DE4106761A1 - Verfahren zur herstellung von ventilinnenteilen fuer vakuumventile mit ventilteller und faltenbalg sowie nach diesem verfahren hergestellte innenteile - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Ventilinnenteiles für ein Vakuumventil mit Ventilteller und Faltenbalg sowie ein nach diesem Verfahren hergestelltes Innen­ teil.

Vakuumventile der hier betroffenen Art werden mit den verschie­ densten Nennweiten und mit mehreren Antrieben auf dem Markt angeboten. Die Herstellung derartiger Ventile erfolgt deshalb - soweit möglich - nach dem Baukastenprinzip.

Bekannte Ventile bestehen im wesentlichen aus drei Baugruppen, nämlich aus einem Ventilgehäuse mit Ventilsitz, einem Ventilan­ trieb sowie einem Ventil-Innenteil mit einem Ventilteller, einem Faltenbalg und einem Dichtkragen. Die Ven­ tilantriebe können mechanisch betätigbar sein. Üblich ist dabei die Verwendung von Drehknöpfen. Je nach dem, ob die Öffnungs- und Schließbewegung schnell oder langsam durchgeführt werden soll, sind diese mechanischen Antriebe unterschiedlich gestaltet. Außerdem sind pneumatisch, elektro-pneumatisch und elektro-ma­ gnetisch betätigbare Ventile bekannt. Vakuumventile der hier betroffenen Art sind beispielsweise in der Broschüre "Ventile" offenbart, welche Bestandteil des Katalogs HV 200, Teil 6, Auflage 08/86 der Anmelderin ist.

Der in Vakuumventilen befindliche Faltenbalg hat die Aufgabe, den von Medien berührten Innenraum des Ventilgehäuses von der Atmo­ sphäre zu trennen. Der Faltenbalg erstreckt sich deshalb vom Ventilteller bis zu einem Dichtkragen, der vakuumdicht zwischen dem Antrieb und dem Ventilgehäuse montiert ist. Als geeigneter Werkstoff für den Faltenbalg, den Ventilteller und den Flansch hat sich Edelstahl erwiesen. Ein Edelstahlfaltenbalg muß sehr dünn (0,1 mm) ausgebildet sein, so daß er schnelle Bewegungen des Ventiltellers nicht allzu stark behindert. Dünnwandiger Edelstahl erfüllt außerdem die Anforderungen an eine hochvakuumdichte Trennung, ohne daß Verformungen auftreten. Schließlich ist Edelstahl relativ korrosionsfest.

Kritische Bereiche der vorbekannten Vakuumventil-Innenteile sind die Verbindungen der beiden Stirnseiten des Faltenbalges mit dem Ventilteller und dem Dichtkragen. Diese Verbindungen müssen hochvakuumdicht sein und sollen möglichst lange Standzeiten haben. Bei den bekannten Vakuumventilen erfolgt die Verbindung des Faltenbalges mit dem Ventilteller und dem Dichtkragen durch Schweißen. Der technische Aufwand für diese Fügeverbindung ist sehr hoch, da diese Arbeit nur von hochqualifizierten Schweißern ausgeführt werden kann. Dabei muß eine spezielle Schweißmaschine eingesetzt werden. Die Anforderungen an die Genauigkeit der Fügeteile sind sehr hoch. Weiterhin treten die bei Schweißvor­ gängen infolge der lokalen Erhitzungen bekannten Materialspan­ nungen in der Schweißnaht sowie in der Übergangszone auf. Nicht alle der in dieser Weise hergestellten Fügeverbindungen erfüllen deshalb die hohen Anforderungen an die Hochvakuumdichtheit. Schließlich sind die Standzeiten der Schweißnähte begrenzt. Immer wieder treten bereits nach relativ kurzen Betriebszeiten Reso­ nanz- oder Ermüdungsbrüche auf und machen das Ventil unbrauchbar. Dieses gilt insbesondere für schnellschließende Ventile mit elektrisch betätigbaren Antrieben, bei denen die Faltenbälge besonders hoch belastet werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den mit der Herstellung der Verbindungen zwischen Faltenbalg und Ventil­ teller sowie Dichtkragen verbundenen technischen Aufwand bei gleichzeitiger Reduzierung des Ausschusses und Erhöhung der Standzeiten zu vereinfachen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Verbindung zwischen dem Faltenbalg und dem Ventilteller durch Löten im Vakuum hergestellt wird. Vorzugsweise wird gleichzeitig die Verbindung zwischen dem Faltenbalg und seinem Dichtkragen ebenfalls in dieser Weise hergestellt.

