DE9215962U1

DE9215962U1 - Betätigungsvorrichtung für mindestens ein Vakuumventil, und Vakuumventil

Info

Publication number: DE9215962U1
Application number: DE9215962U
Authority: DE
Original assignee: Balzers AG
Current assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Priority date: 1992-11-18
Filing date: 1992-11-24
Publication date: 1993-04-01
Anticipated expiration: 2002-11-25

Description

Betätigungsvorrichtung für mindestens ein Vakuumventil , und ~ Vakuumventil

Fernbedienbare Vakuumventile, darunter auch Hochvakuum- oder Ultrahoch-Vakuumventile zu verstehen, sind, z.B. aus der CH-PS-653 103, mittels einer pneumatischen Betätigungsvorrichtung ansteuerbar, bekannt. Ebenso ist es bekannt, für die Ansteuerung derartiger Ventile elektromotorische Betätigungsvorrichtungen vorzusehen oder, wie beispielsweise aus der DE-PS-37 04 504 oder der EP-A-O 173 115 bzw. der EP-A-O 219 572 bekannt, elektromagnetische Betätigungsvorrichtungen .

Für grössere Nennweiten der zu betreibenden Vakuumventile eignen sich elektromagnetische Betätigungsvorrichtungen wenig. Der über die Nennweiten zunehmende Ventilhub lässt den ziehenden Elektromagneten überproportional gross werden, ist doch die Hubarbeit durch das Integral der Magnetkraft über den Magnethub gegeben. Zudem werden solche Betätigungsvorrichtungen meist mittels einfacher Hubmagnete ausgebildet, welche eine mechanische Schliessfeder für das Vakuumventil vorspannen und im weiteren damit auch für 100% Einschaltdauer (ED) fest sein müssen. Elektromagnetische Betätigungsvorrichtungen zeigen weiter starke Geräuschbildung auf und führen in den Schaltvorgängen zu ausgesprochenem Einschwingen, hervorgerufen durch die hohen Massenbeschleunigungen, ihre Endbegrenzungen und ihre unkontrollierte Dämpfung.

Wegen der bei elektromagnetischen Betätigungsvorrich-

tungen gespeicherten magnetischen Energie wird weiter die Abfallzeit und damit die Schliesszeit an mit solchen Betätigungsvorrichtungen betriebenen Ventilen relativ lang, was insbesondere bei hohen Sicherheitsforderungen an das damit betätigte Vakuumventil, z.B. bei Stromausfall, nachteilig ist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Betätigungsvorrichtung für Vakuumventile vorzuschlagen, welche diese Nachteile behebt und eine Realisierung mit hoher Wirtschaftlichkeit ermöglicht.

Zu diesem Zweck zeichnet sich die erfindungsgemässe Betätigungsvorrichtung nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 aus.

Entgegen dem in der Vakuumfachwelt herrschenden Vorurteil wird mithin grundsätzlich vorgeschlagen, ein Vakuumventil hydraulisch zu betätigen. Dadurch wird erreicht, dass die Betätigungsvorrichtung weitgehend lärmfrei wird und aufgrund der Hydrauliksystemen inhärenten, konstruktiv beherrschbaren Trägheit schwingungsarm, was wiederum eine hohe Lebensdauer für die damit betriebenen Vakuumventile ergibt, insbesondere mit Blick auf die üblicherweise als sekundäre Dichtelemente vorgesehenen metallischen Wellenbälge in Vakuumanwendungen, auf welche sich höherfrequente Einschwingvorgänge Lebensdauer-beeinträchtigend auswirken.

Wegen der Inkompressibilität von Hydraulikmedium kann weiter mit der erfindungsgemässen Betätigungsvorrichtung ein Vakuumventil stationär in den Stellpositio-

nen energieoptimal betrieben werden. Damit kann der Energieverbrauch gesenkt werden, und die sich beispielsweise bei Elektromagnetantrieb störend auswirkende Erwärmung fällt weitestgehend weg.

Bevorzugte AusführungsVarianten der erfindungsgemässen Betätigungsvorrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 11 spezifiziert, ein erfindungsgemässes Vakuumventil mit einer solchen Betätigungsvorrichtung in Anspruch 12.

Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch, eine erfindungsgemässe Betätigungsvorrichtung an einem erfindungsgemässen Vakuumventil,

Fig. 2 schematisch, eine erste AusführungsVariante einer erfindungsgemässen Betätigungsvorrichtung,

Fig. 3 eine bevorzugte, zweite Ausführungsvariante der erfindungsgemässen Betätigungsvorrichtung,

Fig. 4 schematisch, ein erfindungsgemässes Vakuumventil.

