DE2639909C2 - Vakuumdosierventil - Google Patents

Description

der Wärmeableitung des Gehäuses relativ träge und außerdem genügen, wie oben dargelegt, Nadelventile als Vakuumdosierventile wegen der Gefahr des Verklebens und der Verformung ohnehin heutigen Anforderungen nicht mehr in allen Fällen.

Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Vakuumventil mit gleichzeitig mechanischer und thermischer Einstellungsmöglichkeit die mechanische Einstelleinrichtung als eine für im Vergleich zu der thermischen Einstelleinrichtung grobe Voreinstellung auszubilden und die thermische Einsteileinrichtung und das Ventilverschlußteil derart zu gestallen, daß die Feineinstellung der Gesamtdosierung rasch und ohne die Gefahr des Verklebens des Verschlußteils bzw. des Verstopfens des Ventildurchgangs ermöglicht wird.

Außerdem liegt der Erfindung auch die Aufgabe zugrunde, ein Vakuumdosierventil zu schaffen, das bei einfacher Herstellungsmöglichkeit trotzdem eine hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Gasdosierung ermöglicht

Diese Aufgaben werden geiöst durch ein Veniiä mil einem mit Einlaß- und Auslaßöffnungen versehenen Ventilgehäuse, darin angeordnetem Ventilsitz, einem Ventilverschlußteil und einer mechanischen und einer thermischen Einrichtung zum Einstellen des Gasleitvermögens des Ventils, wobei die thermische Einstelleinrichtung eine Wärmequelle umfaßt, mit der eine veränderliche Temperaturdifferenz zwischen zwei aus Materialien mit annähernd gleichem Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehenden Bauteilen eingestellt werden kann, von denen das eine Bauteil das Ventilverschlußteil verschieben kann und das andere Bauteil das Ventilgehäuse bildet und den Ventilsitz trägt, welches dadurch gekennzeichnet ist. daß die mechanische Einstelleinrichtung der Voreinstellung des Gasleitvermögens des Ventils dient und ein Betätigungsorgan (10) umfaßt, mit welchem ein kraftübertragender Zug- oder Druckbolzen (7, 12), dessen Temperatur und damit dessen Länge über die Wärmequelle (8) mit gegenüber der mechanischen Einstelleinrichtung höherer Genauigkeit einstellbar ist, derart zusammenwirkt, daß die thermische Längenänderungen des Zug- oder Druckbolzens (7, 12) für die Feineinstellung des Gasleitvermögens des Ventils auf eine einen Ventilteller (4) tragende Ventilstange (7a) übertragen wird.

Vorzugsweise wird die Einrichtung zur Temperatureinstellung als Heizvorrichtung ausgebildet, jedoch läßt sich auch durch Abkühlen der Ventilhubstange unierhalb der Umgebungstemperatur eine Längenveränderung und damit eine Feinbewegung des Ventilschlusses erzielen.

Da das Antricbsclemeni und das Ventilgehäuse aus Materialien mit annähernd gleichem Wärmeausdehnungskoeffizienten heslehen, kann das Ventil ausgeheizt werden, ohne daß sich dabei der eingestellte Gasleitwert ändert; insbesondere bleibt das vakuumdicht geschlossene Ventil dann auch beim Ausheizen vakuumdicht.

Nachfolgend werden Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung näher beschrieben.

In den Figuren bezeichnet 1 den Gaseinlaß, 2 den Gasauslaß des Ventils. 3 einen Federkörper zur vakuumdichten Abdichtung zwischen dem oberen und dem unteren Teil des Ventilgehäuses, 4 den Ventilverschlußkorpcr. 5 den Spalt zwischen dem Ventilverschlußkörper und einem Ventilsit? 6, wobei die jeweilige Größe dieses Spaltes in erster Linie für den Gasleitwert bestimmend ist Die Betätigung des Ventilversehlußkörpers geschieht mit Hilfe eines Antriebselementes 7a, das im oberen Teil des Ventilgehäuses axial verschiebbar gelagert ist Mit 8 ist eine Hilfseinrichtung zur Einstellung der Temperatur bezeichnet die vorzugsweise als elektrische Heizwendel ausgebildet wird. 8 könnte jedoch auch, wie die Zeichnung erkennen läßt eine Rohrschlange darstellen, die mittels eines durchgeleiteten Mediums beheizt oder gekühlt werden kann. Mit 9 ist eine Druckfeder bezeichnet welche, wie weiter unten ersichtlich, die jeweilige Position des mit einem gewissen Spielraum in axialer Richtung beweglichen Antriebselementes la festlegt und IQ bedeutet das Betätigungsorgan für die mechanische Verstellung dieses Anis triebselementes.

