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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen
Durchflußregler zur Verwendung in Strömungsmittelrohrleitungen, wie sie
beispielsweise in Halbleiterproduktionsapparaten oder
Kernkraftanlagen vorgesehen werden. Der Durchflußregler nutzt die
federnde Flexibilität einer Membrane zum Öffnen und Schließen
des Strömungskanales.
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Die Membrane ist an ihrem Umfang festgelegt und verschließt
dicht die Ventilkammer und läßt keine Leckverluste an Gas zu.
Diese Ventile werden in großem Umfang verwendet in Leitungen
zur Förderung von hochreinen Gasen in
Halbleiterproduktionsapparaten.
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In den beigefügten Zeichnungen
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ist Fig. 1 die Darstellung eines Mittellängsschnitts des
Strömungsmittelreglers in einer ersten Ausführungsform der
Erfindung;
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ist Fig. 2 die vergrößerte Darstellung eines
Mittellängsschnittes eines wesentlichen Teiles des Strömungsmittelreglers
der ersten Ausführungsform;
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ist Fig. 3 die Darstellung eines Mittellängsschnittes des
Strömungsmittelreglers in einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung;
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ist Fig. 4 die vergrößerte Darstellung eines
Mittellängsschnittes eines wesentlichen Teiles des Strömungsmittelreglers
der zweiten Ausführungsform;
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ist Fig. 5 als Mittellängsschnittdarstellung ein üblicher
Strömungsmittel regler;
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ist Fig. 6 als Mittellängsschnittdarstellung ein anderer
üblicher Strömungsmittelregler.
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Übliche Ventile der vorausgesetzten Art sind in den Figuren 5
und 6 dargestellt.
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Demzufolge weist ein bekannter Strömungsmittelregler gemäß
Fig. 5 einen Grundkörper 20, eine Membrane 21, eine Abdeckung
oder Abdeckhaube 22, eine Abdeckhaubenmutter 23, eine Scheibe
24, ein Membrandruckmittel 25, einen Stössel 26 und einen
Handgriff 27 auf. Wird der Stössel 26 nach unten verstellt, so
wird die Membrane 21 in ihrem zentralen Bereich von der
Scheibe 24 und dem Druckmittel 25 nach unten gebogen, bis sie auf
dem Ventilsitz 28 aufliegt. Wird der Stössel 26 nach oben ver
stellt, so wird die Membrane 21 von ihrer Eigenelastizität und
dem Druck des Fluids bzw. Strömungsmittels veranlaßt, sich vom
Ventilsitz 28 zu entfernen.
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Gemäß Fig. 6 weist der Strömungsmittel- bzw. Fluidregler
einen Grundkörper 20, eine Scheibe 24, eine Feder 29, eine
Membrane 21, eine haubenförmige Abdeckung 22, eine
Abdeckmutter 23, ein Membranandrückmittel 25, einen Stössel 26 und
einen Handgriff 27 auf. Wird der Stössel 26 nach unten
verstellt, so wird die Membrane 21 in ihrem zentralen Bereich
durch das Andrückmittel 25 nach unten verstellt, um die
Scheibe 24 nach unten zu verstellen, bis ein Dichtungspaket 30 der
Scheibe 24 zur Anlage an einem Ventilsitz 28 gebracht wird.
Wird der Stössel 26 nach oben verstellt, so wird die Scheibe
24 von der Federkraft der Feder 29 nach oben verstellt und vom
Ventilsitz 28 abgehoben.
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Die vorbeschriebenen Fluidregler bewähren sich im praktischen
Betrieb sehr gut, indem sie vollständig ohne Leckverluste aus
der Ventilkammer sind, d.h. der Kammer oberhalb der
Einlaßund der Auslaßöffnung.
