DE202008005238U1 - Vakuumventil-System mit Lageerkennung - Google Patents

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Abstract

Vakuummagnetventil-System (1a; 1b) zum im Wesentlichen gasdichten Unterbrechen eines Fliesswegs (F), mit
• einem Ventilgehäuse (2a; 2b) mit
• einem ersten Anschluss (3a; 3b) in Richtung einer ersten Achse (4a; 4b),
• einem zweiten Anschluss (5a; 5b) in Richtung einer zweiten Achse (6a; 6b) und
• einem Ventilsitz (7a; 7b), welcher in dem Fliessweg (F) eines Fliessraums (R), der den ersten Anschluss (3a; 3b) und den zweiten Anschluss (5a; 5b) miteinander verbindet, angeordnet ist und den Fliessraum (R) umschliesst,
• einem Ventilverschluss (9a; 9b), der innerhalb des Fliessraums (R) entlang einer Verstellachse (10a; 10b) derart axial geführt linear verschiebbar ist, dass eine dem Ventilsitz (7a; 7b) zugewandte Verschlussfläche (13a; 13b) des Ventilverschlusses (9a; 9b) – zum im Wesentlichen gasdichten Unterbrechen des Fliesswegs (F) in einer geschlossenen Stellung (C) des Ventilverschlusses (9a; 9b) – mit dem Ventilsitz (7a; 7b) in Kontakt bringbar und zum Freigeben des...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Vakuummagnetventil-System zum im Wesentlichen gasdichten Unterbrechen eines Fliesswegs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Vakuumventile mit einem Ventilverschluss, der linear mittels eines Magnetantriebs verstellbar ist, sind in unterschiedlichen Ausführungsformen aus dem Stand der Technik bekannt. Sie kommen insbesondere im Bereich der IC- und Halbleiterfertigung, die in einer geschützten Atmosphäre möglichst ohne das Vorhandensein verunreinigender Partikel stattfinden muss, zum Einsatz. Abhängig vom Einsatzgebiet sind Vakuumventile mit linear verstellbarem Ventilverschluss beispielsweise als Eckventile, als Schieberventile, als Transferventile oder als sonstige Ventiltypen ausgebildet.
  • Der linear verstellbare Ventilverschluss ist mit einem ferromagnetischen Anker, der auch als Kern bezeichnet wird, verbunden, der mittels mindestens einer Anzugs-Magnetspule, insbesondere mittels eines Elektro-Hubmagneten, linear zumindest zwischen zwei Stellungen oder beliebig verstellt werden kann. Regelmässig ist ein elastisches Glied, beispielsweise eine Feder vorgesehen, welche den Ventilverschluss in eine bestimmte Stellung mittels Federkraft drückt. In der Regel handelt es sich bei der durch die Feder erzwungenen Stellung um die geschlossene Stellung des Vakuumventils, so dass das Vakuumventil im betriebsspannungslosen Normalzustand der Anzugs-Magnetspule gasdicht verschlossen ist. Derartige Ventile werden auch als „Normal-Closed-Ventile" bezeichnet. Weiters ist die entgegengesetzte Anordnung bekannt, bei welcher die Federkraft das Ventil im Ruhezustand geöffnet hält. Die Anzugs- Magnetspule wirkt somit zumindest der Federkraft, unter Umständen jedoch weiteren durch Strömungen und Druckdifferenzen im Vakuumventil wirkenden Kräften entgegen. Es muss sichergestellt werden, dass die Stellung des Ventilverschlusses in allen Betriebszuständen des Vakuummagnetventils eingehalten werden kann. Da weiters regelmässig eine hohe Verstellgeschwindigkeit und eine kurze Anzugszeit des Ventilverschlusses gefordert wird, muss die Anzugs-Magnetspule eine Magnetkraft gewährleisten, die weit grösser ist als die zum Halten des Ventilverschlusses in der geöffneten Stellung erforderliche Kraft. In anderen Worten sind die Verstellkräfte des Ventilverschlusses wesentlich grösser als die Haltekräfte. Bei Verwendung einer einzigen Spule zum Verstellen und Halten des Ventilverschlusses ist die elektrische Leistung der Spule im Haltezustand somit wesentlich grösser als erforderlich, so dass es bei längerem Halten des Ventilverschlusses im geöffneten Zustand sowie kurzen Verstellzyklen zu einem unnötig grossen Energieverbrauch und vor allem zu erheblichen thermischen Effekten kommt. Durch das Aufheizen der Anzugs-Magnetspule sinken weiters aufgrund ansteigendem ohmschen Widerstands der Wirkungsgrad sowie die Betriebssicherheit, und die Lebensdauer des gesamten Ventils wird negativ beeinflusst.
  • Aus diesem Grunde wurden inzwischen aus dem Stand der Technik bekannte Magnetvakuumventile mit einem Magnetantrieb mit einer leistungsstarken Anzugs-Magnetspule sowie einer zusätzlichen, wesentlich kleiner dimensionierten Halte-Magnetspule entwickelt. Die leistungsstarke Anzugs-Magnetspule dient zum schnellen Verstellen des Ventilverschlusses. Die zusätzliche, wesentlich kleiner dimensionierte Halte-Magnetspule ist zum Halten des Ventilverschlusses in der offenen bzw. geschlossenen Stellung oder der gewünschten Zwischenstellung bei wieder inaktiver Anzugs-Magnetspule vorgesehen. Der Haltestrom ist somit wesentlich geringer als der Anzugsstrom, wodurch ein Aufheizen des Magnetantriebs und ein unnötiger Energieverlust vermieden werden.
  • Ein derartiges Magnetventil ist beispielsweise das Vakuummagnet-Eckventil Modell 26332-KA64-AAG1 der Firma VAT Vakuumventile AG, Haag, Schweiz.
  • Auch in der US 6,717,332 (Storm) wird ein Magnetventil mit einer Anzugs- und einer Halte-Magnetspule beschrieben. Die Anzugs-Magnetspule und die Halte-Magnetspule sind bei diesem Magnetventil als eine gemeinsame Magnetspule mit einer Anzugswicklung und einer Haltewicklung ausgebildet.
  • Häufig ist eine Überwachung der Stellung des Ventilverschlusses bei Vakuumventilen erforderlich. Vor allem bei Magnetventilen mit Anzugs- und Halte-Magnetspule sollte aufgrund der bewusst leistungsschwächeren Haltespule stets das Beibehalten der durch die Halte-Magnetspule erzielen Stellung des Ventilverschlusses überwacht werden. Dies kann, wie aus dem Stand der Technik bekannt, mittels gesonderter Positionssensoren erfolgen, die mechanisch mit dem Ventilverschluss oder dem Anker verbunden sind. Eine derartige mechanische Verbindung erfordert jedoch regelmässig den Einsatz weiterer Dichtelemente und verkompliziert den Aufbau des Ventils.
  • Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Verfahren und Vorrichtungen zum berührungslosen Erfassen der Position des Ventilverschlusses bekannt.
  • Eine sehr einfache Art der Überwachung besteht in einer Anzeige, ob an der Magnetspule Spannung anliegt oder nicht. Diese Überwachung ist unzuverlässig, da das Anlegen der Spannung noch nicht zwangsläufig zur Folge hat, dass durch die Magnetspule auch tatsächlich ein Strom fliesst, der Anker bewegt wird und seine Sollstellung einnimmt sowie beibehält.
  • Eine bessere Überwachung besteht darin festzustellen, ob durch die Magnetwicklung ein Strom fliesst. Auch diese Art der Überwachung ist nicht völlig zuverlässig, da beispielsweise der Anker klemmen kann, so dass trotz eines durch die Magnetwicklung fliessenden Stromes der Anker seine Endstellung nicht einnimmt bzw. beibehält.
  • In der DE 2 251 472 wird ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung beschrieben, bei denen zur Überwachung die tatsächliche Bewegung des Ankers herangezogen wird. Dabei wird die Magnetspule mit einer Gleichspannung gespeist und der Effekt ausgenutzt, dass bei Anlegen der Gleichspannung an die Magnetwicklung der Strom nicht sprunghaft sondern langsam bis zu einem Sättigungswert ansteigt. Die Bewegung des Ankers in seine Endstellung bei einem bestimmten Stromwert hat eine Änderung der Induktivität der Magnetwicklung zur Folge, so dass die zeitliche Ableitung des Stromes kurzzeitig ihr Vorzeichen ändert. Diese durch Differenzierung festgestellte kurzzeitige Änderung der zeitlichen Ableitung des Stromes wird als Signal dafür ausgenutzt, dass der Anker sich in seine Endlage bewegt hat und somit beispielsweise das durch den Hubmagneten gesteuerte Magnetventil geschaltet hat. Nachteilig ist dabei, dass die Änderung der zeitlichen Ableitung des Stromes von der Geschwindigkeit der Ankerbewegung abhängt und daher unterschiedlich und unter Umständen sehr schwach ausfallen kann. Weiters ist nachteilig, dass ein Signal nur während der Bewegung des Ankers erzeugt wird. Befindet sich der Anker in Ruhe, so kann nicht festgestellt werden, ob er sich in seiner Anfangslage oder seiner Endlage befindet.
