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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Absperrventil zum dauerhaften Abdichten einer evakuierten Kammer, insbesondere eines Vakuumpaneels für ein Kältegerät, sowie einen Druckmesskopf zum Erfassen des Drucks in einem solchen Vakuumbehälter.
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Druckmessköpfe für Unterdrücke im Mikro- bis Millibar-Bereich sind meist auf standardisierten sogenannten Kleinflanschen montiert, so dass zur Montage des Druckmesskopfs an dem Vakuumbehälter letzterer einen zu dem Druckmesskopf komplementären Kleinflansch aufweisen muss. Eine weitere Anschlussstelle am Vakuumbehälter ist erforderlich, um daran ein Absperrventil anzuschließen, über welches der Behälter evakuiert und anschließend verschlossen werden kann. Beide Anschlussstellen beinhalten jeweils die Gefahr von Undichtigkeit.
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Für Massenanwendungen geeignete, preiswerte Absperrventile haben im Allgemeinen Dichtungen aus organischem Material. Die mit diesen Dichtungen erreichbaren Leckraten liegen über 1×10-8 mbar I/s, so dass lange Standzeiten in der Größenordnung von mehreren Monaten eines verschlossenen evakuierten Behälters nicht möglich sind. Es sind zwar Absperrventile mit metallischen Dichtungen bekannt, die es erlauben, niedrigere Leckraten zu erreichen, doch sind diese Ventile im Allgemeinen in der Fertigung aufwändig und dementsprechend teuer, so dass sie für Massenanwendungen nicht in Betracht kommen.
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Aus
US 4 205 703 A ist ein Durchflussventil bekannt, bei dem eine Durchgangsbohrung zwei Anschlussseiten eines Ventilkörpers miteinander verbindet und ein durchflussgesteuertes Ventil in der Durchgangsbohrung angeordnet ist. Das Ventil ist gesteuert durch den Fluss in einem Steuerdurchgang, der sich ebenfalls zwischen den zwei Anschlussseiten erstreckt und immer offen ist.
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DE 199 13 968 A1 ,
DE 196 23 486 A1 und
DE 299 24 037 U1 betreffen thermische Durchflusssensoren mit einer Heizeinrichtung zum Erwärmen eines Fluids und einem von der Heizeinrichtung beabstandeten Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur des Fluids und ein Verfahren zum Bestimmen des Durchflusses eines Fluids. Die Sensoren verfügen weder über Mittel zum dichten Absperren einer Durchgangsbohrung, noch ist die Dichtheit einer Absperrung mit den Sensoren nach
DE 199 13 968 A1 ,
DE 196 23 486 A1 oder
DE 299 24 037 U1 bzw. mit dem Verfahren nach
DE 199 13 968 A1 sicher erkennbar.
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DE 39 01 371 A1 offenbart ein Ventil für einen Flüssigkeitsspender, in dem ein harter Schließkörper mit einem Ventilsitz aus einem weicheren Material kombiniert ist.
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US 6 679 291 B1 betrifft ein Tellerventil zum Abtanken eines Tankfahrzeugs mit einem Schauglas, in dem erkennbar ist, ob ein Mindestdurchsatz überschritten ist.
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DE 40 01 170 A1 und
DE 199 13 230 A1 offenbaren jeweils ein Durchflussventil mit einem in einen Durchgang eingeschraubten, den Durchfluss bestimmenden Einschraubkörper, in den ein Manometer integriert ist.
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Für Druckmessungen im eingangs genannten Druckbereich sind Messsonden mit einem elektrisch beheizten Glühfaden verbreitet. Der Wärmeverlust eines solchen Glühfadens ist in einem weiten Bereich proportional zum Druck der Atmosphäre, in dem sich der Glühfaden befindet, so dass die elektrische Leistung, die benötigt wird, um den Glühfaden auf einer konstanten Temperatur zu halten, Aufschluss über den Druck gibt. Ein Druckmesskopf mit einem solchen Glühfaden ist z.B. in
WO 2003/106954 A2 beschrieben.
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DE 103 61 842 A1 offenbart ein Ventil mit einer Durchgangsbohrung, einem in der Durchgangsbohrung eine Drosselstelle bildenden Schließkörper und einem Drucksensor, der Drosselstelle verbunden ist, um anhand einer Druckmessung den Verschleißgrad des Schließkörpers zu beurteilen.
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JP H09 330132 A zeigt eine Ventilanordnung, bei dem ein Ventilkörper und ein den Ventilkörper steuernder Drucksensor in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind und der Ventilkörper mit einem Ventilsitz in einer Wand des Gehäuses zusammenwirkt.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen bequem und schnell zu wartenden Druckmesskopf zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Druckmesskopf nach Anspruch 1.
