Ventileinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung, mit einer Ventileinheit, die eine Ventilkammer aufweist, in der ein Ventilglied mittels eines Stellantriebs zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung, in der das Ventilglied zum fluiddichten Verschließen des Durchgangs durch die Ventilkammer mit Anpresskraft an einem Ventilsitz zur Anlage kommt und korrespondierende Dichtflächen an Ventilglied und Ventilsitz aneinandergedrückt werden, bewegbar ist, und mit einer mit dem Stellantrieb gekoppelten Steuereinrichtung zur Steuerung der Anpresskraft .

Aus der DE 10 2005 031 411 Al ist eine Ventileinrichtung der eingangs erwähnten Art bekannt, die ein Ventil aufweist, das sich in einem Durchgangskanal zwischen zwei Vakuumkammern befindet. Das Ventil ist als Schieberventil ausgebildet, wobei ein Ventilschieber in seiner Schließstellung den Durchgang durch den Durchgangskanal fluiddicht absperrt. Am Ventilschieber befindet sich eine Dichtung, die beim Schließen mit Anpresskraft auf einen Ventilsitz gedrückt wird. Die Anpresskraft, die erforderlich ist, um eine Dichtwirkung zu erzie- len, hängt maßgeblich vom Differenzdruck zwischen den beiden Vakuumkammern ab. Bei einem kleineren Differenzdruck ist eine kleinere Anpresskraft erforderlich, um die gewünschte Dichtwirkung zu erzielen, während bei einem größeren Differenzdruck demgemäss eine größerer Anpresskraft notwendig ist. Es

ist jeder Vakuumkammer ein Drucksensor zugeordnet, sodass der Differenzdruck zwischen den beiden Vakuumkammern ermittelt werden kann. über eine Steuereinheit, die mit dem Stellantrieb gekoppelt ist, lässt sich dann die Anpresskraft in Ab- 5 hängigkeit vom ermittelten Differenzdruck steuern. Konkret bedeutet dies, dass die Schließposition des Ventilschiebers in Abhängigkeit vom ermittelten Differenzdruck definiert festgelegt wird.

Allerdings werden bei solchen Differenzdruckmessungen die lo Verhältnisse im Durchgangskanal nicht berücksichtigt. Beispielsweise treten dort nicht berücksichtigte Reibkräfte auf, sodass solche Messungen fehlerbehaftet sind.

Messungen, die direkt am Wirkungsort, also am Ventilschieber bzw. Ventilglied selber, durchgeführt werden, haben den Nach- i5 teil, dass eine aufwändige, fluiddicht abzudichtende Signal- führung aus der gekapselten Ventilkammer heraus notwendig ist. Auch eine drahtlose Signalübertragung aus der Ventilkammer heraus ist auf Grund des signalabschirmenden Gehäusematerials der Ventilkammer nicht zuverlässig oder gar nicht mög-

20 lieh.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ventileinrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit der sich die Anpresskraft beim Schließen des Ventilglieds zuverlässig und mit einfachen Mitteln steuern lässt.

2s Diese Aufgabe wird durch eine Ventileinrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst . Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt .

Die erfindungsgemäße Ventileinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuereinrichtung einen am Ventilglied angeord-

neten Kraftaufnehmer zur Aufnahme der auf das Ventilglied wirkenden Kraft aufweist, wobei die Kraft über übertragungs- mittel auf einen außerhalb der Ventilkammer befindlichen Drucksensor übertragbar ist. Die auf das Ventilglied einwir- kende Kraft kann bei Kontakt mit der Dichtfläche am Ventilsitz die Anpresskraft oder bei einer vom Ventilsitz abgehobenen Stellung des Ventilglieds die aufgrund der Druckverhältnisse in der Ventilkammer einwirkende Kraft sein.

Die Messung erfolgt also direkt am Wirkungsort, nämlich am Ventilglied, das beim Schließen mit Anpresskraft auf den Ventilsitz gedrückt wird. Jedoch sitzt der Drucksensor außerhalb der Ventilkammer sodass bei kabelgeführter Signalübertragung eine aufwändige Kabeldurchführung aus der Ventilkammer heraus vermieden wird. In der Ventilkammer können hohe Temperaturen herrschen, die die Funktionsfähigkeit eines in der Ventilkammer angeordneten Drucksensors beeinträchtigen können. Sitzt der Drucksensor außerhalb der Ventilkammer, stellt sich dieses Problem nicht.