  • In einer Schaltungsanordnung, welche in der DE 33 26 605 offenbart ist, wird ebenfalls von der Tatsache Gebrauch gemacht, dass die Induktivität der Magnetwicklung von der Lage des Ankers bezüglich der Magnetwicklung abhängt. Die Magnetwicklung wird mit einem Gleichstrom gespeist, der eine Restwelligkeit aufweist. Im Allgemeinen wird die Magnetwicklung mit einer Spannung betrieben, die aus einer mittels einer Brücke gleichgerichteten, ungeglätteten Wechselspannung besteht. Der induktive Widerstand der Magnetwicklung für den Wechselstromanteil des die Magnetwicklung speisenden Stromes ist somit verschieden, wenn sich der Anker in seiner Ausgangslage oder in seiner Endlage befindet. Es kann daher auch bei Ruhestellung des Ankers anhand des induktiven Wechselstromwiderstandes der Magnetwicklung festgestellt werden, in welcher Lage sich der Anker befindet. Die Ankerlage und damit beispielsweise der Schaltzustand eines Magnetventils können daher während der gesamten Betriebsdauer überwacht und jederzeit kontrolliert werden. Um den induktiven Wechselstromwiderstand der Magnetwicklung zu bestimmen, wird ein ohmscher Messwiderstand in Serie zu der Magnetwicklung geschaltet. Der die Magnetwicklung durchfliessende, von deren Induktivität abhängige Wechselstromanteil wird über die an dem ohmschen Messwiderstand abfallende Wechselspannung ermittelt. Um den Wechselspannungsanteil von dem Gleichspannungsanteil an dem Messwiderstand zu trennen, ist ein Hochpassfilter vorgesehen, der nur den Wechselspannungsanteil der am Messwiderstand abfallenden Spannung durchlässt. Nach Gleichrichtung kann der Wechselspannungsanteil mit einer vorgegebenen Referenzgleichspannung verglichen werden, um festzustellen, ob der Anker sich in seiner Endlage befindet oder nicht. Nachteilig bei der beschriebenen Schaltungsanordnung ist, dass sich insbesondere durch den Temperaturgang des ohmschen Widerstandes der Magnetwicklung bedingte, verfälschende Einflüsse nur bedingt vollständig kompensieren lassen. Weiters ist der zur Messung des induktiven Wechselstromwiderstandes erforderliche Schaltungsaufbau verhältnismässig komplex.
  • Auch in der DE 10 2005 038934 wird eine Lageerkennung des Ankers mittels Strommessung an einer einzigen Magnetwicklung beschrieben. Bei dem dort beschriebenen Verfahren zur Bestimmung der Position eines Schiebers in einem elektromechanischen Ventil wird der Schieber mit einer Spule versehen, eine Spannung an die Spule angelegt, der Stromfluss durch die Spule gemessen und der gemessene Stromfluss mit Referenzwerten verglichen.
  • Aus der EP 0 369 918 B1 ist ein Verfahren zur Erfassung des Stands (beispielsweise des geöffneten, geschlossenen oder eins Zwischenstands) eines Ventils, das insbesondere ausserhalb der Sicht- und/oder Reichweite einer Bedienungsperson liegt, bekannt, wobei dieses Ventil eine Magnetspule mit einem beweglichen Kern einschliesst, der linear entsprechend der Verschiebung des Absperrorgans des Ventils verschiebbar ist. An das Ventil wird ein Schwingkreis angeschlossen, der die oben genannte Spule einschliesst und dessen Oszillationsfrequenz von der Position des Kerns in der Spule abhängt. Gemäss dieser Erfindung wird der vorgenannten Spule im Augenblick der Erfassung koaxial eine zweite Spule angenähert, eine Veränderung des Magnetflusses in der Umgebung der ersten Spule hervorgerufen, in der gedämpfter Wechselstrom herrscht, die Frequenz der dafür in der zweiten Spule induzierten Wechselspannung erfasst und daraus den Stand des Kerns in der ersten Spule abgeleitet. Daraus wird schliesslich auf den Stand (beispielsweise offenen, geschlossenen oder Zwischenstand) des Ventils geschlossen. Die genannten Spulen haben hierbei eine reine Messfunktion und dienen nicht zum Verstellen des Absperrorgans.
  • In der JP 2006275235 wird ein Magnetventil mit einer gesonderten Lageerkennungsspule zum Erfassen der Stellung des Ventilverschlusses beschrieben.
  • Gemein ist den beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen, Systemen und Verfahren zur Erfassung der Stellung des Ventilverschlusses eines Magnetventils der durch umfangreiche Schaltungsaufbauten und/oder den Einsatz separater Messspulen oder Lageerfassungssensoren bedingte, verhältnismässig aufwändige Aufbau des Gesamtsystems, der insbesondere zu einer erhöhten Störanfälligkeit und somit einer eingeschränkten Betriebssicherheit sowie einer verhältnismässig hohen Systemkomplexität führt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Vakuummagnetventil-System mit einer Erfassung der Stellung des Ventilverschlusses sowie ein Verfahren zur Erfassung der Stellung eines Ventilverschlusses eines Vakuummagnetventil-Systems zur Verfügung zu stellen, das sich jeweils durch einen einfachen Aufbau bzw. Ablauf, durch hohe Betriebssicherheit und durch geringe Komplexität auszeichnet sowie gegebenenfalls bei bestehenden Vakuummagnetventilen zur Ermöglichung der Stellungserfassung nachrüstbar ist.
  • Diese Aufgabe wird durch die Verwirklichung der Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Merkmale, die die Erfindung in alternativer oder vorteilhafter Weise weiterbilden, sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass durch Messung einer in die Anzugsspule (die erste Magnetspule) induzierten Spannung mittels Spannungsmessung mit grosser Genauigkeit und Zuverlässigkeit auf die Stellung des Ventilverschlusses geschlossen werden kann, wobei die induzierte Spannung hervorgerufen wird durch eine zweite Magnetspule, welche ein sich zeitlich änderndes zweites Magnetfeld erzeugt und welche zumindest teilweise über den bewegbaren Anker mit der Anzugsspule induktiv gekoppelt ist. In einer Weiterbildung der Erfindung handelt es sich bei dieser zweiten Magnetspule um eine Haltespule, die zum Halten des Ankers und somit des Ventilverschlusses insbesondere nach dem Verstellen desselbigen mittels der Anzugsspule ausgebildet ist. Erfindungsgemäss ist es somit möglich, mittels der Anzugsspule und der Haltespule eines Magnetantriebs eines Vakuummagnetventils ohne zwangsläufige Verwendung einer weiteren Messvorrichtung durch Anlegen einer sich zeitlich verändernden Spannung im Haltezustand des Ventilverschlusses und Messen der in Abhängigkeit von der Stellung des Ankers in die Anzugsspule induzierten Spannung die Stellung des Ventilverschlusses abzuleiten. Die Erfindung ermöglicht es unter anderem, ein bestehendes Vakuummagnetventil, das eine Anzugsspule und eine Haltespule aufweist – beispielsweise das Vakuummagnet-Eckventil Modell 26332-KA64-AAG1 der Firma VAT Vakuumventile AG, Haag, Schweiz oder ein ähnliches Ventil – in das erfindungsgemässe Vakuummagnetventil-System einzubinden und somit das Erfassen der Stellung des Ventilverschlusses zu ermöglichen.
  • Das erfindungsgemässe Vakuummagnetventil-System zum im Wesentlichen gasdichten Unterbrechen eines Fliesswegs umfasst ein Ventilgehäuse, einen Ventilverschluss, einen Magnetantrieb und eine Steuervorrichtung.