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Zur Stromversorgung der Druckmesssonde dient eine Stromdurchführung, die in eine quer zur Gewindebohrung orientierte Stichbohrung dicht eingefügt ist und einen elektrischen Kontakt des Schraubsockels berührt.
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Ein zweiter elektrischer Kontakt des Schraubsockels kann wie bei einer Glühbirne durch das Gewinde des Schraubsockels selbst gebildet sein, das in leitendem Kontakt mit dem metallischen Grundkörper des Druckmesskopfs steht.
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Der Druckmesskopf kann in ein Absperrventil integriert sein, indem in dem Grundkörper zusätzlich zu der ersten Anschlussseite, von der die Gewindebohrung ausgeht, eine zweite Anschlussseite und eine sich zwischen der ersten Anschlussseite und der zweiten Anschlussseite erstreckende Durchgangsbohrung vorgesehen sind und ein Schließkörper zum Absperren der Durchgangsbohrung an einen Ventilsitz andrückbar ist.
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Die Führung eines Trägers des Schließkörpers in einem Innengewinde der Durchgangsbohrung führt zu einer beträchtlichen Vereinfachung des Aufbaus des Ventils im Vergleich zu einem üblichen Eckventil, bei dem eine Gewindebohrung zum Führen des Trägers von der gewinkelten Durchgangsbohrung des Grundkörpers abzweigt und gegen die Durchgangsbohrung z.B. durch einen Faltenbalg abgedichtet sein muss, um eine gute Dichtigkeit des Ventils zu erreichen.
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Vorzugsweise ist der Schließkörper an dem Träger von einer Drehung des Trägers entkoppelt gehalten, so dass er beim Schließen des Ventils spätestens dann, wenn er mit einem Ventilsitz in Reibkontakt gelangt, nicht mehr rotiert. So ist es unter dem Schließdruck des Ventils möglich, dass Schließkörper und/oder Ventilsitz durch den Schließdruck plastisch verformt werden, so dass sich einer von beiden an Unregelmäßigkeiten des anderen anschmiegt und eine Abdichtung minimaler Leckrate erreicht wird.
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Vorzugsweise ist der Schließkörper in wenigstens einem den Ventilsitz berührenden Bereich aus einem weicheren Metall als der Ventilsitz gebildet, so dass es der Schließkörper ist, der sich eventuell an Unregelmäßigkeiten des Ventilsitzes anpasst. Der Schließkörper kann - gegebenenfalls zusammen mit dem Träger - einfach und preiswert ausgetauscht werden, wenn er verschlissen ist und eine ausreichende Abdichtung nicht mehr gewährleistet ist.
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Vorzugsweise umfasst der Schließkörper eine dem Ventilsitz zugewandte erste Platte, deren Rand durch eine umlaufende Nut vom Träger beabstandet ist. Diese Nut ermöglicht es, beim Andrücken der ersten Platte an den Ventilsitz die Platte als Ganzes unter Verengung der Nut zu verformen, und so eine ausgezeichnete Abdichtung zwischen der Platte und dem Ventilsitz zu erzielen.
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Vorzugsweise umfasst der Schließkörper ferner eine dem Träger zugewandte zweite Platte, die mit der ersten über eine gewölbte Kalotte verbunden ist. Die durch die Wölbung der Kalotte bedingte kleine Übergangsfläche zwischen der Kalotte und einer der Platten bewirkt, dass die Platten mit geringem Kraftaufwand um einen kleinen Winkel in Bezug zueinander schwenkbar sind, so dass sich die Orientierung der ersten Platte an die des Ventilsitzes anpassen kann, falls die Ebene des Ventilsitzes nicht exakt senkrecht auf der Verschiebungsrichtung des Trägers steht.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
- 1 einen schematischen Schnitt durch eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Absperrventils, zerlegt in seine Bestandteile;
- 2 ein vergrößertes Detail aus 1;
- 3 einen schematischen Schnitt durch eine geringfügig abgewandelte Ausgestaltung des Absperrventils mit eingeschraubtem Schließkörper;
- 4 einen Aufbau zum Evakuieren einer Vakuumkammer über das Absperrventil und zum anschließenden Absperren des Absperrventils; und
- 5 eine Draufsicht auf den atmosphärenseitigen Anschlussflansch eines Absperrventils gemäß einer dritten Ausgestaltung.
