DD221808A1 - VAKUUMDOSIERVENTIL - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Vakuumdosierventil mit thermischer Regeleinrichtung. Derartige Ventile sind insbesondere in der Hoch- und Ultrahochvakuumtechnik erforderlich, wo ein genau vorgegebener Druck geregelt werden muss. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Vakuumdosierventil mit thermischer Regelung zu schaffen, welches einen grossen Regelbereich aufweist, das genaue und schnelle Regeln auch sehr kleiner Gasstroeme ermoeglicht und ein sicheres Schliessen des Ventils ohne Ueberlastung der Dichtflaeche ermoeglicht. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe derart geloest, dass in einem Gehaeuse mit Gaseinlass- und Gasauslassoeffnung zentrisch die Dichtflaeche angeordnet ist und dieser gegenueber der Verschlusskoerper, derart, dass dieser bei Raumtemperatur mit durch mechanischen Mitteln bestimmtem maximalem Anpressdruck auf die Dichtflaeche drueckt. Des weiteren ist erfindungsgemaess das Gehaeuse zwischen Dichtflaeche und Angriffspunkt des Verschlusskoerpers mit einem thermischen Dehnungskoerper versehen, derart, dass jede Erwaermung des Dehnungskoerpers ueber die Raumtemperatur ueber die Laengenaenderung zu einem direkten Anheben des Verschlusskoerpers gegenueber der Dichtflaeche fuehrt. FigurThe invention relates to a vacuum metering valve with thermal control device. Such valves are particularly required in the high and ultra-high vacuum technology, where a precisely predetermined pressure must be regulated. The invention has for its object to provide a vacuum metering valve with thermal control, which has a large control range that allows accurate and fast control of even very small gas flow and allows a safe closing of the valve without overloading the sealing surface. According to the invention, the object is achieved in such a way that the sealing surface is arranged centrally in a housing with gas inlet and gas outlet opening and this against the closure body in such a way that it presses onto the sealing surface at room temperature with a maximum contact pressure determined by mechanical means. Furthermore, according to the invention, the housing between the sealing surface and the point of application of the closure body is provided with a thermal expansion body, such that each heating of the expansion body above the room temperature leads to a direct lifting of the closure body relative to the sealing surface. figure

Description

VakuumdosierventilVakuumdosierventil

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Vakuuradosierventil mit thermischer Regeleinrichtung. Derartige Ventile sind insbesondere in der Hoch- und Ultrahochvakuumtechnik erforderlich, wo ein genau vorgegebener Druck geregelt werden muß. Oft ist es erforderlich, einen bestimmten Partialdruck eines Arbeits- oder Reaktionsgases genau einzuhalten. Dazu ist es üblich, die Vakuumkammer bis zu einem Endvakuum zu evakuieren und danach über ein Vakuumdosierventil das erforderliche Gas einzulassen. In der Praxis wird der Arbeitsdruck meist über das Gleichgewicht von ständigem Absaugen mit gleichbleibendem Saugvermögen und ständigem Gaseinlaß über ein Vakuumdosierventil realisiert. Die besondere Problematik besteht dabei in den sehr geringen Gasströmen, die über das Vakuumdosierventil geregelt werden müssen. In ÜHV-Einrichtungen z. B. ist oft das Regeln von Drücken in der Vakuumkammer erforderlich^ die bei 1 χ 10 Pa liegen.The invention relates to a Vakuuradosierventil with thermal control device. Such valves are particularly required in the high and ultra-high vacuum technology, where a precisely predetermined pressure must be regulated. Often it is necessary to maintain a certain partial pressure of a working or reactive gas exactly. For this purpose, it is customary to evacuate the vacuum chamber to a final vacuum and then admit the required gas via a vacuum metering valve. In practice, the working pressure is usually realized via the equilibrium of constant suction with constant pumping speed and constant gas inlet via a vacuum metering valve. The particular problem consists in the very low gas flows, which must be controlled via the vacuum metering valve. In ÜHV facilities z. For example, it is often necessary to regulate pressures in the vacuum chamber which are at 1χ10 Pa.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Im Stand der Technik gibt es eine Reihe von Lösungen j die insbesondere mit rein mechanischen Mitteln arbeiten. Derartige Lösungen bringen meist nicht die erforderli» ehe Genauigkeit. In jüngerer Zeit sind deshalb thermisch geregelte Vakuumdosierventile bekannt geworden«In the prior art, there are a number of solutions which work in particular with purely mechanical means. Such solutions usually do not provide the required accuracy. More recently thermally controlled vacuum dosing valves have become known «