Gemäss Fig. 1, worin die erfindungsgemässe Betätigungsvorrichtung an einem erfindungsgemässen Ventil

strichpunktiert umrandet ist, weist die Betätigungsvorrichtung ein hydraulisch betätigtes Antriebsorgan, bevorzugterweise einen Hydraulikkolben 1 auf, in einem Hydraulikzylinder 3 betrieben. Die Hydraulik-Zylinder-/Kolbenanordnung 5 ist einweggetrieben und ist über ein steuerbares Ventil 7, vorzugsweise ein elektrisch steuerbares Ventil, mit einer Druckmediumquelle 9 verbunden. Am dargestellten Beispiel ist das elektrisch gesteuerte Ventil 7 ein Zweiwegventil, woran entweder der Pfad AB freigegeben wird oder der Pfad AC oder keiner der Pfade. Der Kolben 1 wirkt auf den Ventilteller 11 eines Vakuumventils, das beispielsweise den Anschluss 13 an eine Vakuumpumpe mit dem Inneren eines Vakuumrezipienten 15 steuert. Wie schematisch dargestellt, ist dabei die Betätigungsvorrichtung über einen Metallwellenbalg 17 gegen die Atmosphäre in der Vakuumkammer 15 abgedichtet.

Diese Anordnung arbeitet wie folgt:

Durch Ansteuerung des Ventils 7 zur Freigabe des Pfades AC wird der Kolben 1 einseitig druckmediumbeschickt und in Richtung 'O¹ getrieben. Dies gegen die Kraft einer Schliessfeder 19. Dadurch wird das Vakuumventil geöffnet. Hat der Ventilteller 11 die geöffnete Endposition erreicht, so wird das Steuerventil 7 gesperrt, womit der Kolben in der eingenommenen Position verharrt.

Zum Schliessen des Vakuumventils wird das Steuerventil 7 so angesteuert, dass der Pfad AB freigegeben wird, der Mediumsdruck im Zylinder 3 fällt ab, die Schliessfeder 19 treibt den Kolben 1 und damit Ven-

tilteller 11 gemäss Pfeil S in geschlossene Stellung. Bevorzugterweise wird das steuerventil 7, wie erwähnt, als elektrisch angesteuertes Ventil ausgebildet, und zwar so, dass bei Stromausfall der Pfad AB freigegeben wird und mithin das Vakuumventil schliesst. Das Schliessverhalten, unter Vermeidung von transientem Einschwingen bzw. Prellen, wird durch die Oeffnungscharakteristik des Pfades AB am Ventil 7 sowie entsprechende Bemessungen der Hydraulikleitungen am Pfad AB und gegebenenfalls der Schliessfeder 19 optimiert. Im geöffneten Zustand ist lediglich das Ventil 7 sperrend angesteuert, was nur ein Minimum an Energie erfordert. Bei geschlossenem Vakuumventil ist das Steuerventil 7, wie erwähnt, stromlos.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemässen Betätigungsvorrichtung dargestellt. Bereits anhand von Fig. 1 beschriebene Teile sind mit den gleichen Positionsziffern versehen. Die Hydraulik-Zylinder-/Kolbenanordnung 5 ist einseitig mit einem in sich geschlossenen Hydraulikkreis 21 verbunden. Dieser umfasst eine Hydraulikpumpe 23, welche in mit dem Pfeil M angegebener Richtung fördert. Druckseitig der Pumpe 23, vorzugsweise daran integriert, ist ein Rückschlagventil 25 vorgesehen, dann folgt die Verbindung 27 zur Zylinder-/Kolbenanordnung 5, weiter das dem Ventil 7 entsprechende elektromagnetische Steuerventil 29 und schliesslich ein Druckmediumsbehälter 31, über welchen der Kreis 21 geschlossen ist. Mit dem Steuerventil 29 wird der Pfad AB durchgeschaltet oder unterbrochen. Wie die Positionen des Kolbens 1 den Positionen des Vakuumventils in bevorzugter Art und Weise entsprechen, ist

auch in Fig. 2 mit den Pfeilen ¹O' bzw. ¹S¹ dargestellt. Demnach wird der Kolben 1 zum Oeffnen des Vakuumventils dadurch betätigt, dass am Steuerventil 29 der Pfad AB unterbrochen wird, so dass die Pumpe 23 über Rückschlagventil 25 einseitig den Kolben 1 druckbeaufschlagt. Hat der Kolben 1, in Richtung 0, die vorgesehene Endposition erreicht oder eine vorgesehene Zwischenposition, so wird die Pumpe 23 stillgesetzt; Rückschlagventil 25 und unterbrochener Pfad AB am Ventil 29 sichern das Einhalten der Kolbenposition.

