DE3807166A1 - Fluiddruck-reguliereinrichtung oder -stellglied - Google Patents

Fluiddruck-reguliereinrichtung oder -stellglied

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf Fluiddruck-Reguliereinrich­ tungen oder -Stellglieder zum Aufrechterhalten eines be­ stimmten Fluiddrucks in einer hinter der Einrichtung verlau­ fenden Strömung.
Die Reglerschieber oder Stellglieder von Reguliereinrichtun­ gen haben eine sich selbst einstellende Öffnung, die sich verändert, um die Fluidströmung zu erhöhen oder zu vermin­ dern, um hierdurch den vorgewählten Druck aufrechtzuerhalten. Herkömmlicherweise verwenden diese Regler eine Feder, die entgegen einer Membran wirkt, die dem Fluid ausgesetzt ist, dessen Druck geregelt werden soll. Herkömmliche Regler haben weit verbreitete Anwendung gefunden, und für viele Anwendungs­ fälle, bei denen die Anforderungen nicht besonders streng sind, funktionieren sie zufriedenstellend. Der Ausdruck "Fluid" wird hier allgemein für Flüssigkeiten und Gase verwendet.
Es gibt jedoch Anwendungen, bei denen die Konstruktion der herkömmlichen Regler Probleme aufwirft, die entweder ignoriert werden, wodurch entsprechende Nachteile in Kauf genommen wer­ den, oder die durch zusätzliche Einrichtungen oder Verfahren behoben werden sollen.
Z. B. benötigen viele Prozesse Fluide, die mit äußerster Rein­ heit zugeführt werden müssen. Ein Beispiel hierfür findet sich in der Halbleiterindustrie, wo Streuteilchen, die von dem Regler selbst in die Fluidströmung gelangen könnten, sehr teure Produkte verderben können, wenn sie auf einem Produkt an einer Stelle landen, an der diese Teilchen die beabsichtigte Funktion des Produktes zerstören oder behindern würden. Ein Beispiel hierfür ist ein leitendes oder leitfähiges Teilchen, das zwei elektronische Komponenten auf einem Chip überbrückt.
Die Quellen für solche Störteilchen in einem Regler sind die Membranen, die Ventile und insbesondere Federn in dem Fluidweg. Die Durchbiegung der Federn und das Reiben oder Anschlagen anderer Teile, einschließlich das Reiben der Feder an den Teilen, zwischen den sie angeordnet ist, sind Beispiele hierfür. Ein anderer Einwand gegen die herkömmliche Konstruktion der Regler ist die erforderliche Größe ihrer Einlaßräume, die durch die Notwendigkeit bedingt ist, bestimmte Teile darin unterzubringen. Größere Volumina sind schwieriger zu reinigen, benötigen eine längere Zeit für die Reinigung und verursachen hohe Ausfallkosten für kostspielige Reaktionsteilnehmer, die beim Reinigen des Systems eingesetzt und anschließend ausgeson­ dert werden müssen.
Die erfindungsgemäße Reguliereinrichtung wird voraussichtlich ihre erste Anwendung und möglicherweise die wichtigste Anwen­ dung auf dem Gebiet der Halbleiterreaktoren finden. Sie wird jedoch auch wesentliche Vorteile auf anderen Gebieten bringen, beispielsweise in Eich- oder Kalibriersystemen, Analysesystemen und Systemen für Trägerfluide bei der Fluid-Chromatographie.
Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Reguliereinrichtung überall dort nützlich, wo Regler benötigt werden, und nicht nur in hochreinen Fluidsystemen. Die mit dem erfindungsgemäßen Regler verbundene Einfachheit und die Bequemlichkeit beim Zusammenbau, bei der Justierung und in der Verwendung empfehlen die erfindungsgemäße Vorrichtung für allgemeine Verwendung.
Durch die Erfindung sollen alle Federn aus dem Strömungsweg entfernt werden, es sollen alle frei beweglichen Teile und Reibkontakte in dem Strömungsweg eliminiert werden, und das Hohlraumvolumen soll minimiert werden.
Die erfindungsgemäße Reguliereinrichtung hat einen Körper mit einer Einlaßöffnung und einer Auslaßöffnung. Die Einlaß­ öffnung führt zu einem Einlaßhohlraum, und die Auslaßöffnung geht von einem Abtast-oder Abfühlhohlraum aus. Ein Kanal für ein hin- und hergehendes Ventil verbindet die Hohlräume, und an seinem in dem Einlaßhohlraum befindlichen Ende ist das Ventil durch einen Ventilsitz umgeben.