  • Das Ventilgehäuse besitzt einen ersten Anschluss in Richtung einer ersten Achse und einen zweiten Anschluss in Richtung einer zweiten Achse. Die Achsen der Anschlüsse werden beispielsweise durch deren Längsverlauf, den Verlauf eines angeordneten Stutzens oder durch die Einlassflächen in einen Fliessraum definiert. Die Anschlüsse haben beispielsweise einen kreisförmigen Querschnitt. In dem Ventilgehäuse ist ein von diesem umschlossener Fliessraum ausgeformt, der den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss miteinander verbindet. Der Fliessraum ist derjenige Abschnitt des Ventils, der im geöffneten Zustand des Ventils den ersten und den zweiten Anschluss miteinander verbindet und von Gas durchströmt wird, sowie im geschlossenen Zustand des Ventils von den beiden dann unverbundenen Anschlüssen aus mit Gas flutbar ist. Der im geöffneten Zustand des Ventils den ersten Anschluss mit dem zweiten Anschluss über den Fliessraum verbindende Weg wird als Fliessweg bezeichnet. In diesem Fliessweg des Fliessraums ist ein Ventilsitz angeordnet, der den Fliessraum umschliesst. In anderen Worten wird ein von dem Ventilsitz umschlossener Bereich im Fliessraum im geöffneten Zustand des Ventils durchströmt, wobei der Fliessweg durch eben diesen Bereich führt.
  • Der Ventilverschluss ist innerhalb des Fliessraums angeordnet und entlang einer Verstellachse axial geführt linear verschiebbar. Zum im Wesentlichen gasdichten Unterbrechen des Fliesswegs kann der Ventilverschluss mit einer dem Ventilsitz zugewandten Verschlussfläche des Ventilverschlusses mit dem Ventilsitz in Kontakt gebracht werden. Durch den Kontakt zwischen der Verschlussfläche des Ventilverschlusses und dem Ventilsitz wird der Fliessweg und somit die über den Fliessraum führende Verbindung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss unterbrochen und somit das Ventil geschlossen. Zum Freigeben des Fliesswegs wird die Verschlussfläche wieder ausser Kontakt mit dem Ventilsitz gebracht und aus dem Ventilraum geführt, wodurch der Fliessweg wieder teilweise oder vollständig freigegeben wird.
  • In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist das Vakuummagnetventil-System als Vakuummagnet-Eckventil-System ausgebildet, indem das Ventilgehäuse und der Ventilverschluss ein gattungsgemässes Vakuum-Eckventil bilden. Bei dem Vakuum-Eckventil verläuft die erste Achse des ersten Anschlusses im Wesentlichen senkrecht zu der zweiten Achse des zweiten Anschlusses. Die Verstellachse verläuft vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur ersten Achse und vorzugsweise normal zur Verschlussfläche des Ventilsitzes. In anderen Worten weist das Ventilgehäuse einen ersten Anschluss in Richtung einer ersten Achse und einen zweiten Anschluss in Richtung einer im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Achse verlaufenden zweiten Achse auf, so dass die beiden Anschlüsse rechtwinklig und eckförmig zueinander positioniert sind.
  • Bei dieser speziellen Ausführungsform ist der Ventilverschluss vorzugsweise ein runder Teller oder ein zylindrischer Kolben, der zumindest teilweise innerhalb des Fliessraums entlang der Verstellachse senkrecht zu einer Fläche des Ventilsitzes um einen Verstellweg axial geführt verschiebbar ist. Diese Verstellachse entspricht im Wesentlichen der ersten Achse. Es ist jedoch alternativ möglich, dass die Achse in eine insbesondere geringfügig andere Richtung verläuft. Durch Verschieben des Tellers bzw. Kolbens kann die dem Ventilsitz zugewandte, insbesondere einen Dichtungskörper – beispielsweise in Form eines in einer Befestigungsnut befindlichen O-Rings – aufweisende Verschlussfläche des Tellers bzw. Kolbens mit dem Ventilsitz in Kontakt gebracht oder ausser Kontakt gebracht werden. Hierdurch wird der Fliessweg entweder im Wesentlichen gasdicht unterbrochen oder freigegeben. Die Verschlussfläche wird hierbei von der Stirnfläche des Tellers bzw. Kolbens gebildet. Die Verschlussfläche und die Fläche des Ventilsitzes sind derart ausgebildet, dass sie aufeinander zum Liegen kommen können. Bevorzugt verläuft die Verstellachse des Tellers bzw. Kolbens senkrecht zu beiden Flächen. Es ist jedoch alternativ möglich, dass die beiden Flächen schräg oder uneben ausgestaltet sind. In diesem Fall sind unter der Verschlussfläche und der Fläche des Ventilsitzes virtuelle, gemittelte Flächen zu verstehen, zu denen die Achse senkrecht verläuft.
  • In einer alternativen speziellen Ausführungsform ist das Vakuummagnetventil-System ein Vakuummagnet-Schieberventil-System. Vakuum-Schieberventile oder Magnetschieber sind als solche aus dem Stand der Technik bekannt. Die erste Achse des ersten Anschlusses verläuft bei solchen Ventilen im Wesentlichen parallel zu der zweiten Achse des zweiten Anschlusses. Insbesondere bilden die erste und zweite Achse eine gemeinsame Achse, verlaufen also kollinear. Der Ventilverschluss ist ein so genannter Schieber, der beispielsweise eine Keilform besitzt und der quer zum Fliessweg in den Fliessraum zum Schliessen des Ventils schiebbar ist. Die Verstellachse des Ventilverschlusses verläuft im Wesentlichen senkrecht zur ersten Achse und zur zweiten Achse. In einer möglichen Ausführungsform sind der erste Anschluss und der zweite Anschluss geradlinig durch einen röhrförmigen Fliessraum verbunden, der durch einen quer in den Fliessraum und normal zu der ersten und zweiten Achse schiebbaren Schieber, insbesondere einen Keilschieber, blockiert werden kann. Die Verschlussfläche und die Fläche des Ventilsitzes verlaufen in diesem Fall nahezu oder vollkommen normal zur insbesondere kollinearen ersten und zweiten Achse sowie zum Fliessweg. Ebenfalls ist es möglich, das Vakuummagnet-Schieberventil-System als Transferventil auszubilden, das einen wesentlich grösseren, insbesondere rechteckigen Öffnungs- und Ventilverschlussquerschnitt hat.
  • Der Magnetantrieb besitzt eine mit dem Ventilgehäuse verbundene erste Magnetspule. Diese erste Magnetspule ist zumindest teilweise rings um einen Ankerraum angeordnet. Mittels der ersten Magnetspule ist ein in dem Ankerraum wirkendes erstes Magnetfeld elektrisch erzeugbar, indem eine Spannung an die erste Magnetspule angelegt wird. Unter der ersten Magnetspule ist allgemein eine erste Wicklung, die zumindest teilweise den Ankerraum umschliesst oder in dessen Nähe angeordnet ist, zu verstehen. Innerhalb des Ankerraums befindet sich ein ferromagnetischer Anker, der mit dem Ventilverschluss mechanisch verbunden ist. Die zumindest aus dem Anker und dem Ventilverschluss bestehende, ein- oder mehrstückige Funktionseinheit ist linear entlang der Verstellachse gelagert, so dass der Ventilverschluss zwischen der offenen und geschlossenen Stellung des Ventils und somit auch der Anker innerhalb des Ankerraums zwischen einer als offen und geschlossenen geltenden Stellung bewegbar ist. Durch Ändern des ersten Magnetfelds ist der Anker derart linear bewegbar, dass der Ventilverschluss zwischen der geschlossenen Stellung und der den Fliessweg freigebenden offenen Stellung linear verstellbar ist. Die Art der Anordnung zwischen der ersten Magnetspule, dem Ankerraum und dem Anker hängt insbesondere von dem Ventiltyp und der Normalstellung des Ventilverschlusses ab. Abhängig von der jeweiligen Ausführungsform wirkt das erste Magnetfeld einer Federkraft, der Schwerkraft, einer durch Strömungen und Druckdifferenzen im Vakuumventil wirkenden Kraft, einer entgegengesetzt wirkenden magnetischen Kraft oder einer sonstigen Kraft entgegen. Aufgrund ihrer Funktion zum Verstellen bzw. Anziehen des Ankers wird die erste Magnetspule auch Anzugsspule, Antriebsspule oder Verstellspule genannt. Es ist möglich, mehrere entgegengesetzt auf den Anker wirkende Magnetspulen einzusetzen, um den Ventilverschluss in die geschlossene, in die offene sowie in eine beispielsweise präzise geregelte Zwischenstellung zu verstellen. Im Rahmen der Erfindung ist unter der offenen Stellung oder geöffneten Stellung allgemein eine Stellung des Ventilverschlusses zu verstehen, in welcher der Fliessweg zumindest teilweise freigegeben ist. Es kann sich hierbei sowohl um die vollständig geöffnete Stellung des Ventilverschlusses, als auch um jede beliebige – beispielsweise präzise einzuhaltende und geregelte – Zwischenstellung zwischen der geschlossenen und der vollständig geöffneten Stellung handeln.