Vorzugsweise zum Schliessen des Vakuumventils wird am Steuerventil 29 der Pfad AB freigegeben, womit sich der Mediumsdruck im Zylinder 3 über Ventil 29, Behälter 31 entspannen kann und die Schliessfeder 19 den Kolben 1 und damit das Vakuumventil in Oeffnungsposition treibt.

Bevorzugterweise ist das Ventil 29 so ausgebildet, dass der Pfad AB in stromlosem Zustand durchgeschaltet ist, so dass, bei Stromausfall, das Vakuumventil geschlossen wird. Als Hydraulikpumpe 23 wird bevorzugterweise eine dreh-elektromotorfreie Kolbenpumpe mit Schwingmagnetantrieb und integriertem Rückschlagventil eingesetzt oder eine sogenannte Membranpumpe. Solche Pumpen werden für Haushaltgeräte in grossen Zahlen äusserst preisgünstig angeboten.

In Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Betätigungsvorrichtung schematisch dargestellt. Grundsätzlich wird hierbei im Hydraulikzylinder 3 das im einen Zylindervolumen V verdräng-

&Dgr; el

te Volumen zur Druckbeaufschlagung des zweiten Zylindervolumens V eingesetzt. Hierzu sind die beiden

3b
genannten Zylindervolumina über die Pumpe 23 und das Rückschlagventil 25 verbunden. Das elektromagnetische Steuerventil 29 ist ebenfalls in einer Verbindung der beiden Volumina V und V vorgesehen. Zum Oeffnen

3a 3b
in Richtung ¹O¹ des Vakuumventils mit dem Teller 11

wird, mit der Pumpe 23, das Volumen V mit Hydrau-

3b
likmedium druckbeaufschlagt, das dem Volumen V ent-

3a
nommen wird. Bei Erreichen der Oeffnungsposition wird Pumpe 23 stillgesetzt; ein Rückfliessen des Hydraulikmediums aus dem Volumen V wird durch das Rück-

3b

schlagventil 25 verhindert. Dabei ist das Steuerventil 29 unter Strom, wie dargestellt, gesperrt.

Zum Schliessen des Vakuumventils mit dem Teller 11 oder bei Stromausfall am Steuerventil 29 wird an letzterem die Verbindung der beiden Volumina durchgeschaltet, womit über den Steuerventilkreis Druckausgleich des Mediums in den Volumina V und V er-

3a 3b
folgt. Die Feder 19 drückt dabei den Kolben 1 und entsprechend Ventilteller 11 in geschlossene Position.

Diese Ausbildung des Hydrauliktriebes hat den wesentlichen Vorteil, dass sie optimal platzsparend ist und optimal der Forderung nachkommt, die Betätigungsvorrichtung lageunabhängig einsetzen zu können. Es wird bei dieser Ausbildungsvariante auch das allgemein bekannte Problem der Leckage am Hydraulikkolben 1 gelöst. Leckagemedium bleibt im Hydraulikkreis erhalten.

Im weiteren ist an der in Fig. 3 dargestellten Anordnung ein Positionssensor 31 vorgesehen, welcher mindestens an vorgegebenen Positionen &khgr; des Kolbens 1 bzw. des Ventiltellers 11, insbesondere den Endpositionen entsprechend, ein elektrisches Signal s(x) abgibt. Dieses Signal wird grundsätzlich mit einem den erwähnten Positionen entsprechenden einstellbaren SOLL-Wertsignal W an einer Vergleichseinheit 32 verglichen, und je nach Vorzeichen der resultierenden Differenz &Dgr; wird entweder die Pumpe 23 angesteuert oder das Steuerventil 29: Muss der Kolben 1 zur Einnahme seiner SOLL-Position in Oeffnungsrichtung ¹O¹ getrieben werden, so wird die Pumpe 23 aktiviert, andernfalls, kurzzeitig, das Steuerventil 29 durchgeschaltet. Insbesondere kann so sichergestellt werden, dass auch bei Leckage am Kolben 1 die geöffnete SOLL-Position immer wieder nachgestellt wird.

In Fig. 4 ist schematisch und im Längsschnitt eine bevorzugte Ausführungsvariante eines erfindungsgemässen Vakuumventils mit erfindungsgemässer Betätigungsvorrichtung dargestellt. Das Ventil und die Betätigungsvorrichtung sind als ein Bauteil aufgebaut mit integrierter Pumpe 23, Steuerventil 29 und Kolben-/ Zylinderanordnung 1, 3. Die vorgesehenen Hydraulikkreise zu der Kolben-/Zylinderanordnung 1, 3 sind, wie in Fig. 3 schematisch dargestellt, geführt. Der Positionsfühler 31 von Fig. 3 ist durch einen gefederten Taster realisiert, welcher entlang der Kolbenstange la des Kolbens 1 gleitet, worin eine Einnehmung so eingearbeitet ist, dass deren Enden am Taster 31 den erwünschten Endpositionen des Ventiltellers 11 entsprechen.