Die zur Kraftübertragung zwischen Kraftaufnehmer und Druck- sensor dienenden übertragungsmittel können von wenigstens einer einerseits mit dem Kraftaufnehmer und andererseits mit dem Drucksensor gekoppelten Fluidsäule, insbesondere Flüssigkeitssäule, gebildet werden. Die Inkompressibilität der Flüssigkeit bewirkt dabei eine direkte, vom übertragungsmedium unabhängige Kraftübertragung. Als Flüssigkeit kann beispielsweise öl, vorzugsweise Hydrauliköl, vorgesehen sein.

Alternativ ist es möglich, dass als übertragungsmittel wenigstens ein einerseits mit dem Kraftaufnehmer und andererseits mit dem Drucksensor gekoppeltes starres übertragungs- glied, beispielsweise in Form eines Stößels, vorgesehen ist.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung sind die übertragungsmittel in einem über eine Durchführung in die Ventilkammer hineinragenden Abtriebsglied des Stellantriebs angeordnet. Zweckmäßigerweise ist als Stellantrieb ein fluidbetätigter Arbeitszylinder vorgesehen, der ein Zylindergehäuse aufweist, in dem ein fluidbeaufschlagter Arbeitskolben beweglich geführt ist, der seinerseits mit einer das Abtriebsglied bildenden Kolbenstange verbunden ist. Alternativ ist jedoch auch möglich, als Stellantrieb einen elektrischen Linearantrieb, beispielsweise einen Linearmotor, einzusetzen.

In alternativer Anordnung können die übertragungsmittel in einem über eine Durchführung in die Ventilkammer hineinragenden, den Drucksensor in einem Bereich außerhalb der Ventilkammer aufnehmenden Sensorträger angeordnet sein. Dies bietet den Vorteil, dass Standard-Stellantriebe verwendet werden können, an die jeweils der Sensorträger angebaut werden kann.

Der Drucksensor sitzt außerhalb der Ventilkammer. Wie vorstehend bereits erwähnt, kann er an einem Sensorträger befestigt sein. Alternativ ist es möglich, dass der Drucksensor am Stellantrieb sitzt, beispielsweise am Abtriebsglied, beim

Einsatz eines Arbeitszylinders also an der Kobenstange befestigt ist. Alternativ ist es beim Einsatz eines Arbeitszylinders möglich, den Drucksensor in den Kolben zu integrieren.

In besonders bevorzugter Weise wird der Kraftaufnehmer von einem Faltenbalg gebildet, der einen fluidgefüllten Druckraum hermetisch dicht verschließt. Zweckmäßigerweise wird ein mit Flüssigkeit gefüllter Faltenbalg verwendet. Prinzipiell sind auch andere Arten von Kraftaufnehmern einsetzbar, beispielsweise ein Verformungskörper mit Dehnungsmessstreifen (DMS) oder dergleichen.

Der Kraftaufnehmer sitzt zweckmäßigerweise an der Verbindungsstelle zwischen Ventilglied und Abtriebsglied bzw. Sensorträger. Durch Variation der Kraftangriffsfläche des Kraftaufnehmers sind verschiedene Kraftübersetzungen zwischen der auf das Ventilglied einwirkenden Kraft und der vom Kraftaufnehmer auf den Drucksensor übertragenden Kraft möglich.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Steuermodul zur Verarbeitung von vom Drucksensor mittels Signalübertragung übermittelten, jeweils aktuellen Ist -Anpresskräften entspre- chenden Signalen und zur Ansteuerung des Stellantriebs vorgesehen. Da der Drucksensor außerhalb der Ventilkammer sitzt, ist auch eine einfache, kabelgeführte Signalübertragung vom Drucksensor auf das Steuermodul möglich. Alternativ ist auch eine drahtlose Signalübertragung, insbesondere Signalübertra- gung mittels Funk, denkbar.

