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Sicherungsvorrichtung für Vakuumanlagen mit einem Verschlußventil
Die Erfindung betrifft eine Sicherungsvorrichtung für Vakuumanlagen mit einem Verschlußventil
in der Verbindungsleitung zwischen Vorvakuumpumpe und Hochvakuumpumpe bzw. Vakuumrezipienten,
wobei beim Stillstand der Vorvakuumpumpe eine selbsttätige vakuumdichte Absperrung
nach der Hochvakuumseite eintritt, während die andere Seite der Vorvakuumpumpe belüftet
wird. Die Erfindung betrifft ferner die Ausgestaltung eines Verschlußventils für
die vorgenannte Sicherungsvorrichtung.
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Ein in die Ansaugleitung einer Vakuumpumpe gelegtes Verschlußventil
soll die Inbetriebnahme und Bedienung einer Hochvakuumanlage erleichtern, eine Fernsteuerung
oder Automatisierung ermöglichen und im Falle von StromausfalI blitzschnell die
Leitung zum Vakuumrezipienten oder zur Hochvakuumpumpe schließen. Hierfür sind bereits
sogenannte »autopneumatische Ventile« verwendet worden. Vorbekannte Ventile dieses
Typs enthalten als bewegbares Ventilelement einen Kolben, der beim Ab-
stellen
der Pumpe und öffnen eines kleinen Magnetventils durch den äußeren Luftdruck gegen
die Öff-
nung zum Vakuumrezipienten gepreßt wird und diesen damit verschließt.
Bei der bekannten Ausführungsform weist der Kolben ein Puffervolumen und zwei Kapillarelemente
auf, die den Luftausgleich zwischen zwei verschiedenen Räumen im Ventil in der Weise
regeln, daß während des Schließens, aber auch während des öffnens, nur vernachlässigbare
Luftmengen in den Vakuumrezipienten eintreten können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sicherungsvorrichtung
mit einem Verschlußventil zu schaffen, welche neben leichter Bedienbarkeit und automatischem
Schnellverschluß das Eintreten von Nebenluft in die Vorpumve einer Hochvakuumanlage
verhindert, diese bei Auderbetriebsetzung der Anlage belüftet und die gleichzeitig
für eine Bypass-Schaltung und mehrfaches konsekutives Schalten geeignet ist. Diese
Aufgabe wird bei einer Sicherungsvorrichtung der eingangs genannten Art gemäß der
Erfindung gelöst durch ein Verschlußventil bekannter Grundkonstruktion mit einem
ersten Teilraum, welcher durch einen mit einer bewegbaren Wand verbundenen Ventilstempel
absperrbar ist, auf dessen anderer Seite sich ein zweiter Teilraum befindet, mit
einem dritten Teilraum, der mit dem zweiten Teilraum durch ein Kapillarelement verbunden
ist, und ferner durch die Verwendung dieses Verschlußventils bekannter Konstruktion
in derartiger Ausbildung und derartiger Anordnung, daß der erste Teilraum mit der
Hochvakuumseite, d. h. mit der Hochvakuumpumpe bzw. dem Hochvakuumrezipienten
in Verbindung steht, daß der zweite Teilraum durch das Magnetventil mit der Umgebungsatmosphäre
verbindbar ist, daß das Magnetventil durch einen gleichfalls an sich bekannten elektromechanischen
Schalter bei der Inbetriebnahme der Vorvakuumpumpe geschlossen wird und daß der
drittte Teilraum an die Vorvakuumpumpe angeschlossen ist, wobei sich zwischen dem
zweiten Teilraum und dem dritten Teilraum das Kapillarelement von solchem Durchlaß
befindet, daß die beim öffnen und Schließen des Ventils nach der Hochvakuumseite,
d. h. nach der Hochvakuumpumpe bzw. nach dem Vakuumrezipienten rückströmende
Luftmenge kleiner als die hier bereits vorhandene bleibt.
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Zur Absperrung von Dampf und Flüssigkeiten ist bereits ein elektromagnetisch
betätigbares Ventil bekannt, welches drei abtrennbare Teilräume aufweist. Parallel
zum Hauptströmungsweg ist eine elektromagnetisch steuerbare Bypass-Leitung vorgesehen"
deren Freigabe die öffnung des Ventils durch Druckkräfte aus dem Fördermedium einleitet.
Keiner dieser Teilräume wird mit atmosphärischer Luft belüftet, und das Ventil ist
in seiner vorliegenden Ausführung zur Anwendung als Verschlußventil für Sicherungsvorrichtungen
in Vakuumanlagen ungeeignet.
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Aus dem Aufbau gemäß der Erfindung ergeben sich besondere Vorteile.
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1. Das Ventil schließt beün Einströmen von Luft in den durch
das Magnetventil mit der Umgebungsatmosphäre verbindbaren zweiten Teilraum erheblich
schneller, weil dem Schließen eine geringere Trägheitskraft entgegensteht.