Die F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Hilfskörper 7 in Form eines Druckbolzens als kraftübertragendes Zwischenglied zwischen dem Betätigungsorgan 10 und dem Antriebselement 7a ausgebildet ist Das Antriebselement (Hubstange) 7a trägt an seinem oberen Ende mittels eines Gewindes die versteuere Mutter 7 b. Zwischen dieser und der Schulter 7c iiis Gehäuses ist die Druckfeder 9 angeordnet Auf das obere Ende des Druckbolzens 7 liegt mit einer konischen Vertiefung das Betätigungsorgan 10 auf, das als Hebel ausgebildet ist und am Gehäuse im Drehpunkt 10a gelagert ist Die Betätigung des Hebels erfolgt mittels der Justierschraube 11, die sich gegen die Außenseite des Ventilgehäuses abstützt.

Bei Benutzung wird das Ventil gemäß FI g. 1 zunächst auf einen vorbestimmten Durchlaß eingestellt, der — wenn die Einrichtung 8 als Heizvorrichtung ausgebildet ist — dem im gegebenen Falle maximal gewünschten Gasleitwert entspricht. Dies geschieht durch Anziehen der Justierschraube 1 i, wodurch der Druckbolzen 7 mittels des Hebels 10 gegen das Antriebselement 7a gedrückt wird, so daß dieses und damit der Ventilverschlußkörper 4 gegen die Kraft der Druckfeder 9 auf den Ventilsitz zubewegt wird. Die genauere Einstellung

ίο des Ventils auf einen kleineren Leitwert als den maximalen kann sodann durch thermische Steuerung erfolgen u»id zwar kann durch Erwärmen des Stößels 7 das Ventil weiter geschlossen und durch Abkühlen wieder geöffnet werden. Dabei ist eine sehr genaue Feineinstellung möglich und es genügen verhältnismäßig geringe Temperaturänderungen bis zu 50°C. Insbesondere bei Ausbildung der Einrichtung 8 als elektrische Heiz- oder Kühleinrichtung — letzteres wäre mit Peltierelementen leicht verwirklichbar — eignet sich das erfindungsgemäße Ventil zum Einbau in Regelkreise, wobei die Temperatur des Hilfskörpers 7 selbsttätig so eingeregelt wird, daß der Druck in einem an die Öffnung 2 angeschlossenen Rezipienten konstant gehalten wird oder einem bcstiirmKTi Programm folgt. Aber auch bei manueller Einstellung der Temperatur bietet das erfindungsgemäße Ventil den großen Vorteil, daß einer ansich schon genauen mechanischen Voreinstellung eine thermische Feineinstellung mit noch höherer Genauigkeit überlagert werden kann.

Das Ausführungsbeispiel der F i g. 2 arbeitet im Prinzip ähnlich wie dasjenige nach F i g. 1, weist diesem gegenüber jedoch folgenden Unterschied auf: Es ift ein besonderer Hilfskörper 12 mit zugehörigei Temperatur-Einstelleinrichtung vorgesehen, dessen thermische Längenänderung mittels eines gabelförmigen Hebels 13 — siehe F i g. 2a, die einen Schnitt durch die in F i g. 2 durch die Pfeile angedeutete Ebene darstellt — der am Ventilgehäuse bei 15 drehbar gelagert ist, auf den Stößel

7 und von diesem auf das Antriebselement la übertragen wird. Der Hebel des Betätigungsorgans IO ist dabei seinerseits bei 14 in der Gabel 13 gelagert: die Position des Drehpunktes 14 wird also durch die thermischen Längenänderungen des Hilfskörperx 12 beeinflußt und auf diese Weise die thermisch gesteuerte Bewegung der durch den Hebel 10 bzw. die Justierschraube 11 mechanisch gesteuerten Bewegung überlagert. Wird der Hilfskörper 12, der mit seinem unteren Ende am Ventilgehäuse bei 12a befestigt ist, erwärmt, dann wird der Drehpunkt 14, wie aus der Zeichnung ersichtlich, angehoben und dadurch das Ventil unter Wirkung der Druckfeder 9 weiter geöffnet. Zieht sich der Hilfskörper 12 dagegen bei Abkühlung zusammen, dann wird das Ventil weiter geschlossen.

