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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil, insbesondere Vakuumventil, mit zumindest einem Verschlussorgan zum Verschließen zumindest einer Durchlassöffnung des Ventils und einem Antrieb zum Verstellen des Verschlussorgans zwischen einer Schließstellung, in der das Verschlussorgan die Durchlassöffnung verschließt, und zumindest einer Öffnungsstellung, in der das Verschlussorgan die Durchlassöffnung zumindest bereichsweise freigibt, wobei der Antrieb ein erstes, mit Druck beaufschlagbares Volumen zum Verstellen des Verschlussorgans in seine Schließstellung und zumindest ein weiteres, mit Druck beaufschlagbares Volumen zum Verstellen des Verschlussorgans in seine Öffnungsstellung aufweist.
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Ventile, insbesondere für die Vakuumtechnik sind beim Stand der Technik in einer Vielzahl von Ausgestaltungsformen bekannt. Dasselbe gilt auch für die Art der Antriebe.
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Bei gattungsgemäßen Ventilen wird das erste Volumen unter Druck gesetzt, wenn der Antrieb das Verschlussorgan in die Schließstellung bringen soll. Das weitere Volumen wird unter Druck gesetzt, um das Schließorgan wieder in die entgegengesetzte Richtung in seine Öffnungsstellung zu bewegen. Beim Stand der Technik ist es bekannt, als solche Antriebe doppelt wirkende Zylinder zu verwenden. Ein solcher gattungsgemäßer Stand der Technik ist z. B. in der
US 6,367,770 B1 gezeigt. Ein Problem bei diesen gattungsgemäßen Ventilen ist der Zustand, in dem der Antrieb drucklos ist. In diesem Zustand hat das Verschlussorgan keine definierte Position.
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Aufgabe der Erfindung ist es, gattungsgemäße Ventile dahingehend zu verbessern, dass das Verschlussorgan auch im drucklosen Zustand des Antriebs eine definierte Position einnimmt.
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Erfindungsgemäß wird hierfür vorgesehen, dass das Ventil zusätzlich ein elastisches Element aufweist, welches das Verschlussorgan in Richtung der Schließstellung oder der Öffnungsstellung vorspannt.
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Ein Grundgedanke der Erfindung ist es somit, zusätzlich zum Antrieb ein elastisches Element vorzusehen, welches das Verschlussorgan in Richtung seiner Schließstellung oder in Richtung seiner Öffnungsstellung vorspannt. Hierdurch wird es möglich, dass das elastische Element das Verschlussorgan auch im drucklosen Zustand des Antriebs an zumindest eine Sitzfläche des Ventils oder in eine geöffnete Ruheposition drückt. Es kann vorgesehen sein, dass das elastische Element das Verschlussorgan permanent in Richtung der Schließstellung oder permanent in Richtung der Öffnungsstellung vorspannt.
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Besonders bevorzugt handelt es sich bei erfindungsgemäßen Ventilen um sogenannte Vakuumventile, welche in der Vakuumtechnik eingesetzt werden können. In der Vakuumtechnik werden empfindliche Bauteile wie z. B. Halbleiterelemente und dergleichen unter Reinraumbedingungen in Unterdruckkammern bearbeitet. Die Vakuumventile dienen als Verbindung zwischen solchen Unterdruckkammern oder zur Kontrolle von ein- und abströmenden Medien in die Unterdruckkammern. Von Vakuumtechnik ist die Rede, wenn in den Unterdruckkammern Drücke kleiner 0,001 Millibar bzw. 0,1 Pascal in dem Betriebszustand herrschen, in dem entsprechender Unterdruck angelegt ist.
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Die Antriebe von solchen erfindungsgemäßen Ventilen sind insbesondere in der Vakuumtechnik günstigerweise pneumatisch. D. h. Über- und Unterdruck in den Volumina des Antriebs werden durch Einspeisung und Entnahme von gasförmigen Medien erzeugt. Es sind aber genauso gut erfindungsgemäße Ventile mit hydraulischen Antrieben denkbar, bei denen Flüssigkeiten und insbesondere Öle als Druckmedium zum Einsatz kommen.