  • In einer Ausführungsform ist der Ankerraum gasdicht nach aussen verschlossen und atmosphärisch mit dem Fliessraum verbunden, wobei die erste Magnetspule und die zweite Magnetspule gasdicht von dem Ankerraum getrennt sind und diesen insbesondere von aussen umschliessen. Alternativ ist der gesamte Ankerraum gasdicht von dem Fliessraum – insbesondere mittels eines Faltenbalgs – getrennt. In beiden Fällen wird der Anker berührungslos verstellt und die Stellung des Ventilverschlusses berührungslos erfasst, ohne dass die zum Verstellen und zum Erfassen notwendigen elektrischen Komponenten direkt oder indirekt dem durch das Ventil strömenden Medium ausgesetzt werden.
  • Die Steuervorrichtung ist mit der ersten Magnetspule derart elektrisch verbunden und derart ausgebildet, dass das erste Magnetfeld zum Verstellen des Ventilverschluss veränderbar ist. In anderen Worten kann direkt oder indirekt mittels der Steuervorrichtung eine Spannung an die erste Magnetspule angelegt werden, so dass der Anker samt dem Ventilverschluss verstellt wird und somit der Ventilverschluss zwischen der geschlossenen Stellung und der den Fliessweg freigebenden offenen Stellung linear verstellt wird. Im einfachsten Fall geschieht dies durch An- und Abschalten einer Gleichspannung oder Wechselspannung, die ausreichend ist, um den Ventilverschluss in die Sollstellung, beispielsweise die offene oder geschlossenen Stellung des Ventils, zu bringen.
  • Erfindungsgemäss ist eine mit dem Ventilgehäuse verbundene zweite Magnetspule vorgesehen, die mit der ersten Magnetspule zumindest teilweise über den bewegbaren Anker induktiv gekoppelt ist. Diese zweite Magnetspule ist derart nahe dem Ankerraum angeordnet, dass durch Anlegen einer Spannung an die zweite Magnetspule ein in dem Ankerraum wirkendes zweites Magnetfeld elektrisch erzeugbar ist. Die zweite Magnetspule ist beispielsweise im Wesentlichen koaxial zur ersten Magnetspule angeordnet, wobei die erste Magnetspule und die zweite Magnetspule entweder axial entlang der Verstellachse zueinander versetzt oder radial zueinander angeordnet sind. In letzterem Fall umgibt die erste Magnetspule die zweite Magnetspule, oder die zweite Magnetspule umgibt die erste Magnetspule, oder die erste Magnetspule und die zweite Magnetspule sind eine gemeinsame Kombinationsspule. Diese Kombinationsspule besteht hierbei zumindest aus einer ersten Wicklung, welche die erste Magnetspule bildet, und einer zweiten Wicklung, welche die zweite Magnetspule bildet, jeweils mit beliebiger geeigneter Windungszahl.
  • Unter einer Magnetspule ist allgemein funktional ein drahtartiger Spannungsleiter, vorzugsweise in Form einer Wicklung, insbesondere ein Metalldraht mit zum Verstellen des Ankers geeigneter Windungszahl und geeignetem Drahtquerschnitt zu verstehen, wobei der Spannungsleiter – insbesondere die Wicklung – als Elektromagnet durch Anlegen einer Spannung an die Drahtenden oder zwischen mindestens einem Drahtabschnitt wirkt.
  • Beide Magnetspulen sind mechanisch direkt oder indirekt mit dem Ventilgehäuse gekoppelt. Beispielsweise ist an dem Ventilgehäuse der Magnetantrieb angeordnet, in dessen Gehäuse sich sowohl die erste Magnetspule als auch die zweite Magnetspule befinden.
  • Weiters ist die Steuervorrichtung mit der ersten Magnetspule und der zweiten Magnetspule derart elektrisch verbunden und derart ausgebildet, dass sich zum Erfassen der Stellung des Ventilverschlusses das zweite Magnetfeld zeitlich ändert. Hierzu ist die Steuervorrichtung derart mit der zweiten Magnetspule verbunden und ausgebildet, dass eine zeitlich unkonstante Spannung an der zweiten Magnetspule zum Erfassen der Stellung angelegt werden kann. Da die erste Magnetspule und die zweite Magnetspule zumindest teilweise über den sich in dem zweiten Magnetfeld befindenden ferromagnetischen Anker induktiv gekoppelt sind, wird – in Abhängigkeit der Stellung des Ankers im Ankerraum – in die erste Magnetspule eine Spannung induziert, deren Spannungsverlauf mit dem zeitlichen Verlauf der an die zweite Magnetspule angelegten Spannung verknüpft ist. Diese durch das sich zeitlich ändernde zweite Magnetfeld in die erste Magnetspule induzierte Spannung, auch Sekundärspannung genannt, wird durch die mit der ersten Magnetspule elektrisch verbundene Steuervorrichtung erfasst. Da diese Sekundärspannung abhängig ist von der Stellung des Ankers und somit der Stellung des Ventilverschlusses, wird durch eine entsprechende Ausbildung der Steuervorrichtung aus der induzierten Spannung die Stellung des Ventilverschlusses abgeleitet. Dies kann in einer einfachen Ausführungsform durch eine Steuervorrichtung geschehen, die derart ausgebildet ist, dass eine Wechselspannung an die zweite Magnetspule angelegt ist und die somit induzierte Wechselspannung an der ersten Magnetspule von der Steuervorrichtung erfasst wird. Durch Wahl geeigneter Spannungsschwellen kann in einer einfachen Ausführungsform durch Messung der induzierten Wechselspannung bzw. Sekundärspannung an der ersten Spule zwischen zwei Stellungen des Ankers und somit des Ventilverschlusses, beispielsweise der offenen und geschlossenen Stellung des Ventils, unterschieden werden. In einer Weiterbildung werden mehrere oder beliebig viele Zwischenstellungen erfasst, wobei die gemessene Spannung eine vorgegebene Abhängigkeit zu der jeweiligen Stellung des Ventilverschlusses besitzt.
  • In anderen Worten bilden die erste Magnetspule und die zweite Magnetspule sowie der ferromagnetische Anker eine Art Transformator, wobei die zweite Magnetspule als Primärwicklung, die erste Magnetspule als Sekundärwicklung und der ferromagnetische Anker als verstellbarer Transformatorenkern agieren.
  • Das Erfassen der in die erste Magnetspule induzierten Spannung erfolgt entweder im nicht aktiven Zustand der ersten Magnetspule, in welchem keine Spannung zum Verstellen oder Halten des Ankers an die erste Magnetspule mittels der Steuervorrichtung angelegt wird, oder im aktiven Zustand der ersten Magnetspule. In letzterem Fall wird der durch die magnetische Kopplung durch die zweite Magnetspule in die erste Magnetspule induzierte Spannungsanteil erfasst und hieraus die Ventilstellung abgeleitet. Dies kann auf einfache Weise durch Anlegen einer Gleichspannung zum Aktivieren der ersten Magnetspule und Herausfiltern der durch das zeitlich unkonstante zweite Magnetfeld induzierten inkonstanten Spannungsanteile aus der Gleichspannung erfolgen.
  • Unter der Steuervorrichtung ist allgemein ein funktional zu betrachtendes Funktionssystem zu verstehen, mittels welchem zumindest eine Spannung zum Verstellen des Ventilverschlusses an die erste Magnetspule anlegbar ist, eine während des Anliegens an die zweite Magnetspule sich – insbesondere kontinuierlich – zeitlich ändernde Spannung an die zweite Magnetspule anlegbar ist und eine – durch das Anliegen der zeitlich unkonstanten Spannung an die zweite Magnetspule – in die erste Magnetspule induzierte Spannung messbar und auswertbar ist, wobei ein mit der Stellung des Ventilverschlusses verknüpftes Ausgangssignal ausgegeben wird.
  • Dieses Ausgangssignal ist ein beliebiges – beispielsweise elektrisches, optisches oder akustisches – Signal, aus welchem die tatsächliche Stellung des Ventilverschlusses erneut diskret oder stufenlos abgeleitet werden kann. Im einfachsten Fall handelt es sich um ein Signal, das zwei Stellungszustände, beispielsweise „offen" oder „geschlossen", insbesondere in Form einer anliegenden oder nicht anliegenden Spannung, wiedergibt. Alternativ können mehrere Zwischenstellungen wiedergegeben werden. In einer möglichen Ausführungsform gibt das Signal die exakte Stellung des Ventilverschlusses stufenlos wieder.