Die DE-OS 26 31 909 beschreibt ein derartiges thermisch geregeltes Vakuumdosierventil. In einem Ventilgehäuse mit Gasein» und -auslaß ist ein Ventilsitz und der züge» hörige Ventilverschlußkörper angeordnet«, Der Ventilverschlußkörper ist mit einem mechanisch zu betätigenden Betätigungsorgan gekoppelt, wobei zusätzlich ein Hilfskörper und eine Einrichtung zur Einstellung der Temperatur des Hilfskörpers vorgesehen ist, die mit dem Betätigungsorgan und dem Antriebselement derart verbunden sind,, daß thermische Längenänderungen des Hilfskörpers auf das Antriebselement übertragen werden. Die Temperatureinstellung erfolgt vorwiegend mittels Heizvorrichtung, kann aber auch mittels Abkühlung realisiert werden.DE-OS 26 31 909 describes such a thermally controlled vacuum metering valve. The valve closure body is coupled to a mechanically actuated actuator, wherein in addition an auxiliary body and means for adjusting the temperature of the auxiliary body is provided with a valve housing with Gasein »and -auslaß a valve seat and the trains" hearing valve body the actuator and the drive element are connected, that thermal length changes of the auxiliary body are transmitted to the drive element. The temperature setting is predominantly by means of a heater, but can also be realized by means of cooling.

Diese Lösung nach dem Stand der Technik weist dabei einige wesentliche Nachteile auf, die insbesondere den Einsatz in niederen Druckbereichen verhindern. So ist die / Temperatureinstellung relativ schwierig, da über vielfältige Bauelemente des Ventils ein unkontrollierter Wärmeabfluß erfolgt, was zu unkontrollierten Längenänderungen führen kann und damit zur Beeinträchtigung des geregelten Gasdurchlasses.This solution according to the prior art has some significant disadvantages that prevent in particular the use in low pressure ranges. Thus, the / temperature setting is relatively difficult, as over a variety of components of the valve uncontrolled heat dissipation occurs, which can lead to uncontrolled changes in length and thus to the deterioration of the regulated gas passage.

Darüber hinaus ist das Ventil so aufgebaut, daß der maximale Öffnungsquerschnitt stets mechanisch vorgewählt werden muß/ Damit ist ein öffnen des Dosierventils zum Fluten der Vakuumkammer mit der thermischen Regelung nicht möglich,, da die thermische Regelung immer nur ein Schließen des Ventils aus der vorgewählten maximalenIn addition, the valve is constructed so that the maximum opening cross-section must always be mechanically preselected / Thus, an opening of the metering valve for flooding the vacuum chamber with the thermal control is not possible, since the thermal control always only a closing of the valve from the preselected maximum

Öffnungslage realisiert. Durch die Lage des Hilfskörpers im Inneren des Ventils ist in jedem Fall auch der Wärmeaustausch gemindert und die Regelung ist sehr träge. Auch besteht die Gefahr, daß durch unbeabsichtigte Temperaturüberhöhung die Anpreßkraft unzulässig ansteigt.Opening position realized. Due to the position of the auxiliary body inside the valve in any case, the heat exchange is reduced and the scheme is very sluggish. There is also the risk that the contact pressure increases inadvertently by unintentional temperature increase.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Die Erfindung hat das Ziel, einen sehr kleinen Gasstrom mit hoher Genauigkeit und geringer Trägheit zu regeln, wobei der Regelbereich möglichst groß ist.The invention aims to control a very small gas flow with high accuracy and low inertia, the control range is as large as possible.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Vakuumdosierventil mit thermischer Regelung zu schaffen, welches einen großen Regelbereich aufweist, das genaue und schnelle Regeln auch sehr kleiner Gasströme ermöglicht und ein sicheres Schließen des Ventils ohne Ober- lastung der Dichtfläche ermöglicht.The invention has for its object to provide a vacuum metering valve with thermal control, which has a large control range that allows accurate and fast control even very small gas flows and allows a safe closing of the valve without overload of the sealing surface.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe derart gelöst, daß in einem Gehäuse mit Gaseinlaß- und Gasauslaßöffnung zentrisch die Dichtfläche angeordnet ist und dieser gegen-über der Verschlußkörper, derart, daß dieser bei Raumtemperatur mit durch mechanischen Mitteln bestimmten maximalem Anpreßdruck auf die Dichtfläche drückt. Des weiteren ist erfindungsgemäß das Gehäuse zwischen Dichtfläche und Angriffspunkt des Verschlußkörpers mit einemthermischen Dehnungskörper versehen, derart, daß jede Erwärmung des Dehnungskörpers über die Raumtemperatur über die Längenänderung zu einem direkten Anheben des Verschlußkörpers gegenüber der Dichtfläche führt. Die Längenänderung kann dabei mittels geringer Erwärmungsehr genau und fein erfolgen, so daß mit hoher Genauig-According to the invention the object is achieved in that in a housing with gas inlet and gas outlet centric the sealing surface is arranged and this against the closure body, so that it presses at room temperature with mechanical means determined by maximum contact pressure on the sealing surface. Furthermore, according to the invention, the housing between the sealing surface and point of application of the closure body is provided with a thermal expansion body, such that any heating of the expansion body over the room temperature over the change in length leads to a direct lifting of the closure body relative to the sealing surface. The change in length can be very accurate and fine by means of low heating, so that with high precision