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Der im Oberbegriff des Anspruchs 1 verwendete Begriff der Volumina könnte auch durch den Begriff der Kammer ersetzt werden. Bei den Volumina handelt es sich letztendlich um Kammern, in deren Innenraum ein Druckaufbau möglich ist. Hierfür müssen die Kammern bzw. Volumina natürlich entsprechend mit wie auch immer ausgestalteten Wänden und gegebenenfalls entsprechenden Absperrmöglichkeiten sowie Anschlüssen für entsprechende Druckquellen und Anschlüssen zum Ablassen von Druck ausgerüstet sein. Dies ist beim Stand der Technik aber bekannt. Bevorzugte Ausgestaltungsformen sehen in diesem Zusammenhang vor, dass der Antrieb einen doppelt wirkenden Zylinder aufweist oder daraus besteht, wobei das erste, mit Druck beaufschlagbare Volumen und das weitere, mit Druck beaufschlagbare Volumen jeweils Druckkammern des Zylinders sind und zwischen den Druckkammern zumindest ein mittels einer Druckdifferenz in den Druckkammern verschiebbarer Kolben angeordnet ist.
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Da das zusätzlich zum Antrieb vorgesehene elastische Element vor allem für die Sicherstellung einer definierten Position des Verschlussorgan im drucklosen Zustand des Antriebs vorgesehen ist, ist es günstig, wenn mittels des elastischen Elementes nur vergleichsweise geringe Kräfte auf das Verschlussorgan ausgeübt werden. Dies vermeidet auch, dass der Antrieb zum Verstellen des Verschlussorgans in seine Öffnungsstellung oder seine Schließstellung unnötig viel Energie benötigt. Wenn das elastische Element in Richtung der Schließstellung wirkt ist es in diesem Zusammenhang günstig, wenn in der Schließstellung des Verschlussorgans zwischen dem Verschlussorgan und einer Sitzfläche des Ventils eine Dichtung angeordnet ist und die in der Schließstellung von dem elastischen Element auf die Dichtung ausgeübte Anpresskraft zwischen 0,1 und 0,5, vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,2, Newton pro Millimeter Länge der Dichtung beträgt. Bei dieser Auslegung reichen die vom elastischen Element aufgebrachten Kräfte dazu aus, im drucklosen Zustand des Antriebs das Verschlussorgan mit seiner Dichtung an die Sitzfläche anzulegen. Eine Abdichtung wird dabei auch bei Abwesenheit von Differenzdruck zwischen den mittels der Durchlassöffnung verbundenen Kammern bzw. Leitungen noch nicht erreicht. Soll das elastische Element so ausgelegt werden, dass es bei Abwesenheit des genannten Differenzdrucks und im drucklosen Zustand des Antriebs das Verschlussorgan dichtend an die Sitzfläche andrückt, so ist es günstig, wenn in der Schließstellung des Verschlussorgans zwischen dem Verschlussorgan und einer Sitzfläche des Ventils eine Dichtung angeordnet ist und die in der Schließstellung von dem elastischen Element auf die Dichtung ausgeübte Anpresskraft zwischen 1 und 5, vorzugsweise zwischen 1 und 2, Newton pro Millimeter Länge der Dichtung beträgt.
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Für die strukturelle Ausgestaltung des elastischen Elementes gibt es verschiedenste Möglichkeiten. Das elastische Element kann eine Zugfeder oder eine Druckfeder sein. Das elastische Element kann in beiden Varianten z. B. eine Spiralfeder oder eine Tellerfeder oder eine Gasdruckfeder oder eine Luftfeder oder ein Elastomerkörper sein oder solche Bauteile aufweisen. Auch Kombinationen hieraus sind denkbar.