Für die synchrone Betätigung mehrerer Vakuumventile und/oder für grosse Vakuumventile können einer Pumpe 23 eine oder mehrere zusätzliche Pumpen parallel geschaltet werden, wie als Beispiel in Fig. 2 gestrichelt dargestellt. Damit können mit ein und derselben Betätigungsvorrichtung, flexibel baukastenartig, verschiedene Vakuumventile und verschiedene Anzahlen derartiger Vakuumventile betätigt werden.

Bei der Ausführung gemäss Fig. 2 ist es auch durchaus möglich, die Pumpe 23 nicht nur zum Oeffnen des Ventils in Betrieb zu nehmen, sondern permanent in Betrieb gesetzt zu behalten und bei unterbrochenem Pfad AB am Ventil 29 die Pumpe 23 gegen den Druck der Feder 19 arbeiten zu lassen. Dies kann dann vorteilhaft sein, wenn An- und Abschalten der Pumpe 23 deren Lebensdauer mehr beeinträchtigt als ihre dauernde Belastung.

Claims

Schutzansprüche

1. Betätigungsvorrichtung für mindestens ein Vakuumventil, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein mittels mindestens eines Steuerventils (7, 29) gesteuertes, hydraulisches Antriebselement (1) umfasst, als Antriebselement für das Vakuumventil.

2. Betätigungsvorrichtung, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement ein Hydraulikkolben (1) in einem Hydraulikzylinder (3) ist, vorzugsweise gegen die Kraft eines Federelementes (19) arbeitend, und weiter, vorzugsweise, das Steuerventil (7) ein elektrisch betriebenes Steuerventil ist, wie ein Elektromagnetventil (29).

3. Betätigungsvorrichtung, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass

das Antriebselement ein mindestens einseitig hydraulisch betriebener Hydraulikkolben (1) in einem Hydraulikzylinder (3) ist,

der Hydraulikzylinder (3) an eine Abzweigung (27) eines geschlossenen Hydraulikkreises (21) angeschlossen ist, woran in Serie

eine Hydraulikpumpe (23) ,

ein Hydraulikmediumbehälter (31),

ein Rückschlagventil (25) und
das Steuerventil (29)
vorgesehen sind.

4. Betätigungsvorrichtung, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement ein hydraulisch betriebener Kolben (1) in einem Zylinder (3) ist und die Räume (V ) des Zylinders (3) beidseits des Kolbens (1) über mindestens eine Pumpe (23) verbunden sind.

5. Betätigungsvorrichtung, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement ein hydraulisch betriebener Kolben (1) in einem Zylinder (3) ist und die Räume (V ) des Zylinders (3) beidseits des Kolbens (1) über ein vorzugsweise elektrisch betriebenes Steuerventil (29) verbunden sind.

6. Betätigungsvorrichtung, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (7, 29) ein elektrisch betätigtes Ventil (29) ist und, stromlos, die Entspannung des Mediumsdruckes am hydraulischen Antriebselement freigibt.

7. Betätigungsvorrichtung, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine elek-

trodrehmotorfreie Kolbenpumpe mit Schwingmagnetantrieb als Hydraulikpumpe vorgesehen ist.

8. Betätigungsvorrichtung, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine permanent betriebene oder nur zur Druckbeaufschlagung des Hydraulikzylinders (3) betriebene Hydraulikpumpe vorgesehen ist.

9. Betätigungsvorrichtung, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Hydraulikpumpen parallel geschaltet vorgesehen sind und/oder dass mindestens zwei Hydraulik-Zylinder-/Kolbenanordnungen (5) vorgesehen sind an einem gemeinsamen Hydraulikkreis.

10. Betätigungsvorrichtung, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Antriebselement und ein in sich geschlossenes Hydraulikkreissystem in einem Bauelement vereint sind.

11. Betätigungsvorrichtung, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass am Antriebselement mindestens ein Positionsfühler vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal auf eine Hydraulikpumpe für das Antriebselement rückwirkt.

12. Vakuumventil mit einer Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn-

zeichnet, dass das Steuerventil, im stromlosen Zustand, über das hydraulische Antriebselement, das Vakuumventil zum Schliessen, vorzugsweise federgetrieben, freigibt.