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Indem bei diesen Fluidreglern der Stzssel 26 mittels eines
Gewindes verstellbar ist, ist nur eine begrenzte Bewegung des
Stössels 26 nach unten zulässig, um die Membrane 21 oder die
Scheibe 24 in Kontakt mit dem Ventilsitz 28 zu bringen. Wird
der Stössel 26 weitergedreht, nachdem das Ventil in seine
Schließstellung gebracht worden ist, so mag der Stössel über
den vorgenannten Grenzwert hinaus, d.h. mehr als zum Schließen
des Ventils notwendig nach unten verstellt werden, so daß die
fest zwischen dem Ventilsitz 28 und dem Membranandrückmittel
25 oder der Scheibe 24 gehaltene Membrane 21, die ja oft sehr
dünn ist, so verformt werden kann, daß die Lebensdauer der
Membrane stark verkürzt werden kann oder die Membrane sogar
vorzeitig bricht. In der AU-A-43 696 ist ein Ventil dieser Art
beschrieben, wobei Anschlagmittel zwischen dem Stössel und
einer festen Struktur des Ventils wirken, die so zusammenwirken,
daß eine weitere Bewegung des Stössels in der Richtung zum
Schließen des Ventils nach dem Schließen des Ventils durch die
Membrane verhindert wird.
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Wird der Stössel nach unten verstellt, so wird die Membrane
veranlaßt, sich im zentralen Teil nach unten durchzubiegen, um
direkt in Anlage am Ventilsitz zu kommen oder die Membrane
dient dazu, die Scheibe nach unten zu verstellen, um diese in
Kontakt mit dem Ventilsitz zu bringen. Hierdurch wird der
Fluid- bzw. Durchflußregler in seine Schließstellung gebracht.
Anschläge verhindern zu große Bewegungen in der Richtung der
Schließbewegung.
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Wird der Stössel angehoben, so wird die Membrane zu einer
Durchbiegung nach oben veranlaßt, wozu ihre Eigenfederung oder
der Fluiddruck Ursache sein können und was zu einer Freigabe
des Ventilsitzes führt, oder es wird die Scheibe von der Kraft
der in sich federhden Membrane veranlaßt, sich nach oben zu
bewegen, bis sie vom Ventilsitz freigekommen ist. Auf diese
Weise wird der Fluid- bzw. Durchflußregler in seine
Öffnungsstellung gebracht.
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Desweiteren ist ein Ventil gemäß der Erfindung zur Absorption
eines exzessiven Anlagedruckes dadurch gekennzeichnet, daß die
Membrane aus einem Metallblatt hergestellt ist, während ein
Ventilsitz und/oder ein Membranandrückmittel aus Kunstharz
hergestellt ist bzw. sind.
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Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung werden
nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 4 der Zeichnungen
beschrieben.
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In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform eines Fluidreglers
gemäß der vorliegenden Erfindung als Mittellängsschnitt
dargestellt. Bei dieser ersten Ausführungsform ist vorgesehen, daß
eine Membrane 2 im direkten Zusammenwirken mit einem
Ventilsitz
13 in Anlage am Ventilsitz oder zum Abheben vom
Ventilsitz gebracht wird, um die Öffnungs- oder die Schließstellung
des Ventils zu bewirken. Das Bezugszeichen 1 kennzeichnet den
Ventilkörper, 2 kennzeichnet eine Membrane, 3 einen
Anschlagmechanismus, 4 eine Abdeckung oder Abdeckhaube, 5 eine
Haubenmutter, 6 eine Scheibe, 7 ein Membranandrückmittel, 8 einen
Stössel und 9 einen Handgriff.
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Der Ventilkörper 1 besteht aus einem metallischen Material,
wie rostfreiem Stahl und hat die Grundform eines Kreuzes mit
Fluideinlaß- und -Auslaßöffnungen 10,11 an einander
gegenüberliegenden Enden des Kreuzquerbalkens sowie einer eingesenkten
inneren Ventilkammer 12, die nach oben offen am oberen Ende
des Ventilkörpers 1 angeordnet ist und mit der Einlaßöffnung
bzw. der -Auslaßöffnung 10,11 verbunden ist. Der genannten
Ventilkammer 12 ist ein Ventilsitz 13 aus synthetischem Harz
zugeordnet und im wesentlichen im Kammerboden angeordnet. Die
Ventilkammer 12 ist mit einem Stufenabschnitt 14 versehen, der
im inneren und unteren Bereich der Wand der Kammer 12
ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform ist der Ventilsitz aus
synthetischem Harz als separates Bauteil dem Ventilkörper 1
zugeordnet, er kann jedoch auch einstückig mit dem
Ventilkörper 1 ausgebildet sein.