Fig.3 schließlich zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem als Betätigungsorgan ein Drehknopf 18, der mittels einer Gewindespindel am Kopfteil 17 des Ventilgehäuses in axialer Richtung verstellbar isi. vorgesehen ist. Die Ventilhubstarigc 7 (Antriebselcment) steht unter der Wirkung der Druckfeder 9, die sich gegen den genannten Kopfteil 17 abstutzt. Sie ist über den Querbolzen 20 mit dem oberen Ende des durch die Einrichtung 8 beheizbaren oder kühlbaren Hilfskörpers 21 verbunden, und das untere Ende derselben ruht auf einer Schulter 23 des rohrförmigen Teiles 22 des Betätigungsorganes. Dieses weist, wie die Zeichnung zeigt, oben seitliche öffnungen 22a und 22Λ auf, durch welche der Querbolzen hindurchragt, wobei'die genannten öffnungen so groß bemessen sind, daß eine den maximalen jo thermischen Längenänderungen di;s Hilfskörpers 21 entsprechende Bewegungsmöglichkuit für den Querbolzen 20 gegeben ist.

Wiederum wird die Grobeinstellung des Ventildurchlasses (Leitwertes) mit Hilfe der mechanischen Betätigungseinrichtung 10 vorgenommen, die Feineinstellung dagegen thermisch. Bei Erhitzung des Hilfskörpers 21 nimmt dessen Länge zu, dadurch wird über den Querbolzcn 20 die Ventilhubstange 7 irs Richtung größerer Öffnung des Ventils bewegt: bei Abkühlung umgekehrt. Der Schließdruck wird dabei stets durch die Kraft der Feder 9 bestimmt. Fällt beispielsweise die Heizung 8. während das Ventil geschlossen ist. aus. dann bewirkt die folgende Abkühlung des Hilfskörpers 21 lediglich ein Abheben seines unteren Endes von der Schulter 23; die Zerstörung des Ventilsitzes durch einen zu großen Schließdruck ist damit ausgeschlossen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   t. Ventil mit einem mit Einlaß- und Auslaßöffnung versehenen Ventilgehäuse, darin angeordnetem Ventilsitz, einem Ventilverschlußteil und einer mechanischen und einer thermischen Einrichtung zum Einstellen des Gasleitvermögens des Ventils, wobei die thermische Einstelleinrichtung eine Wärmequelle umfaßt, mit der eine veränderliche Temperaturdifferenz zwischen zwei aus Materialien mit annähernd gleichem Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehenden Bauteilen eingestellt werden kann, von denen das eine Bauteil das Ventilverschlußteil verschieben kann und das andere Bauteil das Ventilgehäuse bildet und den Ventilsitz trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Einstelleinrichtung der Voreinstellung des Gasleitvermögens des Ventils dient und ein Betätigungsorgan (10) umfaßt, mit welchem ein kraftübertragender Zug- odet Druckbolzen (7, 12), dessen Temperatur und damit dessen Länge über die Wärmequelle (8) mit gegenüber der mechanischen Einstelleinrichtung höherer Genauigkeit einstellbar ist. derart zusammenwirkt, daß die thermischen Längsänderungen des Zug- oder Druckbolzens (7,12) für die Feineinstellung des Gasleitvermögcns des Ventils auf eine einen Ventilteller (4) tragende Ventilstange (7a) übertragen wird.
2. 2. Ventil nach Anspruch 1. bei dem das Betätigungsorgan (iO) als Hebel ausgebildet ist. dadurch gekennzeichnet, daß der Drehpunkt (14, F i g. 2) des Hebels durch die thermischen Längenänderungen des Zugbolzens (J2) verschiebbar ist.

   Vakuumdosierventile werden in der Vakuumtechnik vielfach benötigt, insbesondere in zwei Anwendungsfällen

   a) wenn es sich darum handelt, bei einem Vakuumprozeß laufend eine genau dosierte Menge eines gasförmigen Reaktionspartners zuzuführen z. B. beim reaktiven Aufdampfen von dünnen Schichten; das Ventil wird hierbei auf einen vorbestimmten Leitwert eingestellt:

   b) in Verbindung mit Regeleinrichtungen zur Konstanthaltung des Druckes in einem Vakuumraum wobei dieser kontinuierlich ausgepumpt wird und gleichzeitig durch das Ventil gerade soviel Gas laufend zugeführt wird, daß der vorbestimmte Druck aufrechterhalten wird.