Ein hin- und hergehendes Ventil hat einen Schaft, der durch den Ventilkanal mit Freiraum für die Fluidströmung hindurch­ geht. Ein Ventilkopf ist an dem Ventilschaft in dem Einlaßhohl­ raum angeordnet, mit einer Umfangsdichtung, die zur Anlage an dem Sitz zum Schließen des Kanals oder zur Bewegung weg von dem Sitz zum Öffnen des Kanals ausgebildet ist. Der Abtast- oder Abfühlhohlraum ist teilweise durch eine flexible Membran begrenzt, an der die Ventilfeder für eine axiale Bewegung in Abhängigkeit von der Durchbiegung der Membran befestigt ist.
Ein Einstellschraube ist über ein Gewinde an dem Körper zur koaxialen Bewegung mit dem Ventil gelagert, und zwar auf der anderen Seite der Membran gegenüber dem Einlaßhohlraum. Sie drückt auf eine kompressible Einstellfeder zwischen sich selbst und der Membran, wobei Differentialkräfte über die Membran, die eine Ausdehnung der Einstellfeder ergeben, eine Tendenz zur Öffnung des hin- und hergehenden Ventils bewirken, wobei die Membran zu dem Ventilkanal hin ausgebogen wird.
Ein mit Innengewinde versehener koaxialer Durchgang in der Einstellschraube nimmt eine zum Einstellen der Ventilfeder dienende weitere Einstellschraube auf, die einen Federanker aufweist. Eine Zugfeder (Ventilfeder) ist mit dem Anker und mit einem Gegenanker an der Membran verbunden. Eine Erhöhung der Zugspannung der Ventilfeder durch geeignetes Verdrehen der Ventilfeder-Einstellschraube bewirkt, daß der Ventilkopf gegen den Ventilsitz gezogen wird, um das Ventil zu schließen.
Beide Federn befinden sich auf der dem Einlaßhohlraum gegen­ überliegenden Seite der Membran, und sie befinden sich voll­ ständig außerhalb des Hohlraums.
Entsprechend einem bevorzugten, aber wahlweisen Merkmal der Erfindung ist die Ventilfeder-Einstellschraube mit der Ventil­ feder durch ein Schwenk- oder Drehgelenk verbunden, und ferner kann ein Drucklager zwischen der Einstellschraube und der Einstellfeder angeordnet sein, um eine Verdrehung oder Torsion der Feder während der Einstellung zu vermindern oder zu ver­ hindern.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der einzigen Figur der Zeichnung, die in einem axialen Querschnitt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeigt.
Eine Reguliereinrichtung oder ein Regler 10 weist einen Körper auf, der aus zwei Teilen 11 und 12 gebildet ist, die mittels Gewinden 13 miteinander verbunden sind. Das Ventil hat eine Betätigungsachse 14.
Eine Einlaßöffnung 15 erstreckt sich in den Körper hinein und führt zu einem Einlaßhohlraum 16. Ein herkömmlicher Ver­ binder 17 ist vorgesehen, um den Regler an ein entsprechendes System anzuschließen.
Eine Auslaßöffnung 20 erstreckt sich ebenfalls in den Körper und führt zu einem Abtast- oder Abfühlhohlraum 21. Ein Ventil­ kanal 22 längs der Achse 14 verbindet den Einlaßhohlraum 16 mit dem Abtast- oder Abfühlhohlraum (Auslaßhohlraum) 21. Ein erhabener ringförmiger Ventilsitz 25 umgibt den Ventilkanal 22 an der Stelle, wo dieser in den Einlaßhohlraum 16 mündet.
Der Abtast- oder Abfühlhohlraum 21 ist teilweise durch den Körper begrenzt und teilweise durch eine flexible Membran 26. Die Membran ist kreisförmig, wie auch die Hohlräume 16 und 21 und der Ventilkanal 22 kreisförmig sind, und der zen­ trale Teil der Membran 26 bewegt sich in axialer Richtung, wenn sich die Differentialkräfte an der Membran verändern.
Ein Ventilschaft 27 geht durch den Ventilkanal 22 hindurch, und zwar mit einem Umfangsabstand, so daß hier keine Reibwir­ kung auftritt. Ein Ventilkopf 28 ist an dem Schaft 27 befe­ stigt oder als Teil desselben ausgebildet. Eine Dichtung 29 an dem Ventilkopf 28 weist auf den Ventilsitz 25 zu, so daß sie den Ventilkanal 22 gegenüber der Strömung abschließt, wenn sie gegen den Sitz 25 zur Anlage gebracht ist.