  • Bei der Steuervorrichtung kann es sich um mindestens eine elektrische Schaltung, eine speicherprogrammierbare Steuerung, auch „SPS" genannt, oder eine sonstige geeignete Steuer- und/oder Regeleinrichtung, beispielsweise einen mit entsprechenden Ein- und Ausgängen ausgestatteten Personalcomputer, handeln. Ebenfalls ist es möglich, die Steuervorrichtung als ein System aus mehreren miteinander in Signal- und/oder elektrischer Verbindung stehenden Komponenten, die örtlich voneinander getrennt sind, auszubilden.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist ein elastisches Glied, beispielsweise eine Spiralfeder, im Ventilgehäuse vorgesehen, das den Ventilverschluss in eine erste Stellung – insbesondere die geschlossene Stellung – drückt, wobei das erste Magnetfeld der Kraft des elastischen Glieds zum Verstellen des Ventilverschlusses in eine zweite Stellung – insbesondere die offene Stellung – entgegenwirkt. Im nicht aktiven Zustand der ersten Magnetspule wird somit der Ventilverschluss auf den Ventilsitz durch das elastische Glied gedrückt, so dass das Ventil im nicht aktiven Normalzustand geschlossen ist. Bei einem solchen Ventil handelt es sich somit um ein „Normal-Closed-Ventil". Die zweite Magnetspule ist derart ausgebildet und angeordnet, dass das durch die zweite Magnetspule in dem Ankerraum wirkende zweite Magnetfeld der Kraft des elastischen Glied derart entgegenwirkt, dass der Ventilverschlusses in der offenen Stellung ohne Wirken des ersten Magnetfeldes allein durch Wirken des elektrisch erzeugten zweiten Magnetfelds festgehalten werden kann. Die zweite Magnetspule dient somit als Haltespule zum Halten des Ankers in einer vorgegebenen Stellung.
  • Vorzugsweise besitzt diese insbesondere zum Halten dienende zweite Magnetspule eine geringere elektrische Leistung als die zum Verstellen dienende erste Magnetspule. Beispielsweise beträgt die elektrische Leistung der ersten Magnetspule mindestens das 10-fache, insbesondere mindestens das 30-fache, der elektrischen Leistung der zweiten Magnetspule. Insbesondere beträgt die Windungszahl der zweiten Magnetspule mindestens das 3-fache der Windungszahl der ersten Magnetspule. In anderen Worten ist die zweite Magnetspule derart ausgebildet und zur ersten Magnetspule angeordnet, dass der Anker in einer nicht normalen Stellung, welcher das elastische Glied entgegenwirkt, durch Anlegen einer Spannung an die zweite Magnetspule gehalten werden kann, wobei die zum Halten erforderliche elektrische Leistung bei Verwendung der zweiten Magnetspule (der Haltespule) geringerer ist als die zum Halten erforderliche elektrische Leistung bei Verwendung der ersten Magnetspule (der Anzugsspule). Der Haltestrom ist somit wesentlich geringer als der Anzugsstrom, wodurch ein Aufheizen des Magnetantriebs und ein unnötiger Energieverlust vermieden werden.
  • Die Steuervorrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass zum Verstellen des Ventilverschlusses von der geschlossenen Stellung in die offene Stellung das erste Magnetfeld mittels der ersten Magnetspule für einen vorgegebenen Zeitabschnitt erzeugt wird, indem eine Spannung an die erste Magnetspule angelegt wird. Dieser vorgegebene Zeitabschnitt ist derart bemessen, dass der Anker einschliesslich des Ventilverschlusses durch die magnetische Kraft von der durch das elastische Glied erzwungenen Normalstellung in die Sollstellung bewegt wird. Zum Festhalten des Ventilverschlusses in der offenen Stellung nach dem vorgegebenen Zeitabschnitt wird das sich zeitlich ändernde zweite Magnetfeld mittels der zweiten Magnetspule erzeugt und das erste Magnetfeld wird reduziert, indem die an die erste Magnetspule angelegte Spannung mittels der Steuervorrichtung reduziert wird. Insbesondere wird diese Spannung – und somit auch das erste Magnetfeld – deaktiviert. Die durch magnetische Kopplung von der zweiten Magnetspule zumindest teilweise über den ferromagnetischen Anker in die erste Magnetspule induzierte Spannung wird wie oben beschrieben durch die Steuervorrichtung erfasst, die Stellung des Ventilverschlusses wird abgeleitet und das mit der Stellung des Ventilverschlusses verknüpfte Ausgangssignal wird von der Steuervorrichtung ausgegeben.
  • Alternativ ist eine entgegengesetzte Anordnung des elastischen Glieds und der Magnetspulen möglich, bei welcher das elastische Glied den Ventilverschluss in eine teilweise oder die vollständig geöffnete Stellung drückt. Hierbei handelt es sich um ein „Normal-Open-Ventil".
  • Bei der mittels der Steuervorrichtung an die zweite Magnetspule angelegten zeitlich ändernden Spannung handelt es sich beispielsweise entweder um eine Gleichspannung mit überlagertem, sich zeitlich veränderndem Messsignal, eine Gleichspannung mit überlagertem hochfrequentem Messsignal, eine gepulste Gleichspannung, eine gepulste Gleichspannung mit überlagertem, sich zeitlich veränderndem Messsignal, eine gepulste Gleichspannung mit überlagertem hochfrequentem Messsignal, eine Wechselspannung, eine Wechselspannung mit überlagertem, sich zeitlich veränderndem Messsignal, eine Wechselspannung mit überlagertem hochfrequentem Messsignal, oder eine beliebige zeitlich unkonstante Spannung.
  • Handelt es sich bei der zweiten Magnetspule um eine Haltespule, ist die an ihr während des Haltens und Erfassens der Stellung des Ventilverschlusses angelegte Spannung derart, dass das während des Haltens unkonstante zweite Magnetfeld stets eine Feldstärke aufweist, die zum Halten des Ankers in der vorbestimmten Stellung und somit zum Entgegenwirken gegen die auf den Anker wirkende Kraft, die insbesondere von dem elastischen Glied hervorgerufen wird, ausreichend ist. Dies ist insbesondere bei einer ausreichenden Gleichspannung mit überlagertem, hochfrequentem Messsignal der Fall.
  • Das bereits in Zusammenhang mit dem Vakuummagnetventil-System beschriebene Verfahren zur Erfassung der Stellung eines Ventilverschlusses eines Vakuummagnetventil-Systems ist allgemein ausführbar bei einem Ventil, dessen Ventilverschluss mittels eines Magnetantriebs verstellbar ist, wobei der Magnetantrieb eine erste Magnetspule und eine zweite Magnetspule wie folgt aufweist. Mittels der ersten Magnetspule ist ein erstes Magnetfeld elektrisch erzeugbar, das auf einen mit dem Ventilverschluss mechanisch verbundenen ferromagnetischen Anker wirkt, der entlang einer Verstellachse durch Ändern des ersten Magnetfelds derart linear bewegbar ist, dass der Ventilverschluss zwischen einer geschlossenen Stellung und einer offenen Stellung des Ventilverschlusses linear verstellbar ist. Eine zweite Magnetspule ist mit der ersten Magnetspule zumindest teilweise über den bewegbaren Anker induktiv gekoppelt. Mittels der zweiten Magnetspule ist ein auf den Anker wirkendes zweites Magnetfeld elektrisch erzeugbar. Zum Erfassen der tatsächlichen Stellung des Ventilverschlusses wird das zweite Magnetfeld zeitlich verändert. Die in Abhängigkeit der Stellung des Ankers in die erste Magnetspule durch das sich zeitlich ändernde zweite Magnetfeld induzierte Spannung wird erfasst. Aus der induzierten Spannung wird die tatsächliche Stellung des Ventilverschlusses abgeleitet.
  • In einer Weiterbildung des Verfahrens ist der bei dem Verfahren zum Einsatz kommende Magnetantrieb derart ausgebildet, dass ein elastisches Glied den Ventilverschluss in eine erste Stellung drückt, das erste Magnetfeld der Kraft des elastischen Glieds zum Verstellen des Ventilverschlusses in eine zweite Stellung entgegenwirkt und auch das zweite Magnetfeld der Kraft des elastischen Glieds zum Festhalten des Ventilverschlusses in der zweiten Stellung entgegenwirkt. Zum Verstellen des Ventilverschlusses von der ersten Stellung in die zweite Stellung wird zunächst das erste Magnetfeld mittels der ersten Magnetspule für einen vorgegebenen Zeitabschnitt, welcher mindestens der Verstelldauer des Ventilverschlusses von der ersten Stellung in die zweite Stellung entspricht, erzeugt. Zum Erfassen der tatsächlichen Stellung des Ventilverschlusses wird im Anschluss das sich zeitlich ändernde zweite Magnetfeld mittels der zweiten Magnetspule zum Festhalten des Ventilverschlusses in der zweiten Stellung erzeugt. Nun wird das erste Magnetfelde reduziert, insbesondere deaktiviert, wobei der Ventilverschluss in der zweiten Stellung durch das zweite Magnetfeld gehalten wird. Die in die erste Magnetspule durch das zweite Magnetfeld der zweiten Magnetspule induzierte Spannung wird erfasst. Aus der induzierten Spannung wird die tatsächliche Stellung des Ventilverschlusses abgeleitet. Bei der ersten Stellung handelt es sich beispielsweise um die geschlossene Stellung und bei der zweiten Stellung um die offene Stellung des Ventilverschlusses, oder umgekehrt.