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2. Das Ventil kann in beliebiger Lage montiert werden, weil für seine
Wirkung die Schwerkraftrichtung bedeutungslos bleibt. Dieser Vorteil läßt sich in
weiterer Ausgestaltung der Erfindung durch eine Druckfeder unterstützen, die zusammen
mit
der natürlichen Vorspannung der Membran den Druckdifferenzpunkt des öffnens des
Ventils bestimmt.
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3. Das Ventil schließt wegen der geringen Masse der bewegbaren
Teile vollkommen prallfrei, während Kolbenventile unter Umständen einen Rückprall
zeigen, welcher ein zusätzliches Eindringen von Luft in den Vakuumrezipienten herbeiführt.
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Bei dem gemäß der Erfindung mit bewegbarer Wand ausgebildeten Meinbranventil
wirkt der Atmosphärendruck beim Öffnen und Schließen als Bewegungsantrieb nicht
allein auf die Ventilstempelfläche, sondern auch etwa die Hälfte der umgebenden
Wandflächen tragen zur Erzeugung der Schließkräfte bei. Diese Hälfte beträgt z.
B. bei einem Membranventil für 20-mm-Leitungen das drei- bis vierfache der eigentlichen
Ventilstempelfläche. Die Folge davon ist eine Funktionsverbesserung, die sich in
einer Beschleunigung des Schließvorganges ausdrückt. Ferner öffnet sich das Verschlußventil
erst bei einem erheblich niedrigerem Druck als ein entsprechendes Kolbenventil.
Die Federöffnungskraft, die so eingestellt ist, daß unter allen Umständen ein Kleben
vermieden wird, soll in der nachfolgenden Betrachtung Ki betragen. Klebt der Ventilstempel
nicht, wie es bei häufiger Betätigung zu erwarten ist, dann wird er sich abheben,
sobald der DruckP im zweiten Teilraum so weit abgesunken ist, daß das Produkt mit
der wirksamen Fläche F P F<Kf, geworden ist. Da F bei dem gemäß der Erfindung
mit bewegbarer Wand ausgebildeten Verschlußventil etwa viermal größer ist als bei
Kolbenventilen mit gleichem öffnungsquerschnitt und gleichem Kf, öff-
nen
sich diese Membranventile bereits bei einem viermal niedrigerem DruckP mit der unmittelbaren
Folge einer entsprechend geringeren rückströmenden Restluftmenge.
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Es kann außerdem zweckmäßig sein, den Aufbau so zu treffen, daß der
Ventilstempel die bewegbare Wand zwischen den Teilräumen bildet.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die
am Ventilstempel oder an dessen Gegenlager angeordnete Dichtung in an sich bekannter
Weise aus flexiblem Werkstoff besteht und daß die Dichtung so weit vom andrückenden
Rand radial entfernt eingespannt ist, daß sie im Falle des Klebens der Ventilstempel
sich zuerst abhebt, bevor sich die Dichtung vom andrückenden Rand zonenweise abreißt.
Diese Ausbildung erleichtert das öff-
nen des Verschlußventils.
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Ein weiterer Vorteil karm gegebenenfalls dadurch erreicht werden,
daß die feststehende Innenwand des zweiten Teilraums so gestaltet ist, daß der durch
die Innenwand und die bewegbare Wand begrenzte Raum bei geöffnetem Magnetventil
ein möglichst kleines Volumen hat. Dadurch wird die rückströmende Luftinenge nach
dem Schließen des Magnetventils verringert. Außerdem erscheint es für be-stimmte
Anwendungsfälle vorteilhaft, daß der als Faltenbalg ausgebildete bewegbare Wandteil
in seinem Innenraum einen kühlbaren Hülsenteil aufnimmt.
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In der Zeichnung sind die Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Sicherungsvorrichtung schematisch dargestellt; es zeigt F i g. 1 eine schematische
Ansicht einer Sicherungsvorrichtung gemäß der Erfindung mit einem im Längsschnitt
dargestellten Verschlußventil, F i g. 2 einen Längsschnitt durch ein Verschlußventil
in abgewandelter Ausführungsform, F i g. 3 einen Längsschnitt durch ein Verschlußventil
mit Federbalg.
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Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ist das Innere des Verschlußventils
jeweils in drei Teilräume A, B, C unterteilt, die mit
zugehörigen Flanschanschlüssen versehen sind. Der erste Teilraurn A ist an
eine Hochvakuumpumpe 1 angeschlossen, während der zweite Teilraum B über
ein Magnetventil 2 von an sich bekannter Konstruktion belüftet werden kann. Das
Magnetventil 2 ist über Stromzuführungen 3, 4 unter Zwischenschaltung eines
elektromechanischen Schalters 5 an eine Spannungsquelle angeschlossen. Der
elektromechanische Schalter 5 wird in Abhängigkeit von der Drehbewegung einer
mit dem dritten Teilraum C verbundenen Vorvakuumpumpe 6
geschlossen.