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Das elastische Element kann auch als Initialfeder bezeichnet werden. Im Begriff der Initialfeder kommt zum Ausdruck, dass das elastische Element im Wesentlichen zum Sicherstellen einer definierten Position des Verschlussorgans im drucklosen Zustand des Antriebs dient.
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Weitere Merkmale und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausgestaltungsformen. Es zeigen:
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1 einen schematisierten Längsschnitt einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
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2 einen entsprechenden Längsschnitt durch eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform;
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3 einen entsprechenden Längsschnitt durch eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform;
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4 einen Längsschnitt durch ein viertes erfindungsgemäßes Ventil und
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5 einen Längsschnitt durch ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem im Gegensatz zu den ersten vier Ausführungsbeispielen das elastische Element das Verschlussorgan in die Öffnungsstellung vorspannt.
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Bei der ersten Ausführungsvariante gemäß 1 handelt es sich um ein sogenanntes Eckventil. Dies muss aber nicht zwingend so sein.
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Die zum dargestellten Ventil hin und von diesem weg führenden Leitungen werden an die Montageflansche 13 des Gehäuses 11 angeschlossen. Die Durchlassöffnung 2 wird mittels des Verschlussorgans 1, welches hier als Ventilteller ausgeführt ist, verschlossen. In der Schließstellung, wie sie in 1 dargestellt ist, dichtet die Dichtung 8 das Verschlussorgan 1 gegen die Sitzfläche 7 ab. Das hier als Spiralfeder ausgeführte, erfindungsgemäße elastische Element 6 sorgt dafür, dass das Verschlussorgan 1 im drucklosen Zustand des Antriebs 3 eine definierte Position einnimmt, indem es mittels der Dichtung 8 am Sitz 7 anliegt. Hierbei reicht es aus, wenn das elastische Element 6 relativ geringe Kräfte auf das Verschlussorgan 1 ausübt. Bezogen auf die Dichtung 8 ist günstigerweise vorgesehen, dass die von dem elastischen Element 6 auf die Dichtung 8 ausgeübte Anpresskraft zwischen 0,1 und 0,5, vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,2, Newton pro Millimeter Länge der Dichtung 8 beträgt. Soll mittels des elastischen Elements 6 im Falle einer Situation mit drucklosem Antrieb 3 und ohne Differenzdruck in den vom Ventil weg und zu dem Ventil hin führenden Leitungen eine Abdichtung erreicht werden, so ist günstigerweise vorgesehen, dass die von dem elastischen Element 6 auf die Dichtung 8 ausgeübte Anpresskraft zwischen 1 und 5, vorzugsweise zwischen 1 und 2, Newton pro Millimeter Länge der Dichtung 8 beträgt.
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Zum Öffnen der Durchlassöffnung 2 wird das Verschlussorgan 1 mittels des Antriebs 3 von dem Sitz 7 abgehoben. Hierzu wird über den Anschluss 15 Druckmedium wie z. B. ein entsprechendes Gas in das Volumen 5 gepresst. Das erste Volumen 4 wird über den Anschluss 15 entsprechend entlüftet. Durch entsprechenden, sich dadurch aufbauenden Druck auf den Kolben 9 wird dann ausgehend von der Schließstellung gemäß 1 das Verschlussorgan 1 vom Sitz 7 abgehoben und in seine Öffnungsstellung gebracht. Die Größe des Hubs kann über die Druckverhältnisse in den beiden Volumina 4 und 5 gesteuert werden. Zum Schließen des Ventils, also zum Bewegen des Verschlussorgans 1 in seine Schließstellung gemäß 1, wird entsprechend Druckmedium in das erste Volumen 4 eingeleitet, während das zweite Volumen 5 entsprechend entlüftet wird. Die für die genannten Vorgänge an die Anschlüsse 15 anzulegenden und damit in die Volumina 4 und 5 einzubringenden Drücke können z. B. zwischen 2,5 bar und 8 bar, vorzugsweise zwischen 4 bar und 7 bar, liegen. Die vom Antrieb 3 in der Schließstellung auf die Dichtung 8 ausgeübte Anpresskraft beträgt bei diesem oder auch anderen Ausführungsbeispielen günstigerweise zumindest das 4-fache der vom elastischen Element 6 ausgeübten Anpresskraft. Dieser Faktor wird umso größer, je größer die Nennweite bzw. der Durchmesser 14 der Durchlassöffnung 2 des Ventils ist.