Die Anwendung dieser Erfindung hat zunächst den Vorteil, daß der erforderliche technische Aufwand und damit die Herstellkosten im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich geringer sind. Hoch­ qualifizierte Mitarbeiter sind zur Herstellung der Verbindung zwischen dem Faltenbalg und seinen angrenzenden Bauteilen nicht mehr erforderlich. Die Anforderungen an die Genauigkeit der miteinander zu verbindenden Bauteile sind wesentlich geringer. Weiterhin ist vorteilhaft, daß das Ventilinnenteil nach der Herstellung der Verbindungen durch Löten im Vakuumofen ausgeheizt ist und damit unmittelbar der Weiterverarbeitung bzw. Montage zur Verfügung steht. Ein Reinigungsvorgang, wie er nach Schweißvor­ gängen wegen der Anlauffarben und der vorhandenen Fette nötig ist, entfällt. Die unmittelbaren Kontaktflächen zwischen dem Faltenbalg und seinen angrenzenden Bauteilen sind nach dem erfindungsgemäßen Lötvorgang wesentlich größer als beim Schweiß­ vorgang nach dem Stand der Technik. Die Dichtheit der Verbin­ dungen ist damit gewährleistet. Ausschüsse wegen undichter Verbindungen treten nicht mehr auf. Vorteilhaft ist weiterhin, daß der mit dem Faltenbalg zu verbindende Dichtkragen keinen sich in axialer Richtung erstreckenden Anschweißkragen mehr benötigt. Der Dichtkragen kann als einfache Ringscheibe gestaltet sein, so daß sich durch die Anwendung der Erfindung die Möglichkeit ergibt, Ventilinnenteile mit geringeren Bauhöhen als beim Stand der Technik herzustellen. Kleinere Ventilinnenteile sind viel­ seitiger einsetzbar und erhöhen damit die Flexibilität der Fertigung nach dem Baukastenprinzip.

Ein wesentlicher und überraschender Vorteil besteht noch darin, daß nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Ventilin­ nenteile eine gegenüber dem Stand der Technik wesentlich höhere - um mehr als den Faktor 4 - Standzeit haben. Offensichtlich beruht dieser Vorteil darauf, daß das Material durch den Lötvorgang insbesondere in der Lötzone eine gleichmäßige Struktur ohne die beim Schweißen auftretenden Temperaturzonen hinter der Naht erhält. Resonanz- oder Ermüdungsbrüche treten wesentlich sel­ tener auf.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 einen Teilschnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Ventil und

Fig. 2 ein Ventilinnenteil nach der Erfindung.

Das in Fig. 1 dargestellte Ventil 1 umfaßt den teilweise darge­ stellten elektromagnetischen Antrieb 2, von dem im wesentlichen nur der Anker 3 sichtbar ist. An einem flanschartigen Rand 4 des Antriebs 2 ist das Ventilgehäuse 5 befestigt. In die dem Rand 4 zugewandte Stirnseite des Ventilgehäuses 5 ist der Dichtring 6 eingelassen, so daß die Verbindung zum Prozeßraum vakuumdicht ist. Das Ventilgehäuse 5 weist zwei Anschlußstutzen 7 und 8 auf, die über die Öffnung 9 miteinander verbindbar sind. Der obere Rand der Öffnung 9 bildet einen Ventilsitz 11. Dem Ventilsitz 11 und damit der Öffnung 9 ist der Ventilteller 12 mit dem Dichtring 13 zugeordnet. Der Ventilteller 12 ist am unteren Ende des Ventilstempels 14 gehaltert. Das obere Ende des Ventilstempels 14 ist über einen Gewindestutzen 15 in den Anker 3 des Ventilan­ triebs 2 eingeschraubt.

Um den Innenraum des Antriebs 2 vakuumdicht vom Innenraum des Ventilgehäuses 5 zu trennen, ist ein Faltenbalg 16 vorgesehen, der sich zwischen dem Ventilteller 12 und einer Ringscheibe 17 erstreckt. Sowohl der Ventilteller 12 als auch die Ringscheibe 17 weisen Eindrehungen 18 bzw. 19 auf, in die der Balg 16 eingelötet und damit vakuumdicht mit diesen Bauteilen verbunden ist. Der Außenrand der Ringscheibe 17 befindet sich zwischen dem Flansch 4 des Antriebs 2 und der Stirnseite des Ventilgehäuses 5 und erstreckt sich bis in den Bereich des Dichtringes 6, so daß auch in diesem Bereich die Dichtheit gewährleistet ist. Mit 21 ist noch ein Schlauchabschnitt bezeichnet, der dem Faltenbalg 16 von innen anliegt und eine Dämpfung von Balgschwingungen bewirkt.

Fig. 2 zeigt vergrößert ein Ventilinnenteil, bestehend aus Teller 12, Balg 16 und Flansch bzw. Ringscheibe 17. Der Teller 12 ist mit einer Eindrehung 18 mit äußerem Rand ausgerüstet, welcher der untere, sich senkrecht zur Balgachse nach außen erstreckende Balgteilabschnitt auf- bzw. anliegt. Dementsprechend weist der Dichtkragen 17 eine innere Eindrehung 19 mit äußerem Rand auf, in welche sich der obere, sich senkrecht zu Balgachse nach außen erstreckende Balgteilabschnitt erstreckt.