keit auch sehr' kleine Gasströme geregelt werden können. Bei entsprechend hoher Erwärmung des Dehnungskörpers ist es möglich den Verschlußkörper so stark anzuheben„ daß y die Vakuumkammer auch geflutet werden kann.Even very small gas flows can be regulated. With a correspondingly high heating of the expansion body, it is possible to raise the closure body so much that the vacuum chamber can also be flooded.

Der thermische Dehnungskörper im Gehäuse wird vorteilhafterweise konzentrisch im Gehäuse integriert. Das kann erfolgen, indem das Gehäuse in einem Bereich stark geschwächt (ohne Beeinträchtigung der mechanischen Festigkeit) und dieser Bereich-mit einer Heizmanschette umgeben wird. Zur Erhöhung der Regelgeschwindigkeit ist es dabei vorteilhaft, den Dehnungskörper zu isolieren und mit einer Kühlung abzuschirmen. In einem rohrförmigen Gehäuse werden dazu oer Dehnungskörper und die Heizmanschette radial mit einer Wärmeisolation versehen und axial in zwei Kühlkanäle eingebettet. Damit ist es möglich, jeglichen unkontrollierten Wärmeabfluß bzw. das unkontrollierte Erwärmen anderer Bauteile zu verhindern.The thermal expansion body in the housing is advantageously integrated concentrically in the housing. This can be done by strongly weakening the housing in a region (without compromising mechanical strength) and surrounding it with a heating jacket. To increase the control speed, it is advantageous to isolate the expansion body and shield with a cooling. In a tubular housing to oer expansion body and the heating sleeve are provided radially with a heat insulation and embedded axially into two cooling channels. This makes it possible to prevent any uncontrolled heat flow or the uncontrolled heating of other components.

Der Dehnungskörper selbst kann aus dem Gehäusematerial bestehen (definiertes Ausdrehen des Gehäuses) oder auch aus einem separaten, z. B. eingelötetem^ Bauelement aus , einem Material mit hohem spezifischen Ausdehnungskoeffizienten und hoher Wärmeleitfähigkeit, z. B. Kupfer.The expansion body itself may consist of the housing material (defined turning out of the housing) or from a separate, z. As soldered ^ component made of a material with high specific expansion coefficient and high thermal conductivity, z. B. copper.

Das Ventil arbeitet in folgender Weise. Im Ruhezustand ist das Ventil kalt, d. h„ es besitzt Raumtemperatur und über mechanische Mittel, z. 6, eine gekonterte Feingewindeeinstellung „wird der Verschlußkörper mit vorbestimmter Kraft auf die Dichtfläche gepreßt und das Ventil ist dicht. Wenn das Ventil einen Gasstrom regeln soll wird die Heizmanschette an ©ine Spannung gelegt und die Kühlkanal© werden mit einem Kühlmedium versorgt» Dabei ist die Spannung in der Ausgangslage über einen Spannungsregler zuerst auf Null geregelt. Oe nach erforderlichem Gasstrom wird eine spezifische Spannung eingestellt (vorteilhaft elektronisch), die den DehnungskörperThe valve works in the following way. At rest, the valve is cold, d. h "it has room temperature and mechanical means, for. 6, a countered fine thread adjustment "the closure body is pressed with a predetermined force on the sealing surface and the valve is sealed. If the valve is to regulate a gas flow, the heating sleeve is connected to © and the cooling channel © is supplied with a cooling medium. »The voltage in the initial position is first regulated to zero via a voltage regulator. Oe after required gas flow, a specific voltage is set (advantageous electronically), which is the expansion body