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Die Membrane 2 ist oberhalb des Ventilsitzes 13 angeordnet.
Sie bewirkt einen luftdichten Abschluß der Ventilkammer und
sie weist einen Zentralbereichh auf, der gegenüber dem
Randbereich so vertikal verstellbar ist, um von dem Ventilsitz 13
abgehoben oder diesem angenähert zu werden, bis er auf dem
Ventilsitz in seiner einen Endstellung aufliegt. Beim
Ausführungsbeispiel ist die Membrane aus einem Metallblech,
beispielsweise rostfreiem Stahl, wie INCONEL (Handelsmarke) oder
einer Memory-Legierung in Tassenform hergestellt, wobei das
Mittelteil hochsteht, während die Umfangskante auf dem
Stufenabschnitt 14 aufliegt, der auf der Innenseite der Ventilkammer
ausgebildet ist, so daß der Rand zwischen dem unteren Ende der
Haube und dem Stufenabschnitt eingespannt ist, wenn die Haube
in die Ventilkammer 12 eingesetzt worden ist.
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Die Haube 4 von im wesentlichen zylindrischer Form ist derart
in die Ventilkammer 12 eingesetzt, daß sie von der
Haubenmutter 5 dicht an den Ventilkörper 1 angelegt ist. Die Haube 4
hat am unteren Ende einen größer im Durchmesser
dimensionierten inneren Endkammerabschnitt.
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Die Scheibe 6 ist am unteren Ende der Haube 4 deren Innenwand
derart zugeordnet, daß sie in vertikaler Richtung verstellbar
ist, und sie nimmt am unteren Ende ein Membrandruckstück 7 aus
synthetischem Harz auf, und sie druckt schließlich mit dem
Membrandruckstück 7 auf den zentralen Teil der Membrane 2.
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Der Stössel 8 ist mit einem Außengewinde versehen und arbeitet
mit diesem Außengewinde mit einem Innengewinde der Haube 4
zusammen, so daß er vertikal höhenverstellbar in der Haube 4
gelagert ist und sein unteres Ende in Kontakt mit der Scheibe 6
gebracht werden kann und der Stössel 8 die Scheibe 6 nach
unten verstellen und in Kontakt mit dem zentralen Teil der
Membrane 2 bringen kann und dieser veranlaßt werden kann, auf dem
Ventilsitz 13 mittels des Membrandruckstückes 7 zur Anlage zu
kommen. Der Handgriff 9 zur Betätigung des Stössels 8 ist
drehfest dem oberen Ende des Stössels 8 zugeordnet, um diesen
durch Drehen vertikal verstellen zu können.
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Der Anschlagmechanismus 3 ist zwischen einem Teil des
Ventilkörpers 1 nahe der Umfangskante der Membrane 2 und dem unteren
Ende des Stösseis 8 angeordnet, so daß er in der Lage ist, die
Bewegung des Stösseis 8 zu begrenzen, wenn der Fluidregler
vollständig geschlossen ist (was bedeutet, wenn der zentrale
Bereich der Membrane 2 auf dem Ventilsitz 13 dichtend
aufliegt).