  • Das erfindungsgemässe Vakuumventil wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten konkreten Ausführungsbeispielen rein beispielhaft beschrieben. Im Einzelnen zeigen:
  • 1 ein als Vakuummagnet-Eckventil-System ausgebildetes Vakuummagnetventil-System mit einem Ventilverschluss in geschlossener Stellung und einer Kombinationsspule;
  • 2 das Vakuummagnet-Eckventil-System mit dem Ventilverschluss in offener Stellung;
  • 3 eine Detailansicht auf den Magnetantrieb mit zwei radial zueinander angeordneten Magnetspulen;
  • 4 eine Detailansicht auf den Magnetantrieb mit zwei axial entlang der Verstellachse zueinander versetzten Magnetspulen; und
  • 5 ein als Vakuummagnet-Schieberventil-System ausgebildetes Vakuummagnetventil-System mit einem Ventilverschluss in geschlossener Stellung und zwei axial zueinander versetzten Magnetspulen.
  • Die 1 und 2 zeigen ein als Vakuummagnet-Eckventil-System 1a ausgebildetes Vakuummagnetventil-System zum im Wesentlichen gasdichten Unterbrechen eines Fliesswegs F. Da die 1 und 2 dasselbe Ventil mit unterschiedlichen Stellungen eines Ventilverschlusses 9a zeigen, werden die beiden Figuren im Folgenden gemeinsam beschrieben.
  • In einem Ventilgehäuse 2a sind ein erster Anschluss 3a in Richtung einer ersten Achse 4a und ein zweiter Anschluss 5a in Richtung einer zweiten Achse 6a sowie ein Ventilsitz 7a ausgeformt. Der Ventilsitz 7a ist in dem Fliessweg F eines Fliessraums R, der den ersten Anschluss 3a und den zweiten Anschluss 5a miteinander verbindet, angeordnet. Der Ventilsitz 7a umschliesst den Fliessraum R im Abschnitt der Mündung des ersten Anschlusses 3a in den Fliessraum R. Die erste Achse 4a des ersten Anschlusses 3a verläuft im Wesentlichen senkrecht zu der zweiten Achse 6a des zweiten Anschlusses 5a.
  • Innerhalb des Fliessraums R-befindet sich ein Ventilverschluss 9a, der entlang einer Verstellachse 10a derart axial geführt linear verschiebbar ist, dass eine dem Ventilsitz 7a zugewandte Verschlussfläche 13a des Ventilverschlusses 9a – zum im Wesentlichen gasdichten Unterbrechen des Fliesswegs F in einer geschlossenen Stellung C des Ventilverschlusses 9a – mit dem Ventilsitz 7a in Kontakt gebracht werden kann ist, wie in 1 gezeigt, und zum Freigeben des Fliesswegs F ausser Kontakt gebracht werden kann, wie in der offenen Stellung O des Ventilverschlusses 9a in 2 gezeigt. Die Verstellachse 10a verläuft im Wesentlichen parallel – hier kollinear – zur ersten Achse 4a und normal zur Verschlussfläche 13a und zum Ventilsitzes 7a.
  • Der Ventilverschluss 9a ist ein Verschlussteller, der innerhalb des Fliessraums R entlang der Verstellachse 10a senkrecht zu der Fläche des Ventilsitzes 7a um einen Verstellweg axial geführt verschiebbar ist. Diese Verstellachse 10a entspricht im Wesentlichen der ersten Achse 4a. Es ist jedoch alternativ möglich, dass die erste Achse 3a in eine andere Richtung verläuft. Durch Verschieben des Ventilverschlusses 9a entlang der Verstellachse 10a kann die dem Ventilsitz 7a zugewandte, einen Dichtungskörper in Form eines O-Rings 12a aufweisende Verschlussfläche 13a des Ventilverschlusses 9a mit dem Ventilsitz 7a in gasdichten Kontakt gebracht oder ausser Kontakt gebracht werden.
  • Hierzu ist ein Magnetantrieb 15a an dem Ventilgehäuse 2a angeordnet. Der Magnetantrieb 15a hat eine erste Magnetspule 16, die zumindest teilweise rings um einen Ankerraum A angeordnet ist. In dem Ankerraum A, in dem mittels der ersten Magnetspule 16 ein erstes Magnetfeld elektrisch erzeugbar ist, ist ein ferromagnetischer Anker 17a entlang der Verstellachse 10a linear bewegbar gelagert. Der Anker 17a ist mit dem Ventilverschluss 9a mechanisch verbunden. Der Ankerraum A ist gasdicht von dem Fliessraum R mittels eines Faltenbalgs 11a getrennt. Durch Ändern – insbesondere Aktivieren oder Deaktivieren – des ersten Magnetfelds ist der Anker 17a derart linear bewegbar, dass der mit dem Anker gekoppelte Ventilverschluss 9a zwischen der geschlossenen Stellung C, wie in 1 gezeigt, und einer den Fliessweg F freigebenden offenen Stellung O, wie in 2 veranschaulicht, linear verstellbar ist.
  • Ein elastisches Glied in Form einer Spiralfeder 8a drückt den Ventilverschluss 9a in die geschlossene Stellung C und somit die Verschlussfläche 13a mit ihrem O-Ring 12a auf den Ventilsitz 7a, so dass das Ventil gasdicht verschlossen ist. Das durch die erste Magnetspule 16 hervorgerufene erste Magnetfeld wirkt der Federkraft der Spiralfeder 8a zum Öffnen des Ventils, also beim Verstellen des Ventilverschlusses 9a in die offene Stellung O, entgegen, wie in 2 gezeigt, in welcher eine Zustand dargestellt ist, bei welchem die erste Magnetspule 16 im Gegensatz zu dem in 1 gezeigten Zustand aktiviert ist.
  • Mittels einer Steuervorrichtung 20, die mit der ersten Magnetspule 16 derart elektrisch verbunden und derart ausgebildet ist, dass das erste Magnetfeld veränderbar ist, kann der Verschlussteller 9a zumindest von der geschlossenen Stellung C, 1, in die geöffnete Stellung O, 2, und umgekehrt verstellt werden. Die Steuervorrichtung ist eine Einrichtung zur Spannungsmodulation und Spannungsmessung mit elektrischen Ein- und Ausgängen, insbesondere eine speicherprogrammierbare Steuerung.
  • Der Magnetantrieb 15a umfasst ausser der ersten Magnetspule 16 auch eine zweite Magnetspule 18, die mit der ersten Magnetspule 16 über den bewegbaren Anker 17a induktiv gekoppelt ist. Mittels der zweiten Magnetspule 18 ist ein in dem Ankerraum A wirkendes zweites Magnetfeld elektrisch erzeugbar.
  • Die erste Magnetspule 16 und die zweite Magnetspule 18 sind als eine gemeinsame Kombinationsspule 19 mit einer ersten Wicklung, welche die erste Magnetspule 16 bildet, und einer zweiten Wicklung, welche die zweite Magnetspule 18 bildet, ausgeformt. Da die erste Wicklung und die zweite Wicklung in der Kombinationsspule 19 gemeinsam untergebracht und graphisch nicht voneinander trennbar sind, wurde auf eine gesonderte Darstellung der beiden von Wicklungen der Kombinationsspule 19 gebildeten ersten und zweiten Magnetspule 16 und 18 aus Darstellungsgründen in den 1 und 2 verzichtet.
  • Die Steuervorrichtung 20 ist mit der ersten Magnetspule 16 und der zweiten Magnetspule 18 derart elektrisch verbunden und derart ausgebildet, dass sich zum Erfassen der Stellung des Ventilverschlusses 9a das zweite Magnetfeld zeitlich ändert. Dies erfolgt insbesondere durch Anlegen einer Gleichspannung mit überlagertem, sich zeitlich veränderndem Messsignal, einer Gleichspannung mit überlagertem hochfrequentem Messsignal, einer gepulste Gleichspannung, einer gepulste Gleichspannung mit überlagertem, sich zeitlich veränderndem Messsignal, einer gepulste Gleichspannung mit überlagertem hochfrequentem Messsignal, einer Wechselspannung, einer Wechselspannung mit überlagertem, sich zeitlich veränderndem Messsignal, oder einer Wechselspannung mit überlagertem hochfrequentem Messsignal an die zweite Magnetspule 18.
