlagerbar aufgenommen. Der mechanische Energiespeicher 6, der hier als um die Drehachse d angeordnete Schraubenfeder 7 ausgebildet ist, verspannt den Deckel 3 gegenüber der Bodenplatte mit der als Schließkraft dienenden Kraft. Hierdurch wird der zwischen Bodenplatte 5 und Deckel 3 eingeschlossene Probenraum 8 verschlossen, wobei zwischen diesen die Ringdichtung 9 angeordnet ist. Um eine planparallele Anlage des Deckels 3 an der Ringdichtung 9 zu erzielen, ist der Deckel 3 an dem Lager 10 in radiale Richtung der Drehachse d spielbehaftet aufgenommen. Zur Unterstützung der Schließkraft des Deckels 3 gegenüber der Bodenplatte 5 kann in dem Probenraum 8 ein Vakuum angelegt beziehungsweise ein vorhandenes Vakuum verstärkt sein. Hierzu kann ein nicht einsehbares Druckventil vorgesehen sein.
Zwischen der Halterung 4 und dem Deckel 3 ist der Expansionskörper 11 wirksam angeordnet. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist dieser als Schwellkörper 12 angeordnet, der die Wölbung 13 des Deckels 3 übergreifend an einem ersten Ende 14 mit der dem Lager 10 gegenliegenden Aufnahme 15 und mittels eines zweiten Endes 16 mit der an der Halterung 4 befestigten Aufnahme 17 das Lager 10 übergreifend fest verbunden, beispielsweise eingehängt ist. Der Schwellkörper 12 enthält ein geschlossenes Volumen 18, das mit einem Gas oder zumindest teilweise mit einer Flüssigkeit befüllt ist. Aufgrund einer Änderung zumindest einer äußeren Zustandsgröße, beispielsweise Temperatur oder Druck ändert sich das geschlossene Volumen 18 des Schwellkörpers 12, so dass sich dessen Länge verkürzt und eine Gegenkraft zu der von dem mechanischen Energiespeicher 6 ausgeübten Kraft ausübt, die aufgrund der eingestellten Hebelkinematik zu einem Abheben des Deckels 3 von der Bodenplatte 5 führt. Je nach Befüllung des geschlossenen Volumens 18 wird die Gegenkraft größer als die Kraft bei einem vorgegebenen Druck wie Unterdruck oder Vakuum und/oder bei einer vorgegebenen Temperatur, insbesondere wenn eine in dem geschlossenen Volumen 18 vorhandene Flüssigkeit den Siedepunkt überschreitet. Figur 2 zeigt den Vakuumbehälter 1 im geöffneten Zustand mit von der Halterung 4 mit dem Bodenteil abgehobenen Deckel 3 und Expansionskörper 11 mit vergrößertem Volumen 18 und damit verkürzten Enden 14, 16. Das Lager 10 beziehungsweise die Halterung 4 weist einen nicht dargestellten Anschlag zur Begrenzung des Verlagerungswinkels des Deckels 3 auf. Die Aufnahmefläche 19 für eine Probe weist beispielhaft die Ausnehmung 20 zur Aufnahme eines Probenhalters auf. Die Ringdichtung 9 und die plane Dichtfläche 21 bilden im geschlossenen Zustand des Vakuumbehälters 1 die Dichteinrichtung.
Bezugszeichenliste Vakuumbehälter
Betätigungsvorrichtung
Deckel
Halterung
Bodenplatte
Energiespeicher
Schraubenfeder
Probenraum
Ringdichtung
Lager
Expansionskörper
Schwellkörper
Wölbung
Ende
Aufnahme
Ende
Aufnahme
Volumen
Aufnahmefläche
Ausnehmung
Dichtfläche
Drehachse

Claims

Patentansprüche
1. Betätigungsvorrichtung (2) zur Verlagerung eines Deckels (3) gegenüber einer diesen verlagerbar aufnehmenden Halterung (4), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Deckel (3) und Halterung (4) entlang einer Verlagerungsstrecke ein eine Kraft zwischen Deckel (3) und Halterung (4) einstellender mechanischer Energiespeicher (6) und ein abhängig von einer in der Umgebung der Betätigungsvorrichtung (2) thermo- dynamischen Zustandsgröße eine der Kraft entgegenwirkende Gegenkraft einstellender Expansionskörper (11) mit geschlossenem Volumen (18) vorgesehen sind.
2. Betätigungsvorrichtung (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die ther- modynamische Zustandsgröße ein Gasdruck und/oder eine Umgebungstemperatur ist und sich das geschlossene Volumen (18) abhängig von dieser ändert.
3. Betätigungsvorrichtung (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (6) den Deckel (3) in geschlossenem Zustand gegen die Halterung (4) vorspannt und der Expansionskörper (11) bei sich ändernder Zustandsgröße den Deckel (3) entgegen der Wirkung des Energiespeichers (6) öffnet.
4. Betätigungsvorrichtung (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Expansionskörper (11) ein elastischer, zwischen Deckel (3) und Halterung angeordneter Schwellkörper (12) ist.
5. Betätigungsvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das geschlossene Volumen (18) des Expansionskörpers (11) zumindest teilweise mit einer bei einer für eine Betätigung vorgesehenen Temperatur und/oder einem vorgesehenen Druck siedenden Flüssigkeit befüllt ist.
6. Betätigungsvorrichtung (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung eines Verlagerungskriteriums eine oder mehrere Flüssigkeiten und/oder Feststoffe mit vorgegebenem Siedepunkt beziehungsweise Sublimationspunkt vorgesehen sind.
7. Betätigungsvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Deckel (3) und Halterung (4) mittels eines Lagers (10) miteinander einseitig verdrehbar verbunden sind.
8. Betätigungsvorrichtung (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (3) eine Wölbung ( 3) aufweist und ein den Expansionskörper (11) bildender Schwellkörper (12) über zumindest einen Teil der Wölbung (13) angeordnet und zwischen Deckel (3) und Halterung (4) das Lager (10) übergreifend befestigt ist.
9. Betätigungsvorrichtung (2) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (10) radial zu dessen Drehachse (d) spielbehaftet vorgesehen ist.
10. Vakuumbehälter (1) mit einer Betätigungsvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (4) in Form einer Bodenplatte (5) und der Deckel (3) zwischen sich einen Probenraum (8) einschließen und in einem geschlossenen Zustand gegeneinander abgedichtet sind.
11. Vakuumbehälter (1) nach 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenraum (8) evakuierbar ist.
12. Vakuumbehälter (1) nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass in dem Probenraum Mittel zur Überwachung des Drucks, der Temperatur und/oder der inneren Atmosphäre vorgesehen sind.
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