im Gleichgewicht mit der Kühlung erwärmt, um einen definierten Betrag vergrößert und damit den Verschlußkörper anhebt. Wenn das Ventil wieder zurückgeregelt werden soll, dann wird die Spannung abgesenkt und über die Kühlung ein neues Wärmegleichgewicht am Dehnungskörper mit geringerer Oehnung erzielt, wodurch der Verschlußkörper den Öffnungsspalt zur Dichtfläche verkleinert.heated in equilibrium with the cooling, increased by a defined amount and thus raises the closure body. If the valve is to be controlled back again, then the voltage is lowered and achieved via the cooling a new thermal equilibrium on the expansion body with lower Elongation, whereby the closure body reduces the opening gap to the sealing surface.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht insbesondere darin, daß durch einen räumlich klein gehaltenen und thermisch zum Ventil isolierten Dehnungskörper der Gasstrom sehr genau, schnell und über einen großen Bereich geregelt werden kann. 'The advantage of the solution according to the invention is, in particular, that the gas flow can be regulated very accurately, quickly and over a large range by means of a spatially small and thermally insulated valve body to the expansion body. '

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment.

Die zugehörige Zeichnung zeigt ein erfindungsgemäßes Vakuumdosierventil im Schnitt.The accompanying drawing shows an inventive vacuum metering valve in section.

Das dargestellte Ventil ist als Eckventil ausgebildet. Das Gehäuse besteht aus einem Gehäuseunterteil 1 mit Gaseinlaßöffnung 2_f Gäsauslaßöffnung 3 und der Dichtfläche 4 und dem Gehäuseoberteil 5. An der Verbindungsstelle zwischen Gehäuseunterteil 1 und Gehäuseoberteil 5 ist eine Dichtmembran 6 angeordnet, durch die nur das bichtelement 7 des Verschlußkörpers 8 hindurchtritt. Die !geschlossene Stellung des Ventils bzw. der Anpreßdruck des Verschlußkörpers 8 gegen die Dichtfläche 4 wird über die Stellschraube 9 realisiert. Der erfindungsgemäße Dehnungskörper 10 ist im Beispiel ein Steg, der durch beidseitige Ausdrehung des Gehäuseoberteils 5 entstanden ist. Dadurch ist die erforderliche Wärmemenge zur Erzielung einer definierten Längenänderung wegen der geringeren Masse bedeutend geringer und die RegelgeschwindigkeitThe illustrated valve is designed as an angle valve. The housing consists of a lower housing part 1 with gas inlet opening 2 _f Gäsauslaßöffnung 3 and the sealing surface 4 and the upper housing part 5. At the junction between the lower housing part 1 and the upper housing part 5, a sealing membrane 6 is arranged through which only the bichtelement 7 of the closure body 8 passes. The! Closed position of the valve or the contact pressure of the closure body 8 against the sealing surface 4 is realized via the adjusting screw 9. The expansion body 10 according to the invention is in the example a web, which has arisen by double-sided rotation of the upper housing part 5. As a result, the required amount of heat to achieve a defined change in length due to the lower mass is significantly lower and the control speed

entsprechend höher. In der äußeren Ausdrehung ist eine elektrische Heizmanschette 11 angeordnet, während innen an der inneren Ausdrehung ein Strahlungsblech 12 eingelegt ist, damit die zentrischen Bauteile nicht unkontrolliert erwärmt werden und zu einer falschen Regelung führen. Beidseitig axial vom Dehnungskörper 10 ist je eine Kühlhut 13 angeordnet.correspondingly higher. In the outer recess, an electric heating sleeve 11 is arranged, while inside of the inner recess a radiation plate 12 is inserted, so that the central components are not heated uncontrollably and lead to a wrong regulation. Axially on both sides of the expansion body 10 is a cooling hat 13 is arranged.