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Im Sinne eines einfachen Aufbaus, wie dem gemäß 1, wirkt das elastische Element 6 günstigerweise über die Kolbenstange 10 auf das Verschlussorgan 1 ein, im gezeigten Ausführungsbeispiel eines Antriebs 3 in Form eines doppelt wirkenden Zylinders ist günstigerweise vorgesehen, dass der Kolben 9 über die Kolbenstange 10 mit dem Verschlussorgan 1 verbunden ist, wobei ein Abstand zwischen dem Kolben 9 und dem Verschlussorgan 1 im Bereich der Kolbenstange 10 fix bzw. unveränderbar ausgebildet ist. Das Verschlussorgan 1 kann starr an der Kolbenstange 10 befestigt sein. Das Verschlussorgan 1 kann im Sinne einer optimalen Abdichtung aber auch gelenkig bzw. verschwenkbar an der Kolbenstange 10 befestigt sein.
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Es muss sich nicht zwingend um doppelt wirkende Zylinder handeln, Die beiden Volumina 4 und 5 können z. B. auch durch entsprechend zwischen ihnen angeordnete Membrane voneinander getrennt sein, wobei die Auslenkung der Membrane über geeignete Maßnahmen wie z. B. eine Kolbenstange 5 auf das Verschlussorgan 1 übertragen wird.
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Der Vollständigkeit halber seien noch die zusätzlichen Dichtungen 12 erwähnt, welche einerseits die Kolbenstange 10 gegen das Gehäuse 11 und andererseits den Kolben 9 gegen das Gehäuse 11 abdichten.
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Im gezeigten ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist das elastische Element 6 innerhalb eines der mit Druck beaufschlagbaren Volumina 4 und 5 angeordnet. In der gezeigten Variante gemäß 1 ist dies das erste Volumen 4, welches zum Verbringen des Verschlussorgans 1 in die Schließstellung dient. Insbesondere in solchen Ausgestaltungsformen, in denen das elastische Element 6 innerhalb eines der Volumina 4 und 5 angeordnet ist, ist es günstig, wenn das elastische Element 6 direkt auf den Kolben wirkt.
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2 zeigt ein anderes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel. Hier ist das Ventil nicht als Eckventil, sondern als Schieber ausgebildet. Anstelle des Ventiltellers gemäß 1 ist ein keilförmiges Verschlussorgan 1 vorgesehen. Dieses verschließt ebenfalls die zwischen den Montageflanschen 13 angeordnete Durchlassöffnung 2. Solche keilförmigen Verschlussorgane 1 sind an sich bekannt und müssen nicht weiter erläutert werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Verschlussorgan 1 jedenfalls aus der in 2 dargestellten Schließstellung durch Anheben der Kolbenstange 10 in seine hier nicht dargestellte Öffnungsstellung verbracht. Zum Öffnen und Schließen ist wiederum der Antrieb 3 vorgesehen. Es handelt sich wie im ersten Ausführungsbeispiel dabei um einen doppelt wirkenden Zylinder, so dass dies hier nicht noch einmal erläutert werden muss. Auch im zweiten Ausführungsbeispiel ist das elastische Element 6 in einem der Volumina 4 des Antriebs 3 angeordnet.