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Das in 1 gezeigte Absperrventil hat im Wesentlichen die Form eines zylindrischen Körpers aus Metall, vorzugsweise rostfreiem Stahl, mit zwei an den gegenüberliegenden Enden des Grundkörpers 1 ausgebildeten Kleinflanschen 2, 3. Eine Durchgangsbohrung 4 erstreckt sich axial zwischen den Kleinflanschen 2, 3 und setzt sich zusammen aus zwei Abschnitten von unterschiedlichem Durchmesser, einem dem vakuumseitigen Kleinflansch 3 zugewandten engen Abschnitt 5, einem dem atmosphärenseitigen Kleinflansch 2 zugewandten weiten Abschnitt 6 und einer als Ventilsitz 7 geformten Schulter zwischen den zwei Abschnitten 5, 6. Der weite Abschnitt 6 ist wenigstens auf einem Teil seiner Länge mit einem Innengewinde 8 versehen.
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Solange eine nicht dargestellte an den Kleinflansch 3 angeschlossene Vakuumkammer evakuiert wird, ist der weite Abschnitt 6 frei. Ein Träger 9, an dem ein Dichtkörper 10 befestigt ist, ist vorgesehen, um in den weiten Abschnitt 6 eingeschraubt zu werden, sobald ein an den Flansch 3 angeschlossener Vakuumbehälter einen vorgesehenen Enddruck erreicht hat.
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Der Träger 9 hat hier die Form einer Madenschraube, an deren Spitze der Dichtkörper 10 um die Längsachse A des Grundkörpers 1 drehbar befestigt ist. Der Dichtkörper 10 umfasst eine Platte 11, die die dem Ventilsitz zugewandte Spitze des Trägers 9 weitgehend überdeckt und eine halbkugelförmige Kalotte 12 trägt. An der Kalotte 12 wiederum ist eine Platte 13 befestigt, die aus einem weicheren Metall als dem des Grundkörpers 1 und des Trägers 9 besteht, z.B. aus Aluminium, Kupfer, insbesondere OFHC-Kupfer, oder Indium. Die Platte könnte aber auch aus einem dünnen, verformbaren Substrat aus Stahl bestehen, auf das zumindest in denjenigen Oberflächenbereichen, die vorgesehen sind, um mit dem Ventilsitz 7 in Kontakt zu kommen, mit einer Schicht aus weicherem Metall wie etwa OFHC-Kupfer oder Indium, versehen ist.
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Beim Einschrauben des Trägers 9 in das Gewinde des Abschnitts 6 kommt schließlich die Platte 13 in Reibkontakt mit dem Ventilsitz 7. Wenn von diesem Zeitpunkt an der Träger 9 tiefer in den Abschnitt 6 hineingeschraubt wird, so führt dies zunächst, sofern sich Platte 13 und Ventilsitz 7 nicht auf dem gesamten Umfang des Ventilsitzes berühren, zu einer Verbiegung in der Verbindung zwischen Platte 13 und Kalotte 12, bis die Platte 13 am gesamten Umfang des Ventilsitzes 7 anliegt. Anschließend beginnt die Platte 13, sich unter dem Druck der Kalotte 12 kegelig zu verformen, wobei eventuelle Unebenheiten des Ventilsitzes 7 sich in das weiche Material der Platte 13 eindrücken. Während sich so eine die Kalotte 12 umgebende Nut 14 zwischen den Platten 11, 13 zunehmend verengt, wird schließlich ein dichter Kontakt zwischen Platte 13 und Ventilsitz 7 erreicht.
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In dem dem vakuumseitigen Kleinflansch 3 zugewandten Teil des Grundkörpers 1 ist parallel zum engen Abschnitt 5 der Durchgangsbohrung 4 eine Gewindebohrung 15 eingebracht, die auf den freien Querschnitt des Flansches 3 mündet. Die Gewindebohrung 15 wird von einer von der Seite des Grundkörpers 1 kommenden Stichbohrung 16 gekreuzt. In der Stichbohrung 16 ist eine einpolige Stromdurchführung 17 dicht montiert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein den Leiter 18 der Stromdurchführung umgebender Isolatorkörper 19 aus Glas oder Keramik mit Hilfe eines vakuumtauglichen, z.B. keramischen Klebers 20 am Grundkörper 1 befestigt. Selbstverständlich können auch andere kommerziell verfügbaren Bauformen von Stromdurchführungen verwendet werden, z.B. solche, bei denen an den Isolatorkörper eine metallische Hülse angefügt ist, die am Grundkörper 1 verschweißt wird.
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Eine in 2 vergrößert gezeigte Druckmesssonde 21 ist zum Einschrauben in die Gewindebohrung 15 vorgesehen. Der Aufbau der Druckmesssonde 21 ähnelt dem einer Glühbirne ohne Glaskörper; sie umfasst einen metallischen Schraubsockel 22, einen auf der Längsachse des Schraubsockels 22 durch einen Isolatorkörper 23 fixierten metallischen Kontaktpunkt 24 sowie einen Glühdraht 25, über den der Schraubsockel 22 und der Kontaktpunkt 24 leitend verbunden sind. Der Glühdraht 25 ist in der Figur zum Schutz vor Beschädigung in den Schraubsockel 22 versenkt dargestellt, könnte aber auch über diesen überstehen.