In der Regelfunktion des Vakuumdosierventils ist in der Ausgangslage das Ventil bei Raumtemperatur geschlossen, Der Verschlußkörper 8 wird von der Stellschraube 9 nach Überwindung der Federkraft der Gegendruckfeder 14 mit einer bestimmten Anpreßkraft auf die Dichtfläche 4 gedruckt. Wenn ein Gasstrom geregelt werden soll» wird die Heizmanschette 11 an eine definierte Spannung gelegt. Dadurch wird der Dehnungskörper 10 gedehnt, das obere Teil des GehäuseoboKteils 5 angehoben und mit Unterstützung durch die Gegendruckfeder 14 auch der Verschlußkörper 8. In der Folge entsteht zwischen der Dichtfläche 4 und dem Dichtelement 7 ein Spalt und das Gas kann von der Gaseinlaß- öffnung 2 zur Gasauslaßöffnung 3 strömen.In the control function of the vacuum metering valve, the valve is closed at room temperature in the starting position. The closure body 8 is pressed onto the sealing surface 4 by the adjusting screw 9 after overcoming the spring force of the counterpressure spring 14 with a specific contact pressure. If a gas flow is to be regulated, the heating sleeve 11 is placed at a defined voltage. As a result, the expansion body 10 is stretched, the upper part of the housing body 5 is raised and, with the assistance of the counter-pressure spring 14, the closure body 8. As a result, a gap is created between the sealing surface 4 and the sealing element 7 and the gas can flow from the gas inlet opening 2 flow to the gas outlet opening 3.

Durch die Isolierung des Dehnungskörpers 10 mittels Heizmanschette Il und Strählungsblech 12 und durch die gleichbleibende Kühlung (Wärmeableitung) über die zwei Kühlnuten 13, ist die Längenänderung des Dehnungskörpers 10 sehr genau und schnell möglich. Eine unzulässige Erhöhung der Anpreßkraft des Verschlußkörpers 8 gegen die Dichtfläche 4 ist in keinem Fall möglich. Auch beim "Ausheizen" des gesamten Ventils in UHV-Anlagen bei Temperaturen von 400 ⁰G wird das Ventil nicht geschädigt.Due to the insulation of the expansion body 10 by means of heating sleeve Il and Strählungsblech 12 and by the constant cooling (heat dissipation) on the two cooling grooves 13, the change in length of the expansion body 10 is very accurate and fast. An impermissible increase in the contact pressure of the closure body 8 against the sealing surface 4 is not possible in any case. Even when "heating" the entire valve in UHV systems at temperatures of 400 ⁰ G, the valve is not damaged.

Claims (4)

Patentanspruchclaim 1. Vakuumdosierventil mit einem Ventilgehäuse mit Gaseinlaßöffnung (2) und Gasauslaßöffnung (3), einem darin angeordneten Ventilsitz und einem Verschlußkörper (8),A vacuum metering valve having a valve housing with a gas inlet opening (2) and a gas outlet opening (3), a valve seat arranged therein and a closure body (8), dadurch gekennzeichnet, daß der Verschlußkörper (8) über eine Stellschraube (9) und eine Gegendruckfeder (14) bei Raumtemperatur mit einer vorbestimmten Anpreßkraft auf den Ventilsitz gedrückt wird und, daß im Gehäuse zwischen Ventilsitz und Angriffspunkt des Verschlußkörpers (8) ein Dehnungskörper (10) vorgesehen ist, der zum Zwecke des öffnens des Ventils erwärmt wird.characterized in that the closure body (8) via an adjusting screw (9) and a counter-pressure spring (14) is pressed at room temperature with a predetermined contact pressure on the valve seat and that in the housing between the valve seat and the point of engagement of the closure body (8) an expansion body (10 ) is provided, which is heated for the purpose of opening the valve. 2. Vakuumdosierventil nach Punkt 1,2. Vacuum metering valve according to item 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnungskörper (10) radial isoliert wird und in axialer Länge des Gehäuses beidseitig mit einer Kühlung versehen ist. characterized in that the expansion body (10) is radially isolated and is provided on both sides in the axial length of the housing with a cooling. 3. Vakuumdosierventil nach Punkt 1,3. Vacuum metering valve according to item 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnungskörper (10) durch örtliche Verjüngung des rohrförmigen Gehäuses hergestellt wird.characterized in that the expansion body (10) is made by locally tapering the tubular housing. 4. Vakuumdosierventil nach Punkt 1,4. Vacuum metering valve according to item 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erwärmung des Dehnungskörpers eine elektrische Heizung verwendet wird.characterized in that an electric heater is used to heat the expansion body.