In stromlosem Zustand gibt das Magnetventil 2 eine kleine Durchlaßöffnung zur Umgebungsatmosphäre
frei, während bei angelegter Spannung, d. h. bei geschlossenem elektromechanischem
Schalter 5, eine vollständige Absperrung des zweiten Teilraumes B gegenüber
der Umgebungsatmosphäre erfolgt.
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Die Teilräume B und C bzw. A und B sind durch einen
als Membran 7 ausgebildeten, bewegbaren Wandteil getrennt, in welchem sich
ein Kapillarelement 8 befindet, durch das ein Druckausgleich zwischen den
Teilräumen B und C stattfinden kann.
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Im Zentrum der Membran 7 ist ein Ventilstempel 9
vorgesehen,
der an seinem Rand eine radial eingespannte Dichtung 10 aufweist. Diese Dichtung
10
dichtet bei Auflage an einem oberen Randteil 11
den Teilraum
A ab. Der Ventilstempel 9 ist durch eine Schraubendruckfeder 12 in
öffnungsrichtung vorgespannt.
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Herrscht beispielsweise im ersten Teilraum A ein Vakuum,
in den Teilräumen B und C äußerer Luftdruck, so wird der Ventilstempel
9 mit einer Dichtung 10 auf den oberen Randteil 11 des Teilraumes
A
gepreßt; das Verschlußventil ist damit geschlossen. Beim Einschalten der
Vorvakuumpumpe 6 schließt sich der elektromechanische Schalter
5, und das Magnetventil 2 wird an Spannung gelegt, so daß der Teilraum B
gegenüber der Umgebungsluft vollständig abgesperrt ist. Dadurch wird der Teilraum
B durch das Kapillarelement 8 vom Teilraum C her leergepumpt, wobei
der Druck auf den Ventilstempel 9
vermindert wird. Bei einem gewissen Differenzdruck
reicht die Druckkraft der Schraubendruckfeder 12 dazu hin, den Ventilstempel
9 mit seiner Dichtung 10 vom oberen Randteil 11 des Teilraumes
A abzuheben. Eine sehr geringe Restluftmenge aus dem zweiten Teilraum B gelangt
dabei zum ersten Teilraum A. Dies stört jedoch im allgemeinen nicht,
da die nachgeschaltete Pumpe sie sogleich absangt.
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Ist der Pumpvorgang beendet, wird die Vorvakuumpumpe 6 abgestellt
und das Magnetventil 2 durch öffnen des elektromechanischen Schalters
5 strmülos. Damit gibt das Magnetventil 2 eine Einströmöffmng in den zweiten
Teilraum B frei und belüftet diesen. Die einströmende Luft schließt durch den Druck
auf den Ventilstempel 9 und die als Membran 7 gestaltete bewegbare
Wand innerhalb von Sekundenbruchteilen das Verschlußventil. Die in diesem Intervall
durch
das Kapillarelement 8 zum Teilraum A gelangende Luftmenge bleibt so
gering, daß sie vernachlässigt werden kann. Durch das Kapillarelement
8
strömt anschließend Luft in den Teilraum C und belüftet die Ansaugleitung
der Vorvakuumpumpe 6,
wodurch ein Rücklaufen und Aufsteigen von
öl vermieden wird.
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Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 2 entsprechen alle wesentlichen
nicht erwähnten Einzelteile sowie die Anschlüsse der Darstellung in F i
g. 1. Es ist jedoch ein Deckelstück 13 mit einer wulstartig gewölbten
Membrananlagefläche 14 vorgesehen, und die Ausbildung der Dichtung 10 weicht
in ihrer Anordnung von der Ausführungsforin in F i g. 1 ab. Durch die besondere
Gestaltung des Deckelstückes 13 vermindert sich das zu belüftende Volumen
des Teilraumes B.
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In F i g. 3 ist die Membran 7 durch einen Faltenbalg
15 ersetzt, dessen Bodenplatte den Ventilstempel darstellt und der in sich
bereits genügend Federkraft enthält. Das Kapillarelement 8 befindet sich
in dieser Ausführungsform in einem festen Wandteil eines Gehäuses 16. Der
Faltenbalg 15 umschließt einen inneren Hülsenteil 17, welcher kühlbar
ausgestaltet werden kann und dadurch die Ausbildung des Verschlußventils als Baffle
in Hochvakuumanlagen ermöglicht.
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Es ist ferner möglich, das Verschlußventil als Hochvakuumventil zu
benutzen, wobei der Teilraum B hinter dem Ventilstempel 9 so langsam ausgepumpt
wird, daß die je Zeiteinheit anfallende Luftmenge von der rotierenden Pumpe
ohne Beeinträchtigung ihrer Funktion gegenüber der Hochvakuumpumpe aufgenommen werden
kann. Die Schraubendruckfeder 12, deren öffnungskraft am Ventilstempel
9 angreift, ist dabei so stark auszubilden, daß die Zeitspanne zwischen dem
Einschalten des Magnetventils 2 und dem Abheben des Ventilstempels 9
eine
zulässige Größenordnung nicht übersteigt.