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Wenn die Druckmesssonde 21 in die Gewindebohrung 15 eingeschraubt wird, bis der Kontaktpunkt 24 den Leiter 18 berührt, ist die Druckmesssonde 21 betriebsbereit. Eine Ansteuerelektronik, die den Glühdraht 25 mit elektrischer Heizleistung versorgt und den Widerstandswert des Glühdrahts 25 erfasst, ist in der Figur nicht dargestellt.
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3 zeigt eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventils mit eingeschraubtem Träger 9 und am Ventilsitz 7 anliegendem Dichtkörper 10. Diese Ausgestaltung unterscheidet sich von der der 1 zum einen durch eine am Grundkörper 1 ausgebildete Schlüsselweite 26, hier in Form von zwei Ausfräsungen, die es erlauben, einen Gabelschlüssel an den Grundkörper 1 anzulegen und mit seiner Hilfe ein beim Anziehen des Trägers 9 ausgeübtes Drehmoment zu kompensieren.
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Ein zweiter Unterschied, der mit dem ersten in keinem sachlichen Zusammenhang steht, ist eine Verbindungsbohrung 27, die sich in Verlängerung der Stichbohrung 16 bis zur Durchgangsbohrung 4 erstreckt. Zweck der Verbindungsbohrung 27 ist es, eine schnelle Entlüftung der Stichbohrung 16 während des Evakuierens des (nicht dargestellten) Vakuumbehälters zu ermöglichen, so dass die Messergebnisse der Druckmesssonde 21 nicht durch Restluft verfälscht werden, die aus der Stichbohrung 16 an der in die Gewindebohrung 15 eingeschraubten Messsonde 21 vorbei entweicht.
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4 zeigt einen Aufbau zum Evakuieren eines Vakuumbehälters über das erfindungsgemäße Absperrventil. Ein gekrümmtes Rohr 28 ist an dem atmosphärenseitigen Kleinflansch 2 des Grundkörpers 1 in an sich bekannter Weise mit Hilfe einer Klammer 29 fixiert. Die einander zugewandten Flansche von Grundkörper 1 und Rohr 28 sind durch einen eingeklemmten und von einem metallischen Stützring 30 gehaltenen Polymer-O-Ring 31 gedichtet. Ein Inbusschlüssel 32 mit zylindrischem Schaft ist in einer mit der Durchgangsbohrung 4 fluchtenden Bohrung 33 des Rohrs 28 durch Elastomer-O-Ringe 34 abgedichtet drehbar und verschiebbar gehalten. Er ist in einer Ausgangsstellung dargestellt, in der der Träger 9, wie in der Figur gestrichelt dargestellt, auf die Spitze des Schlüssels 32 aufsteckbar ist. In dieser Stellung sind Rohr 28 und Durchgangsbohrung 4 offen, und der angeschlossene Vakuumbehälter kann evakuiert werden. Wenn die Druckmesssonde 21 anzeigt, dass der gewünschte Enddruck erreicht ist, wird der Schlüssel 32 vorgeschoben, bis der Träger 9 das Innengewinde 8 erreicht, und dann wird begonnen, den Schlüssel 32 zu drehen, um den Träger 9 mit dem Innengewinde 8 in Eingriff zu bringen und schließlich das Ventil abzusperren. Luft, die während des Schließens des Ventils zwischen dem Schlüssel 32 und den O-Ringen 34 durchsickert, beeinträchtigt kaum den Enddruck des Vakuumbehälters, da sie fortwährend über das Rohr 28 abgepumpt wird und der Leitwert des Ventils bereits zu dem Zeitpunkt, wo der Träger 9 den O-Ring 31 durchquert, sehr gering ist.
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5 zeigt eine weitere Abwandlung des Ventils in einer Draufsicht auf dessen atmosphärenseitigen Kleinflansch 2. Eine Mehrzahl von Kanälen 35 erstreckt sich in axialer Richtung entlang der Wand des weiten Abschnitts 6 der Durchgangsbohrung 4. Diese Kanäle ermöglichen ein Evakuieren eines an das Ventil angeschlossenen Vakuumbehälters auch dann, wenn der Träger 9 des Ventils bereits mit dem Innengewinde 8 im Eingriff ist, da die Luft aus dem Vakuumbehälter durch die Kanäle 35 an dem Träger 9 vorbeiströmen kann. Erst wenn der Träger 9 so tief in das Gewinde 8 eingeschraubt ist, dass er die Kanäle 35 auf ihrer gesamten Länge verdeckt, nimmt der Leitwert des Ventils so weit ab, dass das Evakuieren nicht mehr möglich ist.