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Bei der besprochenen Ausführungsform schließt der
Anschlagmechänismus, der demzufolge ein Wegbegrenzer ist, eine
ringförmige Stufe 15 zwischen der Oberseite der Umfangskante der
Membrane und dem unteren Ende der Abdeckhaube 4 sowie einen Rand
16 ein, der einstückig mit der Außenumfangsfläche des unteren
Endes der Abdeckhaube 4 ausgebildet ist und sich innerhalb der
Abdeckhaube an deren unterem Ende befindet, um mit der
Oberseite der Stufe 15 zusammenwirken zu können. Der
Innendurchmesser der Stufe 15 ist etwas kleiner als der der inneren
Umfangsfläche des unteren Endes der Abdeckhaube 4 gewählt und
ein Abstand zwischen der Stufe 15 und dem Rand 16 ist so
bestimmt, daß die Stufe 15 mit dem Rand 16 dann in Berührung
kommt, wenn die Membrane 2 durch die sich nach unten bewegende
Scheibe 6 nach unten durchgebogen und zur Anlage am Ventilsitz
13 gebracht worden ist.
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Nachfolgend wird die Arbeitsweise dieses Fluidreglers
beschrieben.
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Um den Fluidregler in die Schließstellung zu bringen, wird der
Stössel 8 durch Drehen des Handgriffs 9 nach unten verstellt.
Danach werden die Scheibe 6 und das Membranandrückmittel 7
nach unten verstellt, um entsprechend auf den zentralen Teil
der Membrane 2 einzuwirken, worauf die Membrane 2 unter Aufbau
einer Rückfederkraft so verformt wird, wie es aus Fig. 2 zu
ersehen ist, um auf dem Ventilsitz 13 aufzuliegen, womit die
Schließstellung des Fluidreglers erreicht ist. Der
dargestellte Fluidregler ist so ausgebildet, daß die nach unten
gerichtete Verstellbewegung des Stössels 8 durch den Kontakt
zwischen der Oberseite der Stufe 15 und dem Anschlagring 16 der
Scheibe 6, beendet wird, wenn die Membrane 2 in Kontakt mit
dem Ventilsitz 12 gebracht worden ist. Hierdurch wird eine
unerwünscht große Abdichtkraft an der Ausbildung behindert und
es wird verhindert, daß die Membrane 12 durch eine
ungewöhnlich hohe Schließkraft beschädigt oder gar zerstört wird.
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Um den Fluidregler in seine Öffnungsstellung zurückzustellen,
wird der Stössel 8 durch entsprechendes Drehen des Handgriffes
9 nach oben verstellt. Danach federt die Membrane 2 in ihre
Ausgangsform zurück, was durch die vorher in ihr aufgebaute
federnde Rückstellkraft bewirkt und von dem Fluiddruck
unterstützt wird. Die Membrane folgt dabei der nach oben
gerichteten Bewegung der Scheibe 6 und des Membranandrückmittels 7 und
hebt vom Ventilsitz 13 ab, so daß der Fluidregler in seine
Öffnungsstellung kommt.
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In Fig. 3 ist ein Fluidregler gemäß einer zweiten
Ausführungsform der Erfindung als Mittellängsschnitt dargestellt. Bei
diesem Fluidregler ist das Membranandrückmittel 7 nach oben
verstellbar oberhalb der Membrane 2 angebracht, und eine Feder
17 ist zwischen der Scheibe 6 und dem Ventilkörper 1
angeordnet. Wird die Membrane 2 in ihrem zentralen Bereich mittels
des Membranandrückmittels 7 nach unten gedrückt, so wird die
Scheibe 7 nach unten verstellt, um ein Zusammenwirken des
Ventilsitzes 13 mit einer Scheibenpackung 18 zu ermöglichen, die
der Scheibe 6 zugeordnet ist.
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Läßt der Druck nach, so veranlaßt die Federkraft der Feder 17
die Scheibe 6 zu einer Bewegung nach oben, um es der
Scheibenpackung 18 zu ermöglichen, vom Ventilsitz 13 abzuheben.
Darüber hinaus ist der Anschlagmechanismus 3 zwischen einem Teil
des Reglerkörpers 1 nahe der Umfangskante der Membrane 2 und
dem unteren Ende des Stössels 8 vorgesehen, um die Bewegung
des Stössels 8 nach unten zu begrenzen, wenn der Fluidregler
vollständig geschlossen ist (d.h. wenn die Scheibenpackung 18
am Ventilsitz 13 in Anlage gekommen ist). Im übrigen gleicht
diese Ausführungsform im wesentlichen der ersten
Ausführungsform. Entsprechend ist in Fig. 3 mit dem Bezugszeichen 1 ein
Reglerkörper, mit 4 eine Abdeckhaube, mit 5 eine
Abdeckhaubenmutter, mit 8 ein Stössel, mit 9 ein Handgriff, mit 10 eine
Fluideinlaßöffnung, mit 11 eine Fluidauslaßöffnung, mit 12
eine Ventilkammer und mit 14 ein Stufenabschnitt bezeichnet.