Ein Zugang zu dem Einlaßhohlraum 16 ist durch eine Zugangs­ öffnung 30 gebildet. Ein Stopfen 31 liegt gegen eine Scheiben­ dichtung 31 a an, um die Zugangsöffnung 30 zu verschließen. Wenn der Stopfen 31 entfernt wird, kann der Ventilkopf 28 von dem Ventilschaft 27 abgeschraubt werden, oder, wenn er einstückig mit dem Schaft 27 ausgebildet ist, kann der Schaft 27 von einem Anker 32 abgeschraubt werden. Dies erleichtert den Zusammenbau des Reglers.
Der Anker 32 hat einen Flansch 32 a, der an der Membran 26 befestigt und mit dieser abgedichtet ist. Eine untere Feder­ führung 33 liegt gegen die Membran 26 an und läßt den Anker 32 hindurchgehen. Eine obere Federführung 34 weist auf die untere Federführung 33 zu, und eine Einstellfeder 35 ist zwi­ schen ihnen angeordnet und zusammengedrückt. Eine Schrauben­ feder ist die hierfür bevorzugte Vorrichtung. Jedoch könnte statt dessen irgendeine proportional ansprechende Vorrichtung verwendet werden, beispielsweise ein unter Gasdruck stehender Druckbehälter. Der Ausdruck "Einstellfeder" umfaßt alle solche Äquivalente.
Ein Drucklager 40 mit Lagerkugeln 41 zwischen Laufbahnen 42 und 43 ist zwischen der oberen Federführung 34 und einem Flansch 44 an einer Einstellschraube 45 angeordnet. Die Schraube 45 hat ein Außengewinde 46, das in eine Öffnung 47 in dem Teil 12 des Körpers eingeschraubt ist. Die Öffnung 47 ist koaxial zu der Achse 14. Ein Knopf 48 ist an der Schraube 45 für deren Drehung befestigt.
Die Einstellschraube 45 hat einen zentralen Durchgang 50 mit einem Innengewinde 51. Eine Ventilfeder-Einstellschraube 52 ist in das Gewinde 51 eingeschraubt. Sie ist mit Werkzeugan­ griffsflächen 53 versehen, so daß sie verdreht werden kann, um sie axial in der Einstellschraube 45 zu bewegen. Ein Dreh­ gelenk 55 ist an der Schraube 52 angeordnet, so daß es sich frei in dieser drehen, aber axial mit dieser Schraube bewegen kann. Das Drehgelenk 55 hat an seinem unteren Ende einen Anker 56.
Die Ventilfeder 60 ist eine Schraubenzugfeder, die an ihren Enden unter Zugspannung zwischen den Ankern 32 und 56 gehalten ist. Sie hat eine Tendenz, die Membran 26 nach oben zu ziehen. Die Einstellfeder 35 hat die Tendenz, die Membran 26 nach unten zu drücken. Die durch die Einstellfeder 35 ausgeübte Druckkraft wird eingestellt durch Verdrehen der Einstellfeder- Einstellschraube 45. Die Spannung der Ventilfeder 60 wird eingestellt durch Verdrehen der Ventilfeder-Einstellschraube 52.
Eine Abdeckschraube 65 ist in die Einstellfeder-Einstellschrau­ be 45 eingeschraubt, um deren Durchgang zu verschließen. Die Abdeckschraube 65 ist entfernbar, um einen Zugang zu der Ventil­ feder-Einstellschraube 52 zu schaffen. Die Druckkraft an der Einstellfeder 35 und dadurch der durch den Regler eingestellte Druck wird eingestellt durch Verdrehen des Knopfes 48 zum Verdrehen der Einstellfeder-Einstellschraube 45.
Es ist zu bemerken, daß sich in dem Fluidstrom keine frei beweg­ lichen Teile oder Federn oder reibenden Teile befinden. Der einzige körperliche Kontakt besteht zwischen dem Ventil 27, 28 und dem Ventilsitz 25.
Die Membran 26 biegt sich höchstens nur etwa 0,75 mm (0,030 Zoll) an ihrer Mitte durch, wenn eine Membran 26 verwendet wird, die einen freien Durchmesser von etwa 50 mm (2 Zoll) hat. Eine solche geringfügige Durchbiegung einer Membran 26, insbe­ sondere einer Membran aus nichtrostendem Stahl, führt kaum dazu, daß sich Streuteilchen bilden. Es zeigt sich besonders, daß die Dimensionen des Einlaßhohlraums 16 und des Abtast-, Abfühl- oder Auslaßhohlraums 21 verhältnismäßig reduziert sind.