  • Die Steuervorrichtung 20 erfasst die in Abhängigkeit der Stellung des Ankers 17a im Ankerraum A in die erste Magnetspule 16 durch das sich zeitlich ändernde zweite Magnetfeld induzierte Spannung. Aus der induzierten Spannung wird die Stellung des Ventilverschlusses 9a abgeleitet und ein mit der Stellung des Ventilverschlusses 9a verknüpftes Ausgangssignal Z in Form einer Anzeige und/oder eines elektrischen Signals ausgegeben.
  • Die zweite Magnetspule 18 ist derart ausgebildet und angeordnet, dass das durch die zweite Magnetspule 18 in dem Ankerraum A wirkende zweite Magnetfeld der Kraft des elastischen Glied derart entgegenwirkt, dass der Ventilverschlusses 9a in der geöffneten Stellung O, 2, ohne Wirken des ersten Magnetfeldes festgehalten werden kann. Zum Verstellen des Ventilverschlusses 9a von der geschlossenen Stellung C, 1, in die offene Stellung O, 2, wird das erste Magnetfeld mittels der ersten Magnetspule 16 für einen vorgegebenen Zeitabschnitt erzeugt. Zum Festhalten des Ventilverschlusses 9a in der offenen Stellung O, 2, nach dem vorgegebenen Zeitabschnitt wird das sich zeitlich ändernde zweite Magnetfeld mittels der zweiten Magnetspule 18 erzeugt und das erste Magnetfeld reduziert – insbesondere deaktiviert. Das von der zweiten Magnetspule 18 erzeugte zweite unkonstante Magnetfeld ist in der offenen Stellung O des Ventilverschlusses, wie in 2 gezeigt, stets ausreichend, um der Federkraft der Spiralfeder 8a entgegen zu wirken und ohne Wirken einer magnetischen Kraft durch die erste Magnetspule den Ventilverschluss 9a in der offenen Stellung O zu halten.
  • Die elektrische Leistung der ersten Magnetspule 16 ist grösser als die der zweiten Magnetspule 18. Insbesondere beträgt sie mindestens das 10-fache, im Speziellen mindestens das 30-fache der elektrischen Leistung der zweiten Magnetspule 18. Beispielsweise beträgt die Windungszahl der zweiten Magnetspule 18 mindestens das 3-fache der Windungszahl der ersten Magnetspule 16. Da die Verstellkräfte des Ventilverschlusses 9a wesentlich grösser sind als die Haltekräfte, kann durch die beschriebene Verwendung zweier Spulen in der offenen Stellung zum Halten des Ventilverschlusses eine wesentlich kleinere und leistungsschwächere Spule verwendet werden, wodurch ein allzu grosses Aufheizen des Magnetantriebs, ein gesteigerter Verschleiss sowie ein unnötiger Energieverbrauch verhindert wird.
  • Die 3 und 4 zeigen eine Detailansicht auf eine alternative Ausführungsform eines Magnetantriebs 15a, der anstelle des in den 1 und 2 gezeigten, eine Kombinationsspule 18 aufweisenden Magnetantriebs zwei voneinander getrennte Magnetspulen 16 und 18 besitzt. Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform ist die zweite Magnetspule 18 im Wesentlichen koaxial zur ersten Magnetspule 16. Die zweite Magnetspule 18 umschliesst die erste Magnetspule 16 ringsum. Beide Magnetspulen 16 und 18 sind konzentrisch zueinander um eine gemeinsame Achse, nämlich um die Verstellachse 10a, angeordnet. Die Ausführungsform von 4 sieht eine axial entlang der Verstellachse 10a zueinander versetzte Anordnung der ersten Magnetspule 16 und der zweiten Magnetspule 18 vor, wobei sich die erste Magnetspule 16 auf der zum Ventilgehäuse 2a weisenden Seite und die zweite Magnetspule 18 auf der nach aussen weisenden Seite des Magnetantriebs 15a befindet.
  • 5 zeigt eine alternative Ausführungsvariante des Vakuummagnetventil-Systems, das hier als Vakuummagnet-Schieberventil-System 1b ausgebildet ist.
  • Die erste Achse 4b des ersten Anschlusses 3b im Ventilgehäuse 2b verläuft im Wesentlichen parallel zu der zweiten Achse 6b des zweiten Anschlusses 5b. Die erste und zweite Achse 4b und 6b sind eine identische Achse, verlaufen also kollinear. Der Ventilverschluss 9b ist ein so genannter Schieber, der eine Keilform besitzt und der quer zum Fliessweg F in den Fliessraum R zum Schliessen des Ventils schiebbar ist. Die Verstellachse 10b des Ventilverschlusses 9b verläuft im Wesentlichen senkrecht zur ersten Achse 4b und zur zweiten Achse 6b. Der erste Anschluss 3b und der zweite Anschluss 5b sind geradlinig durch den rohrförmigen Fliessraum R verbunden, der durch den quer in den Fliessraum R und normal zu der ersten und zweiten Achse 4b und 6b schiebbaren Schieber blockiert werden kann. In 5 ist die geschlossene Stellung des Ventilverschlusses 9b gezeigt, bei welcher der Fliessweg F gasdicht unterbrochen ist. Die Verschlussfläche 13b und die Fläche des Ventilsitzes 7b verlaufen nahezu – jedoch aufgrund der Keilform des Ventilverschlusses 9b und des Ventilsitzes 7b nicht vollkommen – normal zur ersten und zweiten, Achse 4b und 6b sowie zum Fliessweg F.
  • Eine Spiralfeder 8b drückt den Ventilverschluss 9b in die in 5 gezeigte geschlossene Stellung C. Mittels des dem in 4 funktional entsprechenden Magnetantriebs 15b, der mit der Steuervorrichtung 20 in Signalverbindung steht, kann der Ventilverschluss 9b über den ferromagnetischen Anker 17b in die nicht dargestellte offene Stellung O mittels der ersten Magnetspule 16 verstellt und in dieser offenen Stellung O mittels der zweiten Magnetspule 18 gehalten werden, wobei auf die in Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschriebene Weise das Erfassen der tatsächlichen Stellung des Ventilverschlusses 9b mittels der ersten und zweiten Magnetspule 16 und 18 sowie der Steuervorrichtung 20 erfolgt.
  • Der Ankerraum A ist gasdicht nach aussen verschlossen, jedoch atmosphärisch mit dem Fliessraum R verbunden. Die erste Magnetspule 16 und die zweite Magnetspule 18 sind gasdicht von dem Ankerraum A getrennt.