   Ventile für die genannten Zwecke wurden häufig als sogenannte Nadelventile ausgebildet, welche jedoch den Nachteil haben, daß es leicht zum Verkleben (Kaltverschweißen) zwischen der als Ventilverschlußkörper dienenden Nadelspitze und dem Ventilsitz kommt. Da die DurchlaUöffnung bei einem Nadelventil klein ist, kann sie auch leicht durch Schmutz verstopft werden.

   in neuerer Zeit hat sich daher mehr eine Bauweise eingeführt, bei welcher eine Vcntilplatte aus einem harten Werkstoff z. B. Saphir gegen einen als Schneide aus weicherem Werkstoff z. B. Kupfer ausgebildeten Ventilsitz gepreßt wird. Solche Ventile lassen sich leichter reinigen, haben eine größere Lebensdauer und können ausheizbar ausgebildet werden, wobei Temperaturen bis zu 450° angewendet werden, um eine sichere Entgasung aller mit dem Vakuum in Berührung kommenden Teile zu erreichen, was insbesondere bei Ultrahochvakuumanwendungen wichtig ist Bei solchen Ventilen können aber in geschlossenem Zustand infolge der verschiedenen thermischen Ausdehnung insbesondere des Gehäuses und der Ventilhubstange bein; Ausheizen so große Kräfte zwischen beim Ventilverschlußkörper und

   to dem Ventilsitz auftreten, das die erwähnte dichtende Schneide zu stark defomiert wird, wodurch das Ventil entweder überhaupt zerstört oder wenigstens seine Lebensdauer verkürzt wird. Um dem zu begegnen, wurden schon Dehnungsausgleichsvorrichtungen vorgeschla-

   ?* gen, die das Auftreten zu großer Kräfte durch elastische Verformung einzelner Ventilbauteile z. B. durch elastisch federnde Ventilteller abschwächen sollen. Derartige Spezialkonstruktionen sind aufwendig, außerdem bleibt immer noch der Nachteil bestehen, daß der Durchlaß des zwecks dosierten Gaseinlasses auf einen bestimmten Leitwert eingestellten Ventils sich bei Änderung der Umgebungstemperatur ebenfalls verändert, so daß ständige Nachregelungen erforderlich sind und daß das Ventil außerdem für jede Temperatur eine eigene Eichung benötigt.

   Ein weiterer Nachteil aller bekannten mit Hilfe einer Gewindespindel σier einer anderen mechanischen oder einer elektromagnetischen Verstellvorrichtung betätigten Dosierventile liegt darin, daß sie mit höchster Präzision gebaut werden müssen, um ein genügend genaues Einstellen des Gaseinlassses insbesondere bei kleinen Durchflußmengen zu ermöglichen.

   Es sind auch Gasdosierventile vorgeschlagen worden, bei denen in einem Rohr ein Schließkörper angeordnet ist, wobei Rohr und Schließkörper aus Werkstoffen mit verschiedenem thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestehen, und öffnen des Ventils bzw. eine Änderung des Leitwertes dadurch bewirkt wird, daß bei Erhitzung der ganzen Anordnung der enge Spalt zwischen dem Verschlußkörper und der Innenwand des Rohres infolge verschieden starker Ausdehnung dieser beiden Teile sich verändert. Dabei müssen aber Temperaturen bis zu einigen 100⁰C angewendet werden und die Vorrichtung besitzt fernerden Nachteil, daß die jeweilige Einstellung auf einem bestimmten Gasleitwert wegen der Wärmekapazität der zu erhitzenden Teile nur schleppend erfolgt, so daß derartige thermische Dosierventile kaum für Druckregeleinrichtungen gebraucht werden können. Es gibt auch Ventile für Flüssigkeiten, bei denen die

   ίο thermische Volumenausdehnung eines flüssigkeit- oder gasgefüllten elastischen Hohlkörpers, der mit einer Heizvorrichtung verbunden ist, zur Durchflußregelung benützt wird. Solche Ventile werden z. B. in Heizanlagen verwendet. Auch bimetallgesteuertc Vorrichtungen zur Regelung des Durchflusses in Leitungen sind bekannt.

   Bei einem weiteren bekannten Ventil besteht die Hubstange und das von dieser getragene als Nadelventil ausgebildete Ventilvcrschlußglied sowie das Ventilgehäuse aus Werkstoffen von gleichem thermischen Ausdehnungsköeffizicntcn, wobei eine Heizvorrichtung vorgesehen ist, um eine Wärmeausdehnung des Gehäuses bewirken zu können, derart, daß infolge unterschiedlicher Längenänderungen der Abstand des vom Gehäu-

   b5 se getragenen Ventilsitzes von der Spitze des Vcrschlußgliedes zur Erzielung einer gewünschten Durchflußöffnung passend eingestellt werden kann. Die bekannte Einrichtung ist'wegen der Wärmekapazität und