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Der Anschlagmechanismus 3 schließt eine ringförmige Stufe 15
in der Anordnung zwischen der Oberseite der Umfangskante der
Membrane 2 und der Unterseite der Abdeckhaube 4 ein sowie eine
scheibenförmige Membranandrückplatte 19 in der Anordnung
zwischen dem Membranandrückmittel 7 und dem Stössel 8, der die
Aufgabe zugewiesen ist, an der Oberseite der Stufe 15 zur
Anlage zu kommen. Der Innendurchmesser der Stufe 15 ist etwas
kleiner gehalten als der des unteren Endes der Abdeckhaube 4
und zwischen der Stufe 15 und der Membranandrückplatte 19 ist
ein Abstand derart bestimmt, daß die Stufe 15 und die
Membranandrückplatte 19 zum Zusammenwirken miteinander gebracht
werden, wenn die Scheibenpackung 18 infolge der nach unten
gerichteten Bewegung des Membranandrückmittels 7 und der Scheibe
6 in Berührung mit dem Ventilsitz 13 kommt.
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Um den Fluidregler in seine Schließstellung zu bringen, wird
der Stössel 8 durch Drehen des Handgriffes 9 nach unten
verstellt. Danach bewirken die Membranandrückplatte 19 und das
Membranandrückmittel 7, daß der zentrale Teil der Membrane 2
ebenso wie die Scheibe 6 entgegen der Federkraft der Feder 17
nach unten verstellt werden, bis die der Scheibe 6 zugeordnete
Scheibenpackung 18 zum Zusammenwirken mit dem Ventilsitz 13
kommt, womit der Fluidregler seine Schließstellung erreicht
hat. Ferner wirkt, wenn sich der Fluidregler in seiner
Schließstellung befindet (vergl. Fig. 4), die
Membranandrückplatte 19 mit der Stufe 15 derart unmittelbar zusammen, daß
die nach unten gerichtete Bewegung des Stössels 8 beendet
wird. Dadurch wird ein ungewollt hoher Andrückdruck vermieden,
wodurch vermieden wird, daß die Membrane 2 durch einen solchen
überhohten Andrückdruck beschädigt oder gar zerstört wird.
Soll der Fluidregler in seine offene Stellung gebracht werden,
so wird durch Einwirken auf den Handgriff 9 der Stössel 8 nach
oben verstellt. Dabei wird auch die Scheibe 6 nach oben
verstellt, was durch die Federkraft der sich entspannenden Feder
17 und den Fluiddruck bewirkt wird, so daß die Packung 18 vom
Ventilsitz 13 abgehoben wird, was zu der Öffnungsstellung des
Reglers führt.
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Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich nun, daß der
Fluidregler gemäß der vorliegenden Erfindung sich durch einen
Anschlagmechanismus zwischen dem Reglergehäuse nahe dem
Außenumfang der Membrane und dem unteren Ende des Stössels
auszeichnet, der die nach unten gerichtete Bewegung des Stössels
begrenzt, wenn der Regler völlig seine Schließstellung
erreicht hat; demzufolge werden, obwohl der Stössel mittels
eines Verstellgewindes verstellt wird, zu hohe Schließkräfte
in der Schließstellung des Reglers zuverlässig vermieden.
Demzufolge
wird es zuverlässig vermieden, daß die Membrane durch
zu hohe Schließdrücke beschädigt oder gar zerstört wird.
Dadurch wird mit der Erfindung die Lebensdauer der Membrane
deutlich erhöht gegenüber bekannten Lösungen.