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Dass dies nicht zwingend so sein muss, zeigen die nachfolgenden Ausführungsbeispiele. In 3 ist eine dritte Variante der Erfindung dargestellt, wobei es sich wiederum um ein Eckventil handelt. Bei dieser Variante ist vorgesehen, dass das elastische Element auf der dem Verschlussorgan 1 zugewandten Seite außerhalb der mit Druck beaufschlagbaren Volumina 4 und 5 angeordnet ist. Auch hier dient das elastische Element 6 als Initialfeder, welche im drucklosen Zustand des Antriebs 3 das hier wieder als Ventilteller ausgeführte Verschlussorgan 1 mit seiner Dichtung 8 gegen die Sitzfläche 7 drückt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist um das hier wiederum als Schraubenfeder ausgebildete elastische Element 6 herum ein elastischer Balg 17 angeordnet, welcher entsprechend der Bewegung des Verschlussorgans 1 komprimiert bzw. in die Länge gezogen wird. Der Antrieb 3 funktioniert wie bei den anderen Ausführungsformen geschildert und muss hier somit nicht noch einmal erläutert werden. Das Gleiche gilt für alle weiteren, hier nicht genannten Details dieses dritten Ausführungsbeispiels.
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4 zeigt eine vierte Variante einer erfindungsgemäßen Ausgestaltungsform. Bei dem hier dargestellten Ventil handelt es sich wiederum um einen Schieber mit einem keilförmigen Verschlussorgan 1. Im Unterschied zu den anderen bereits geschilderten Ausführungsvarianten ist hier das elastische Element 6 auf der von dem Verschlussorgan 1 abgewandten Seite außerhalb der mit Druck beaufschlagbaren Volumina 4 und 5 angeordnet. Das hier auch als Initialfeder dienende elastische Element 6 in Form einer Schraubenfeder stützt sich an entsprechenden Stützschultern 16 der Kolbenstange 10 ab. Die Funktionsweise des Ventils und sein Aufbau ergeben sich ansonsten aus den Schilderungen der bisher gezeigten Ausführungsbeispiele.
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Erfindungsgemäße Ventile werden günstigerweise dann eingesetzt, wenn es darum geht, relativ große Durchlassöffnungen 2 öffnen und verschließen zu können. Bei erfindungsgemäßen Ventilen mit kreisförmigen Durchlassöffnungen kann der Durchmesser 14 dieser Durchlassöffnung 2 eine Nennweite von 200 mm und mehr betragen. Sollte die Durchlassöffnung 2 keinen kreisförmigen Querschnitt haben, so gilt entsprechendes für die sich aus diesem Durchmesser ergebende Fläche der Durchlassöffnung 2.
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Bei den ersten vier Ausführungsbeispielen spannt das elastische Element 6 das Verschlussorgan 1 in Richtung der Schließstellung vor. Im fünften Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist das elastische Element 6 dazu vorgesehen, das Verschlussorgan 1 in Richtung seiner Öffnungsstellung vor zu spannen.
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Die beiden Volumina 4 und 5 des Antriebs 3 werden auch hier über die entsprechenden Anschlüsse 15 wechselweise unter Druck gesetzt und entlüftet, um das Verschlussorgan 1, hier ein Schieber, von der dargestellten Öffnungsstellung in die Schließstellung und umgekehrt zu bewegen. Das hier ebenfalls als Schraubenfeder ausgebildete elastische Element 6 bringt das Verschlussorgan 1 in die dargestellte Öffnungsstellung, wenn der Antrieb 3 drucklos ist, also wenn in keinem der Volumina 4 oder 5 Überdruck gegenüber dem jeweils anderen Volumen herrscht. Alle weiteren Merkmale dieses Ausführungsbeispiels sind selbsterklärend oder ergeben sich in Analogie zu den bereits geschilderten erfindungsgemäßen Varianten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verschlussorgan
- 2
- Durchlassöffnung
- 3
- Antrieb
- 4
- erstes Volumen
- 5
- weiteres Volumen
- 6
- elastisches Element
- 7
- Sitzfläche
- 8
- Dichtung
- 9
- Kolben
- 10
- Kolbenstange
- 11
- Gehäuse
- 12
- Dichtung
- 13
- Montageflansch
- 14
- Durchmesser
- 15
- Anschluss
- 16
- Stützschulter
- 17
- Balg
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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