Zweckmäßigerweise befindet sich an der Dichtfläche am Ventilglied eine elastische Dichtung, die beim Anpressen des Ventilglieds auf den Ventilsitz beansprucht wird. Durch die zuvor beschriebenen Maßnahmen kann nun die Anpresskraft gesteu- ert werden, sodass die elastische Dichtung beim Auftreffen auf die entsprechende Dichtfläche am Ventilsitz nicht beschädigt wird.

Die Ventileinrichtung kann ferner einen Durchgangskanal aufweisen, der zwei Arbeitskammern, beispielsweise Vakuumkam- mern, miteinander verbindet. In dem Durchgangskanal kann die Ventilkammer der Ventileinheit angeordnet sein.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung, wobei nur ein Teil der Ventileinheit gezeigt ist,

Figur 2 eine vergrößerte Darstellung der Ventileinrichtung von Figur 1 mit sämtlichen Komponenten der Ventileinheit in schematischer Darstellung,

Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung in schematischer Darstellung und

Figur 4 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung in schematischer Darstellung.

Die Figuren 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung 11. Herzstück der Ventil- einrichtung 11 ist eine Ventileinheit 12, die auch als Prozessventil bezeichnet werden könnte. Die Ventileinheit 12 besitzt eine Ventilkammer 13, in der ein Ventilglied 14 mittels eines Stellantriebs 15 zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung bewegbar ist. Zweckmäßigerweise befindet sich die Ventilkammer 13 in einem Durchgangskanal 16, der zwei Arbeitskammern 17, 18 miteinander verbindet. In den Arbeitskammern 17, 18 können sich Prozessgase befinden. Ein Austausch ist über den Durchgangskanal 16 möglich. Aufgabe der Ventileinheit 12 ist es, bei Bedarf den Durchgang durch den Durch- gangskanal 16 fluiddicht zu verschließen.

Hierzu wird das Ventilglied 14 mittels des Stellantriebs 15 in seine Schließstellung gefahren, in der es mit Anpresskraft an einem Ventilsitz 19 zur Anlage kommt. Dabei werden zueinander korrespondierende Dichtflächen aneinandergedrückt . Die

ventilgliedseitige Dichtfläche wird von einer elastischen Dichtung 20 gebildet, die an der Außenseite des Ventilglieds 14 befestigt, insbesondere auf die Außenseite aufvulkanisiert ist. Wie insbesondere in Figur 1 gezeigt, kann das Ventilglied 14 eine keilförmigen Querschnitt aufweisen, wobei die Spitze des Ventilglieds 14 in der Schließstellung in den korrespondierend hierzu ebenfalls keilförmig ausgebildeten Ventilsitz 19 eintaucht.

Wird das Ventilglied zu schnell, also mit zu hoher Anpress- kraft in die Schließstellung gefahren, so besteht die Gefahr, dass die Dichtung 20 beschädigt wird. Andererseits ist auch eine Mindest-Anpresskraft notwendig, um eine fluiddichte Abdichtung des Durchgangskanals 16 zu erreichen. Ferner können im Durchgangskanal abhängig vom Differenzdruck zwischen den beiden Arbeitskammern 17, 18 oft ganz unterschiedliche Druckverhältnisse vorliegen, die beim Schließvorgang mitberücksichtigt werden müssen.

Es ist also notwendig, das Ventilglied 14 mit definierter Anpresskraft in seine Schließstellung zu bewegen. Zur Einstel- lung einer definierten Anpresskraft dient eine Steuereinrichtung 21. Diese umfasst einen Kraftaufnehmer 22 zur Aufnahme der auf das Ventilglied 14 wirkenden Kraft, die über übertragungsmittel auf einen außerhalb der Ventilkammer 13 befindlichen Drucksensor 23 übertragbar ist.