In der dargestellten oder in der auf den Kopf gestellten Position werden die Bauteile 12, 16, 17 miteinander durch Löten im Vakuum verbunden. Dazu wird beim Aufbau der Teile in die dargestellte Lötposition das Lot z. B. in Form von dünnen Ringscheiben oder als Lötpaste zwischen die miteinander zu verbindenden Bereiche eingebracht. Danach werden die Teile - vorzugsweise eine Mehrzahl von zu verlötenden Innenteilen - in einen Vakuumofen eingesetzt. Im Ofen erfolgt der Lötvorgang unter Vakuum und bei erhöhter Temperatur.

Je nach Lot liegt die Ofentemperatur zwischen 600°C und 1130°C. Bei der Verwendung von Silber-Kupfer-Basislot reicht eine zwi­ schen 600°C und 1000°C liegende Temperatur aus. Besonders zweckmäßig sind jedoch die Verwendung von Nickelbasislot und eine Ofentemperatur von etwa 1050°C. Während des Lötens wird im Ofen ein Vakuum mit einem Wert zwischen 10^-2 und 10^-4 mbar aufrecht­ erhalten; vorzugsweise ist er kleiner als 10^-3 mbar. Die Dauer des Lötvorganges beträgt etwa 2 bis 3 Stunden.

Die Abkühlung der gelöteten Teile muß zur Vermeidung von Materi­ al-Strukturveränderungen möglichst schnell erfolgen, d. h., innerhalb weniger Minuten. Dazu hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Abkühlung unter einer Schutzgasatmosphäre im Ofen durchgeführt wird. Dazu wird der Ofen zunächst mit Inertgas, beispielsweise Stickstoff oder Argon, geflutet. Zur Beschleuni­ gung der Abkühlung wird kühles Inertgas ständig - z. B. im Kreis­ lauf - in den Ofen eingelassen und das aufgewärmte Inertgas abgeführt. Nach wenigen Minuten stehen die Innenteile mit einer den hohen Anforderungen in der Hochvakuumtechnik genügenden Reinheit unmittelbar zur weiteren Montage zur Verfügung.

Es hat sich gezeigt, daß ein Federbalg durch das mit dem Löten verbundene zeitweise Aufheizen weicher wird. Dieses ist für den Einsatz in schnellschaltenden Ventilen zunächst günstig. Die Gefahr von unerwünschten Deformationen kann mit Hilfe des in Fig. 1 dargestellten Dämpfungsgliedes 21 vermieden werden, welches dann gleichzeitig eine Stützfunktion hat. Nach einer längeren Bewegung des Faltenbalges während des Normalbetriebes tritt jedoch wieder die ursprüngliche Federsteifigkeit ein.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung eines Ventilinnenteiles für ein Vakuumventil mit Ventilteller (12), Faltenbalg (16) und Dichtkragen (17), dadurch gekennzeichnet, daß die Verbin­ dungen der Stirnseiten des Faltenbalges (16) mit dem Ven­ tilteller (12) bzw. mit dem Dichtkragen (17) durch Löten im Vakuum hergestellt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Löten miteinander zu verbindenden Bauteile (12, 16 bzw. 12, 16, 17) in ihrer Lötposition aufgebaut werden, nachdem Lot in Form von dünnen Ringscheiben oder als Löt­ paste zwischen die miteinander zu verbindenden Bereiche eingebracht wurde, und daß die miteinander zu verbindenden Teile in dieser Position in einen Vakuumofen eingesetzt werden, in dem der Lötvorgang unter Vakuum und bei erhöhter Temperatur durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung der durch Löten miteinander verbundenen Bauteile (12, 16 bzw. 12, 16, 17) im Vakuumofen unter einer Inertgas­ atmosphäre durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vakuumofen nach dem Lötprozeß mit Inertgas geflutet wird und daß danach ständig kühles Intergas zugeführt und das aufge­ wärmte Inertgas abgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Vakuumofen während des Lötprozesses 10^-2 bis 10^-4 mbar, vorzugsweise kleiner als 10^-3 mbar, beträgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur im Vakuumofen während des Lötprozesses zwischen 600°C und 1000°C liegt und daß als Lot Silber-Kupfer-Basislot verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Temperatur im Vakuumofen während des Lötprozesses höher als 1000°C, vorzugsweise 1050°C, ist und daß als Lot Nickelbasislot verwendet wird.

8. Ventil mit einem aus Ventilteller (12), Faltenbalg (16) und Dichtkragen (17) bestehenden Ventilinnenteil, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen zwischen dem Falten­ balg (16) und dem Ventilteller (12) sowie zwischen dem Faltenbalg (16) und dem Dichtkragen (17) im Vakuum bei erhöhter Temperatur hergestellte Lötverbindungen sind und daß der Dichtkragen (17) im wesentlichen die Form einer flachen Ringscheibe hat.

9. Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilteller (12) und der Innenrand der Ringscheibe (17) jeweils mit einer Eindrehung (18, 19) ausgerüstet sind, in die sich die jeweils mit diesen Bauteilen zu verbindenden Stirnseiten des Faltenbalgs (16) zentrierend erstreckt.