  • Anstelle eines als Keilschieber ausgebildeten Ventilverschlusses 9b kann auch ein nicht keilförmiger Schieber verwendet werden, bei welchem der Schliess- und Dichtvorgang über eine einzige lineare Bewegung erfolgt. Ein solches Ventil ist beispielsweise das unter der Produktbezeichnung „MONOVAT Reihe 02 und 03" bekannte und als Rechteckinsertventil ausgestaltete Transferventil der Firma VAT Vakuumventile AG in Haag, Schweiz. Der Aufbau und die Funktionsweise eines solchen Ventils werden beispielsweise in der US 4,809,950 (Geiser) und der US 4,881,717 (Geiser) beschrieben. Alternativ können andere linear verstellbare Ventile in das erfindungsgemässe Vakuummagnetventil-System eingebunden werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 6717332 [0006]
    • - DE 2251472 [0011]
    • - DE 3326605 [0012]
    • - DE 102005038934 [0013]
    • - EP 0369918 B1 [0014]
    • - JP 2006275235 [0015]
    • - US 4809950 [0070]
    • - US 4881717 [0070]

Claims (18)

  1. Vakuummagnetventil-System (1a; 1b) zum im Wesentlichen gasdichten Unterbrechen eines Fliesswegs (F), mit • einem Ventilgehäuse (2a; 2b) mit • einem ersten Anschluss (3a; 3b) in Richtung einer ersten Achse (4a; 4b), • einem zweiten Anschluss (5a; 5b) in Richtung einer zweiten Achse (6a; 6b) und • einem Ventilsitz (7a; 7b), welcher in dem Fliessweg (F) eines Fliessraums (R), der den ersten Anschluss (3a; 3b) und den zweiten Anschluss (5a; 5b) miteinander verbindet, angeordnet ist und den Fliessraum (R) umschliesst, • einem Ventilverschluss (9a; 9b), der innerhalb des Fliessraums (R) entlang einer Verstellachse (10a; 10b) derart axial geführt linear verschiebbar ist, dass eine dem Ventilsitz (7a; 7b) zugewandte Verschlussfläche (13a; 13b) des Ventilverschlusses (9a; 9b) – zum im Wesentlichen gasdichten Unterbrechen des Fliesswegs (F) in einer geschlossenen Stellung (C) des Ventilverschlusses (9a; 9b) – mit dem Ventilsitz (7a; 7b) in Kontakt bringbar und zum Freigeben des Fliesswegs (F) ausser Kontakt bringbar ist, • einem Magnetantrieb (15a; 15b) mit • einer mit dem Ventilgehäuse (2a; 2b) verbundenen ersten Magnetspule (16), die zumindest teilweise rings um einen Ankerraum (A) angeordnet und mittels welcher ein in dem Ankerraum (A) wirkendes erstes Magnetfeld elektrisch erzeugbar ist, • einem ferromagnetischen Anker (17a; 17b), der mit dem Ventilverschluss (9a; 9b) mechanisch verbunden und innerhalb des Ankerraums (A) entlang der Verstellachse (10a; 10b) durch Ändern des ersten Magnetfelds derart linear bewegbar ist, dass der Ventilverschluss (9a; 9b) zwischen der geschlossenen Stellung (C) und einer den Fliessweg (F) freigebenden offenen Stellung (O) linear verstellbar ist, und • einer Steuervorrichtung (20), die mit der ersten Magnetspule (16) derart elektrisch verbunden und derart ausgebildet ist, dass das erste Magnetfeld zum Verstellen des Ventilverschluss (9a; 9b) veränderbar ist, gekennzeichnet durch • eine mit dem Ventilgehäuse (2a; 2b) verbundene zweite Magnetspule (18), • die mit der ersten Magnetspule (16) zumindest teilweise über den bewegbaren Anker (17a; 17b) induktiv gekoppelt ist und • mittels welcher ein in dem Ankerraum (A) wirkendes zweites Magnetfeld elektrisch erzeugbar ist, wobei die Steuervorrichtung (20) mit der ersten Magnetspule (16) und der zweiten Magnetspule (18) derart elektrisch verbunden und derart ausgebildet ist, dass • sich zum Erfassen der Stellung des Ventilverschlusses (9a; 9b) das zweite Magnetfeld zeitlich ändert, • die in Abhängigkeit der Stellung des Ankers (17a; 17b) im Ankerraum (A) in die erste Magnetspule (16) durch das sich zeitlich ändernde zweite Magnetfeld induzierte Spannung durch die Steuervorrichtung (20) erfasst, • aus der induzierten Spannung die Stellung des Ventilverschlusses (9a; 9b) abgeleitet und • ein mit der Stellung des Ventilverschlusses (9a; 9b) verknüpftes Ausgangssignal (Z) ausgegeben wird.
  2. Vakuummagnetventil-System (1a; 1b) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein elastisches Glied, das den Ventilverschluss (9a; 9b) in eine erste Stellung (C) drückt, wobei das erste Magnetfeld der Kraft des elastischen Glieds zum Verstellen des Ventilverschlusses (9a; 9b) in eine zweite Stellung (O) entgegenwirkt.
  3. Vakuummagnetventil-System (1a; 1b) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Glied als Spiralfeder (8a; 8b) ausgebildet ist.
  4. Vakuummagnetventil-System (1a; 1b) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Magnetspule (18) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass das durch die zweite Magnetspule (18) in dem Ankerraum (A) wirkende zweite Magnetfeld der Kraft des elastischen Glied derart entgegenwirkt, dass der Ventilverschlusses (9a; 9b) in der zweiten Stellung (O) ohne Wirken des ersten Magnetfeldes festhaltbar ist.
  5. Vakuummagnetventil-System (1a; 1b) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass • zum Verstellen des Ventilverschlusses (9a; 9b) von der ersten Stellung (C) in die zweite Stellung (O) • das erste Magnetfeld mittels der ersten Magnetspule (16) für einen vorgegebenen Zeitabschnitt erzeugt wird, • zum Festhalten des Ventilverschlusses (9a; 9b) in der zweiten Stellung (O) nach dem vorgegebenen Zeitabschnitt • das sich zeitlich ändernde zweite Magnetfeld mittels der zweiten Magnetspule (18) erzeugt und • das erste Magnetfeld reduziert – insbesondere deaktiviert – wird • die in die erste Magnetspule (16) induzierte Spannung durch die Steuervorrichtung (20) erfasst, • aus der induzierten Spannung die Stellung des Ventilverschlusses (9a; 9b) abgeleitet und • das mit der Stellung des Ventilverschlusses (9a; 9b) verknüpftes Ausgangssignal (Z) ausgegeben wird.
  6. Vakuummagnetventil-System (1a; 1b) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass • die erste Stellung die geschlossene Stellung (C) und • die zweite Stellung die offene Stellung (O) ist.
  7. Vakuummagnetventil-System (1a; 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leistung der ersten Magnetspule (16) mindestens das 10-fache der elektrischen Leistung der zweiten Magnetspule (18) beträgt.
  8. Vakuummagnetventil-System (1a; 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leistung der ersten Magnetspule (16) mindestens das 30-fache der elektrischen Leistung der zweiten Magnetspule (18) beträgt.
  9. Vakuummagnetventil-System (1a; 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungszahl der zweiten Magnetspule (18) mindestens das 3-fache der Windungszahl der ersten Magnetspule (16) beträgt.
  10. Vakuummagnetventil-System (1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Magnetspule (18) im Wesentlichen koaxial zur ersten Magnetspule (16) angeordnet ist.
  11. Vakuummagnetventil-System (1a; 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Magnetspule (16) und die zweite Magnetspule (18) axial entlang der Verstellachse (10a; 10b) zueinander versetzt angeordnet sind.
  12. Vakuummagnetventil-System (1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Magnetspule (16) und die zweite Magnetspule (18) radial zueinander angeordnet sind.
  13. Vakuummagnetventil-System (1a) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Magnetspule (16) und die zweite Magnetspule (18) als eine gemeinsame Kombinationsspule (19) mit • einer ersten Wicklung, welche die erste Magnetspule (16) bildet, und • einer zweiten Wicklung, welche die zweite Magnetspule (18) bildet, ausgebildet sind.
  14. Vakuummagnetventil-System (1a; 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass das sich zeitlich ändernde zweite Magnetfeld durch Anlegen einer der folgenden Spannungstypen an die zweite Magnetspule (18) erzeugt wird: • Gleichspannung mit überlagertem, sich zeitlich veränderndem Messsignal; • Gleichspannung mit überlagertem hochfrequentem Messsignal; • gepulste Gleichspannung; • gepulste Gleichspannung mit überlagertem, sich zeitlich veränderndem Messsignal; • gepulste Gleichspannung mit überlagertem hochfrequentem Messsignal; • Wechselspannung; • Wechselspannung mit überlagertem, sich zeitlich veränderndem Messsignal; oder • Wechselspannung mit überlagertem hochfrequentem Messsignal.
  15. Vakuummagnetventil-System (1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass • das der Ankerraum (A) gasdicht nach aussen verschlossen und atmosphärisch mit dem Fliessraum (R) verbunden ist, und • die erste Magnetspule (16) und die zweite Magnetspule (18) gasdicht von dem Ankerraum (A) getrennt sind.
  16. Vakuummagnetventil-System (1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das der Ankerraum (A) gasdicht von dem Fliessraum (R) mittels eines Faltenbalgs (11a) getrennt ist.
  17. Vakuummagnetventil-System (1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass • das Vakuummagnetventil-System als Vakuummagnet-Eckventil-System (1a) ausgebildet ist, • die erste Achse (4a) des ersten Anschlusses (3a) im Wesentlichen senkrecht zu der zweiten Achse (6a) des zweiten Anschlusses (5a) verläuft und • die Verstellachse (10a) im Wesentlichen parallel zur ersten Achse (4a) und normal zur Verschlussfläche (13a) und zum Ventilsitz (7a) verläuft.
  18. Vakuummagnetventil-System (1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass • das Vakuummagnetventil-System als Vakuummagnet-Schieberventil-System (1b) ausgebildet ist, • die erste Achse (4b) des ersten Anschlusses (3b) im Wesentlichen parallel, insbesondere kollinear, zu der zweiten Achse (6b) des zweiten Anschlusses (5b) verläuft und • die Verstellachse (10b) im Wesentlichen senkrecht zur ersten Achse (4b) und zur zweiten Achse (6b) verläuft.
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