Als Kraftaufnehmer ist ein Faltenbalg vorgesehen, der einen flüssigkeitsgefüllten Druckraum hermetisch dicht verschließt. Als Flüssigkeit wird hierbei öl verwendet. Die übertragungsmittel werden in diesem Fall ebenfalls von einer Flüssigkeitssäule 29 gebildet, die einerseits mit dem Druckraum des Faltenbalgs in Verbindung steht und andererseits mit dem

Drucksensor 23 gekoppelt ist. Als Flüssigkeit wird auch hier

öl verwendet. Der Faltenbalg befindet sich an der Verbindungsstelle zwischen Ventilglied 14 und einem Abtriebsglied 24 des Stellantriebs 15.

Der Stellantrieb 15 ist hier beispielhaft in Form eines flu- idbetätigten Arbeitszylinders gezeigt, der ein Zylindergehäuse 25 besitzt, in dem ein fluidbeaufschlagbarer Arbeitskolben 26 beweglich geführt ist. Der Arbeitskolben 26 ist mit einer das Abtriebsglied 24 bildenden Kolbenstange verbunden, die über eine, mittels einer Dichtung 27 abgedichteten Durch- führung 28 in die Ventilkammer 13 hineinragt. Am kolbenfernen Ende der Kolbenstange befindet sich wie erwähnt der Faltenbalg.

Wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, befindet sich die Flüssigkeitssäule 29 gemäß erstem Ausführungsbeispiel im In- nern der hohlförmig ausgestalteten Kolbenstange. Die Kolbenstange kann durch die Rückseite des Zylindergehäuses 25 hindurchtreten, wobei dann an dem faltenbalgfernen Ende der Kolbenstange der Drucksensor 23 sitzt. Es können auch zwei Kolbenstangen vorgesehen sein, von denen eine erste Kolbenstange den Faltenbalg mit dem Kolben und die andere Kolbenstange den Kolben mit dem Drucksensor 23 verbindet. In einer nicht dargestellten Alternative kann sich der Drucksensor auch im Arbeitskolben befinden. Eine Weiterführung der Kolbenstange bzw. eine zweite Kolbenstange ist dann nicht notwendig.

Der Drucksensor 23 umfasst einen P/U-Wandler, der die mittels der Flüssigkeitssäule 29 übertragene Kraft in Form eines Druckes detektiert und diesen in eine Spannung umwandelt.

Ferner ist ein Steuermodul 30 vorgesehen, das die Spannungssignale des Drucksensors 23 empfängt und den Arbeitszylinder zweckmäßigerweise über ein Steuerventil (nicht dargestellt)

ansteuert. Die Signalübertragung vom Drucksensor 23 auf das Steuermodul 30 erfolgt gemäß erstem Ausführungsbeispiel per Kabel. Alternativ wäre jedoch eine drahtlose bzw. kabellose Signalübertragung möglich.

s Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass ein Sensorträger 31 vorgesehen ist, der über eine mittels einer Dichtung 27 abgedichteten Durchführung 28 in die Ventilkammer 13 hineinragt. Der Sen- lo sorträger 31 trägt einerseits den Faltenbalg, der wiederum mit dem Ventilglied 14 in Kontakt ist, während er andererseits an die Kolbenstange des Arbeitszylinders angekoppelt ist. Am Sensorträger 31 ist ferner der Drucksensor 23 befestigt und zwar in einem Bereich, der sich außerhalb der Ven- i5 tilkammer 13 befindet. Der Druckraum des Faltenbalgs und der Drucksensor sind wiederum mittels einer Flüssigkeitssäule 29 miteinander verbunden, wobei sich die Flüssigkeitssäule 29 in einem im Sensorträger 31 ausgebildeten Kanal 32 befindet. Die Signalübertragung vom Drucksensor 23 auf das ebenfalls vor-

20 handene Steuermodul 30 erfolgt mittels Kabel.

Schließlich zeigt Figur 4 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das identisch zum zweiten Ausführungsbeispiel aufgebaut ist, mit der Ausnahme, dass die Signalübertragung vom Drucksensor 23 auf das Steuermodul 30 mittels Funk erfolgt.

