CH681384A5 - - Google Patents

Description

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Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilanordnung mit mindestens einer mittels eines Verschlusselementes dichtend verschliessbaren Ventilöffnung.

Beim praktischen Einsatz von Ventilen ist es sehr wichtig, hohe Leitwerte bei kompakten Bauformen erzielen zu können. Auch ist es wichtig, zur Überwindung der abzusperrenden Druckdifferenz Lösungen für die Ventilausführung zu finden, weiche mit möglichst geringem Kraftaufwand beim Stellvorgang auskommen.

Insbesondere bei Verwendung von Ventilen, beispielsweise in der Vakuumtechnik, kommt diesen Anforderungen eine sehr grosse Bedeutung zu. In der Elektronikindustrie werden zum Beispiel für die Herstellung von Mikroschaltkreisen verschiedenste Prozessschritte in Vakuumprozessanlagen durchgeführt. Je nach Anforderung werden Verfahren zur Herstellung von dünnen Schichten, Ätzverfahren, Verfahren zur Oberflächenaktivierung sowie thermische und optische Verfahren in solchen Prozessanlagen verwendet. Diese Prozesse stellen unter anderem sehr hohe Anforderungen an die Reinheit. Kleinste Verunreinigungen der Substrate haben in der Regel Folgen auf 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 Umgebung sich der Pro-zess abspielt. Es ist Aufgabe einer fachmännischen Dimensionierung des Vakuumsystems die notwendigen Bedingungen zu schaffen, dass hinreichend gute Ergebnisse in der Vakuumqualität ermöglicht werden. Gute Vakuumbedingungen sowie wirtschaftliche Produktdurchsätze werden bei solchen Prozessanlagen wesentlich durch die Leistungsfähigkeit des Pumpsystemes mitbestimmt. Neben der richtigen Dimensionierung 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 Schwierigkeiten 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 grossem Leitwert welche relativ grosse Leitungsquerschnitte erforderlich machen. Werden Ventile in Leitungen eingebaut, so darf durch den Durchlassquerschnitt des Ventils 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 Ausführungsmöglichkeiten 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 hochreinen 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 damit mit erhöhtem Auftreten von Partikeln zu rechnen. Diese Partikelerzeugung wird bei grossen Reibungskräften wesentlich stärker auftreten als bei geringen. Beispielsweise bei der Herstellung von Mikroschaltkreisen 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 Prozessanlagen werden deshalb alle möglichen Vorkehrungen getroffen, um die Erzeugung von Partikeln zu vermeiden oder auf einem beherrschbaren geringen Niveau zu halten.

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 einer Kryopumpe dargestellt. Das Ventil 20 wird geöffnet, beziehungsweise geschlossen durch Drehung der Ventilplatte 21 um eine Querachse. Bei grossen Leitungsdurchmessem ist bei dieser Ventilbauart auch ein grosser Durchmesser des Ventiltellers 21 notwendig. 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 gegenüber den Reibungs- und Verpressungskräf-ten der Dichtungen. Die grossen Stellkräfte erforden einen verhältnismässig 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 Anlagenbauweise gestellt. Diese Art Anlagen erfordern eine sehr aufwendige Infrastruktur der Gebäude wegen den erforderlichen Reinraumbedingungen und den sehr aufwendigen Installationen für die benötigten Betriebsmittel für diese Anlagen. In solchen Produktionsgebäuden, 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

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wirtschaftlichen Gründen vermehrt hohe Anforderungen an kompakte Bauweise gestellt werden.

Die Servicefreundlichkeit kann bei kompakten Anlagen, wenn diese gut strukturiert sind, ebenfalls beträchtlich verbessert werden, was wiederum der wirtschaftlichen Betriebsweise und der Zuverlässigkeit der Anlage entgegenkommt. 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 Ventilplatte 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 aufwendiger ist als ein Drehen der Platte um die Querachse.

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 kompakten 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 3 209 217 wird ein Schiebeventil der erwähnten Art beschrieben.

Wenn bei Vakuumanlagen von Pumpsystemen sehr hohe Leitwerte beziehungsweise sehr gute Pumpwerte gefordert werden, können Pumpen 24 direkt oder sogar mit teilweisem Eintauchen der Pumporgane 12 in den abzupumpenden Rezipienten 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 Anwendungsfällen müssen aber die Pumpen durch Absperrvorrichtungen 19, 20, 23 dicht abgetrennt werden können. Diese Absperrventile sollen aber die optimalen Betriebsbedingungen, wie sie sich aus der in Fig. 4 dargestellten Einbauart einstellen, nicht wesentlich verschlechtern.

Die vorliegende Erfindung setzt sich zum Ziel, eine Ventilausführung zu schaffen, welche die vorerwähnten Nachteile beseitigt. Insbesondere soll ein Ventil mit sehr kompakter Bauweise sowohl in axialer wie auch in radialer Ausdehnung geschaffen werden bei gleichzeitig sehr gutem Leitwertverhalten. Diese Vorteile sollen erreicht werden mit einer Ausführung, welche geringe Stellkräfte erforderlich macht und zugleich wenig Partikel durch Abrieb erzeugt.

Diese Aufgabe wird bei einer Ventilanordnung eingangs genannter Art durch Ausbildung nach Anspruch 1 gelöst.

Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 5 schematisch einen Längsschnitt einer bevorzugten erfindungsgemässen Anordnung mit einem feststehenden Aussenrohr als Ventilgehäuse und mit einem axial bewegbaren koaxialen inneren Rohrstück als Stellelement;

Fig. 6 eine Ausführungsvariante eines erfindungsgemässen Ventiles mit feststehendem zentralem Gehäuse und koaxialem, axial bewegtem äusserem Rohrteil als Stellelement;

Fig. 7 ein teilweise im Längsschnitt dargestelltes erfindungsgemässes Ausführungsbeispiel integriert 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 Öffnungen 5 sind durch schmale Stege 16 getrennt, welche den Gehäusedeckel 13 tragen. Die Stege 16 sind gegenüber den Öffnungen 5 nur so breit wie nötig ausgebildet, um die auf den Gehäusedeckel 13 wirkenden Kräfte aufnehmen zu können. Die Summe der einzelnen Öffnungsquerschnitte 5, in Fig. 7 strichliert eingetragen, wird so gewählt, dass ein genügend grosser Leitwert zur Verfügung steht. Als Richtwert für gute Ergebnisse soll der Gesamtöffnungsquer-schnitt etwa gleich gross oder grösser als der Rohrleitungsquerschnitt vorgesehen werden.

Das Verschlusselement 2 ist koaxial zum rohrför-migen Gehäuse 1 ausgebildet. Dieses deckt in geschlossener Stellung die Öffnungen 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 dargestellt. Zum Öffnen oder Schlies-sen des Ventiles wird das Verschlusselement 2 in axialer Richtung 6 bewegt bis die Öffnungen 5 freigegeben 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 Verschlusselement 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 Ventildurchmessem weist

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die erfindungsgemässe Ausführung neben der kompakten Bauform grosse Vorteile auf bezüglich geringem Kraftaufwand 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 bezüglich der Lagerung und Führung des Verschlusselementes 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 Ventilgehäuse. Dies schafft besonders günstige Einbauverhältnisse. Die Pumpfläche 12 ist im geöffneten Ventilzustand durch extrem kurze Wege gegenüber der Prozesskammer exponiert. Dies ergibt zusammen mit den grossen Öffnungsquerschnitten 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 Verschlusselement beispielsweise durch die Schubstangen 10, welche von Pressluftzylindern 11 angetrieben werden, bewegt und gelagert. Es können aber ohne weiteres auch andere bekannte Antriebsarten, welche translatorische Bewegungen erzeugen, verwendet werden. Die in Fig. 7 dargestellte Ausführung stellt aber eine besonders platzsparende Ausführungsform der Erfindung dar. Selbstverständlich können solche Ventile auch vorteilhaft bei anderen Pumpenarten wie beispielsweise Diffusionspumpen, 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 Leitungen eingebaut werden oder als Verbindungselement von Kammern verwendet werden.

Ein weiterer Vorteil dieses Ventiles ist die Möglichkeit, neben der Schliessfunktion den Leitwert kontinuierlich einstellen zu können, ohne dass wie bei anderen Ventilarten üblich zusätzliche Drosseleinrichtungen notwendig sind. Oft werden beispielsweise in der Vakuumdünnschichttechnik Prozesse mit Gaslast gefahren. Bei den entsprechend notwendigen Gasmengen beziehungsweise Drücken würden die Pumpen oft nicht mehr im richtigen Arbeitspunkt arbeiten, wenn nicht durch eine Drosselvorrichtung für dessen Einhaltung 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 Öffnungen 5 werden so nach Bedarf mehr oder weniger freigegeben. Dies hat zur Folge, dass der Leitwert verändert wird. Auf diese Weise können verschiedene Arbeitspunkte nach Bedarf in Schritten oder kontinuierlich eingestellt werden.

In vielen Fällen ist es aber notwendig, stets wechselnde 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 Anwendung das Übertragungsverhalten der Drosselfunktion dieses Ventiles. Der Leitwert steht in einem linearen Zusammenhang mit dem axialen Verschiebeweg 6. Ein solches Stellverhalten ist bekanntlich bei Regelsystemen für stabiles und günstiges Betriebsverhalten sehr erwünscht.

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Ventilanordnung mit mindestens einer mittels eines Verschlusselementes (2) dichtend verschliess-baren Ventilöffnung (5), dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst:

   a) ein doppelwandiges Rohrstück, dessen Wände (2,1) axial relativ zueinander verschiebbar sind;

   b) ein an einer der Rohrwandungen (1) angebrachter Abschlussdeckel (13), welcher so ausgebildet ist, dass sich die andere Rohmandung (2) in einer Endlage der Relativverschiebung dichtend axial an den Deckel (13) anlegt;

   c) mindestens eine Öffnung (5) an der einen Rohrwandung (1) im Verschiebungsbereich der Rohrwandungen;

   d) eine in der einen Endlage axial beanspruchte Dichtungsanordnung (3), welche sich zwischen den Rohrwandungen auf der dem Abschlussdeckel (13) abgewandten Seite der Öffnung (5) befindet.

   2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschlussdeckel (13) an der äusseren Rohrwandung angebracht ist, in dessen Wandung auch die Öffnung (5) vorgesehen ist.

   3. Ventilanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die äussere Rohrwandung (1) Gehäuse eines Aggregates, vorzugsweise einer Pumpe, vorzugsweise einer Vakuumpumpe ist.

   4. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Öffnung (5) einstellbar ist, um bestimmte vorgegebene Leitwerte einzustellen, vorzugsweise motorisch einstellbar ist.

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

   6. Ventilanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwandung (2) kontinuierlich und/oder in Schritten verschieblich ist, um bestimmte vorgegebene Leitwerte einzustellen.

   7. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gesteuerte Öffnung (5) Stellgrösse eines Regelkreises ist.

   8. Vakuumpumpe mit einem Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7 im Ansaugstutzen, wobei das

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   Pumpengehäuse die eine Rohrwandung (1) mit Deckel (13) bildet.

   9. Vakuumanlage mit mindestens einer Ventilanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 7 an einem Va-kuumrezipienten (7).

   10. Regelkreis mit einer Ventilanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 7 als Stellglied.

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