Die Ventilfeder 60 ist für eine relativ beschränkte Verwendung vorgesehen, und zwar vorwiegend als Absperr- oder Rückschlag­ ventil bei geringen Drücken und bei niedrigen Druckeinstel­ lungen. Wenn der Regler zum ersten Mal zusammengebaut wird, wobei die Einstellschraube 45 zurückgezogen ist, um den größten Teil der Druckkraft der Einstellfeder 35 zu entlasten, wird die Spannung der Ventilfeder 60 so eingestellt, daß diese das Ventil 27, 28 bei geringen dahinter herrschenden Drücken, beispielsweise 0,138 bar (2 psi) in die geschlossene Stellung zieht. Dann wird die Abdeckschraube 65 aufgesetzt, und eine weitere Einstellung der Ventilfeder 60 wird kaum erforderlich sein.
Eine Einstellung des zu regelnden Druckes wird erreicht durch Verdrehen der Einstellfeder-Einstellschraube 45, um die Feder­ kraft einzustellen, die die Feder 35 auf die Membran 26 ausübt. Fluiddrücke in dem Abtast- oder Abfühlhohlraum 21, die eine Kraft erzeugen, die größer ist als die eingestellte Federkraft, bewegen das Zentrum der Membran 26 und das Ventil 27, 28 nach oben, um die Öffnung an dem Ventilsitz 25 zu vermindern oder zu schließen. Geringere Drücke tendieren dazu, den Regler zu öffnen. Auf diese Weise ergibt die Einstellung der Einstellfeder 35 den geregelten Auslaßdruck.
Der dargestellte Regler liefert die beschriebenen Vorteile mit einer einfach konstruierten Vorrichtung. Die für die Kon­ struktion verwendeten Materialien werden im allgemeinen nicht­ rostender Stahl sein, obwohl statt dessen auch jedes andere Material mit geeigneten mechanischen Eigenschaften und Wider­ standswerten gegenüber den zu regelnden Fluiden verwendet werden kann.

Claims (3)

1. Reguliereinrichtung oder Regler für Fluiddruck, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
  • - einen Körper (11, 12) mit einem Einlaßhohlraum (16) und einem Abtast- oder Abfühlhohlraum (21), einer Einlaß­ öffnung (15) für den Einlaßhohlraum (16) und einer Aus­ laßöffnung (20) für den Abtast- oder Abfühlhohlraum (21),
  • - einen Ventilkanal (22) längs einer Achse (14), der die beiden Hohlräume (16, 21) miteinander verbindet,
  • - einen Ventilsitz (25), der den Ventilkanal (22) in dem Einlaßhohlraum (16) umgibt,
  • - einen axialen Ventilschaft (27), der mit Umfangsfreiraum durch den Ventilkanal (22) hindurchgeht,
  • - einen Ventilkopf (28) an dem Ventilschaft (27) in dem Einlaßhohlraum (16),
  • - eine Ventildichtung (29) an dem Ventilkopf (28), die auf den Ventilsitz (25) zu weist und so ausgebildet ist, daß sie gegen den Ventilsitz (25) anliegt, um den Ventil­ kanal (22) zu schließen, oder die sich von dem Ventilsitz (25) weg bewegt, um den Ventilkanal (22) zu öffnen,
  • eine flexible Membran (26), die teilweise den Abfühl- oder Abtasthohlraum (21) abschließt und die sich allgemein normal zu der Achse (14) erstreckt, wobei der Ventilschaft (27) an der Membran (26) zur axialen Bewegung längs der Achse (14) befestigt ist, wenn die Membran (26) ausgebogen wird,
  • - eine Einstellfeder (35),
  • - eine Einstellschraube (45) für die Einstellfeder (35), die axial in den Körper (11, 12) eingeschraubt ist zur Bewegung auf die Membran (26) zu und von dieser weg, wenn die Einstellfeder-Einstellschraube (35) verdreht wird, wobei die Einstellfeder (35) zwischen der Membran (26) und der Einstellfeder-Einstellschraube (45) unter Druck eingespannt ist, wobei die Einstellfeder-Einstell­ schraube (45) einen zentralen Durchgang (50) mit einem Innengewinde (51) aufweist,
  • - eine Ventilfeder (60) und
  • - eine Einstellschraube (52) für die Ventilfeder (60), die in den zentralen Durchgang (50) eingeschraubt ist, wobei die Ventilfeder (60) unter Zugspannung zwischen der Einstellschraube (52) für die Ventilfeder (60) und der Membran (26) verankert ist.
2. Regler nach Anspruch 1, bei dem die Einstellschraube (45) für die Einstellfeder (35) eine Umfangsschulter (44) aufweist, und bei dem ein Drucklager (40) unter Druck zwischen der Schulter (44) und der Einstellfeder (35) angeordnet ist.
3. Regler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein Drehgelenk (55) an der Einstellschraube (52) für die Ventilfeder (60) ange­ ordnet ist, welches relativ zu der Einstellschraube (52) frei drehbar ist und welches einen Anker (56) für ein Ende der Ventilfeder (60) bildet.
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