25 Nachfolgend wird die Funktion der Ventileinrichtung näher beschrieben:

Das Ventilglied 14 befindet sich zunächst in seiner in Figur 1 gezeigten Offenstellung. Dabei ist das Ventilglied 14 vollständig aus dem Durchgangskanal 16 herausgefahren, sodass 0 es keinen Strömungswiderstand für im Durchgangskanal 16 strö-

mendes Prozessfluid bildet. Zum Schließen der Ventilkammer 13 bzw. des Durchgangs durch den Durchgangskanal 16 wird nunmehr der Arbeitszylinder aktiviert, wobei die kolbenstangenferne Seite des Kolbens 26 mit Fluid, insbesondere mit Druckluft beaufschlagt wird, sodass der Kolben, beispielsweise wie in den Figuren 2 bis 4 dargestellt, nach oben bewegt wird, wodurch die Kolbenstange aus dem Arbeitszylinder ausfährt und das Ventilglied 14 in Richtung des Ventilsitzes 19 bewegt wird. Gemäß einer ersten Variante wird hier die Geschwindig- keit mit der das Ventilglied 14 in Richtung auf den Ventilsitz fährt relativ hoch gewählt, jedoch nur bis die am Ventilglied befindliche Dichtung 20 die Dichtfläche am Ventilsitz 19 berührt. Wird das Ventilglied 14 nunmehr weiterbewegt, so erhöht sich die Anpresskraft. Die Ist -Anpresskraft wird auf den Druckraum des Faltenbalgs übertragen und von dort über die Flüssigkeitssäule 29 auf den Drucksensor 23. Die Ist-Anpresskraft wird als Anpressdruck detektiert und in ein korrespondierendes Spannungssignal umgewandelt. Dieses Spannungssignal wird dann mittels Kabel oder drahtlos zum Steuermodul 30 übertragen, wo ein Vergleich der Ist- Anpresskraft mit einer Mindest-Anpresskraft und einer Maximal-Anpresskraft stattfindet. Die Mindest-Anpresskraft muss überschritten werden, damit eine fluiddichte Abdichtung der Ventilkammer 13 stattfindet. Die Maximal-Anpresskraft darf nicht überschritten werden, da ansonsten die elastische Dichtung 20 beschädigt wird. Die Anpresskraft hängt wie bereits erwähnt auch von den Druckverhältnissen im Durchgangskanal ab, die hier ebenfalls mitberücksichtigt werden, da sie letztendlich nichts anderes darstellen, als ebenfalls eine auf das Ventilglied 14 wirkende Kraft. Ist die Mindest-

Anpresskraft unterschritten, so wird das Ventilglied 14 weiter in Richtung des Ventilsitzes 19 gefahren. Eine überschreitung der Maximal -Anpresskraft ist dabei nicht möglich,

da ständig ein Abgleich der Ist-Anpresskraft mit diesem Maximalwert stattfindet. Insgesamt ist es dadurch möglich, das Ventilglied mit definierter Anpresskraft in seine Schließstellung zu bringen. Es ist gewährleistet, dass die Ventil- kammer und somit der Durchgang durch den Durchgangskanal 16 fluiddicht abgedichtet ist und andererseits besteht keine Gefahr, dass die elastische Dichtung 20 beschädigt wird.

Ferner ist es von Vorteil, dass direkt am Wirkungsort gemessen wird, wodurch Messfehler vermieden werden, die durch Nichtberücksichtigung der im Durchgangskanal 16 vorliegenden Verhältnisse auftreten. Weitere Messfehler werden dadurch verhindert, dass der Drucksensor 23 außerhalb der Ventilkammer 13 sitzt, wodurch er vor hohen Temperaturen und aggressiven Prozessmedien geschützt ist. Die Lage des Drucksensors 23 bringt ferner den Vorteil, dass eine aufwändige Kabelführung aus der Ventilkammer 13 heraus - hier wäre wiederum auf die Fluiddichtheit der Kabeldurchführung zu achten - vermieden werden. Außerdem eröffnet die Lage des Drucksensor 23 außerhalb der Ventilkammer 13 die Möglichkeit einer drahtlosen Signalübertragung auf das Steuermodul 30. Befände sich der Drucksensor 23 innerhalb der Ventilkammer 13 wäre auf Grund des die Ventilkammer 13 umgebenden, abschirmenden Materials eine drahtlose Signalübertragung nur eingeschränkt oder gar nicht möglich.