3.6 Ventile

An Ventile in Vakuumanlagen werden neben den allgemeinen technischen Anforderungen an Absperrorgane spezielle vakuumtechnische Anforderungen gestellt, die bei der Konstruktion berücksichtigt werden müssen.

Bei der Auslegung und Auswahl der Vakuumventile sind der minimal geforderte Enddruck und der hohe Strömungswiderstand von Bauteilen im molekularen Strömungsbereich zu beachten. Außerdem sind niedrigste Leckraten für Ventilgehäuse und Ventilsitz gefordert. Vakuumseitige Schmiermittel für die bewegten Teile der Ventile müssen für den geforderten Druck- und Temperaturbereich geeignet sein oder im Hochvakuum bzw. Ultrahochvakuum wenn möglich ganz vermieden werden. Besonders im molekularen Strömungsbereich sind möglichst kleine Totvolumen und große Leitwerte wichtig.

Die Durchführung der mechanischen Betätigungselemente muss so beschaffen sein, dass sie die Anforderungen an Dichtheit sowie Druck- und Temperaturbereich erfüllt. Mit Elastomeren gedichtete Durchführungen (z. B. Wellendichtringe) sind, je nach Qualität, für geringere Vakuumanforderungen im Druckbereich größer 1 · 10^-4 hPa einsetzbar. Für Druckbereiche kleiner 1 · 10^-4 hPa werden Membran- oder Federbälge eingesetzt. Außerdem können mit einem Metallbalg gedichtete Ventile bei geeigneter Konstruktion ausgeheizt werden. Ventile mit Gehäuse-, Teller- und Flanschdichtungen aus Elastomeren werden bis zu Drücken von 1 · 10^-8 hPa eingesetzt. Der Einbau erfolgt häufig so, dass bei geschlossener Stellung der Atmosphärendruck auf dem Ventilteller liegt und so die Schließkraft verstärkt.

Ganzmetallventile, bei denen alle Dichtungen aus Metall ausgeführt sind, eignen sich für UHV-Anwendungen und höhere Ausheiztemperaturen, benötigen aber in der Regel höhere Schließkräfte beim Abdichten. Es werden weiche Metalle (Kupfer oder spezielle Legierungen) als Dichtungsmaterial verwendet. Neben den höheren Schließkräften muss auch mit kürzeren Standzeiten der Dichtungen gerechnet werden.

Für die unterschiedlichen Anwendungen in der Vakuumtechnik gibt es eine Vielzahl von unterschiedlichen Ventiltypen, die entsprechend ihrer Bauart oder ihrer Funktionalität benannt sind.

3.6.1 Ansteuerung von Ventilen

Die Art und Weise, wie Ventile betätigt werden, ist vielfältig. Ventile mit kleinen Nennweiten können rein elektromagnetisch über Elektromagnete bzw. Spulen geöffnet werden. Sie schließen üblicherweise mit Federkraft. Bei größeren Ventilen sind die benötigten Spulen recht groß und erzeugen viel Wärme. Über eine eingebaute Steuerelektronik lässt sich hier nach dem Öffnen der Magnetstrom auf einen niedrigeren Haltestrom reduzieren, um das Überhitzen des Antriebs zu verhindern. Dennoch werden selten Ventile für Nennweiten größer DN 40 elektromagnetisch angetrieben.

Bei einem pneumatisch betriebenen Ventil wird Druckluft zur Betätigung genutzt. Der benötigte Steuerdruck liegt häufig im Bereich 0,4 bis 0,8 MPa. Dabei überträgt ein Druckluftzylinder seine Bewegung auf den Ventilteller. Wird eine Richtung mit Druckluft betrieben und die Gegenrichtung mit einer Feder zurückgestellt, nennt man den Antrieb „pneumatisch einfach wirkend“. Wird für beide Richtungen Druckluft benötigt, nennt man ihn „pneumatisch doppelt wirkend“. Befindet sich ein elektromagnetisches Steuerventil zum Ein- und Auslass der Druckluft direkt am pneumatischen Antriebskopf, liegt ein elektropneumatischer Antrieb vor. Hier muss Druckluft aufgelegt und zum Schalten das Steuerventil mit seiner Steuerspannung (häufig 24 V DC) angesteuert werden. Bei einem rein pneumatischen Antrieb wird üblicherweise ebenfalls ein elektromagnetisches Ventil zur Steuerung der Druckluft verwendet. Nur liegt es hier z. B. im Schaltschrank oder, wenn viele Ventile geschaltet werden, auf einer sogenannten Ventilinsel, die die jeweiligen Steuerventile beherbergt. Bei einem Ausfall der Steuerung ist es häufig vorteilhaft, wenn die Ventile mit Rückstellfedern in eine definierte Ventilstellung fallen. Man unterscheidet hier zwischen den Ausführungen „stromlos geschlossen“ und „stromlos offen“, wobei der Standard die geschlossene Stellung ist. Außerdem können Ventile über Elektromotoren betrieben werden. Hier sind auch Zwischenstellungen möglich, wenn die Ventilkonstruktion dies zulässt.

Die meisten Ventile haben zur Anzeige der Ventilstellung „Auf/Zu“ optische Stellungsanzeiger. Für automatisierte Prozesse ist es sinnvoll oder sogar notwendig, eine Rückmeldung über die tatsächliche Ventilstellung zu erhalten, die unabhängig vom eingestellten Schaltzustand ist. Hierzu werden Ventile mit Stellungsgeber ausgerüstet, die direkt die Lage des Ventiltellers wiedergeben. Fehlfunktionen wie ein Ausfall der Druckluft oder die Fehlfunktion des Steuerventils werden hierdurch aufgezeigt.

3.6.2 Eckventile

Eckventile zeichnen sich durch eine hohe Dichtigkeit aus, sie sind robust, industrietauglich und unempfindlich gegenüber Verschmutzungen. Am Gehäuse aus Aluminium oder Edelstahl sind der Ein- und Ausgangsflansch zueinander im 90°Winkel angeordnet. Abbildung 3.21 zeigt den Aufbau eines balggedichteten Eckventils. Eine Elastomerdichtung in Trapez- oder O-Ring-Form befindet sich im Ventilteller. Zum Verschließen wird der Ventilteller gegen den Ventilsitz gedrückt. Da die mechanischen Betätigungsorgane außerhalb des Vakuumbereichs liegen, können sie problemlos geschmiert werden. Eckventile gibt es mit allen gängigen Flanschtypen und in den Ausführungen handbetätigt, pneumatisch, elektropneumatisch und elektromagnetisch betrieben.

Für UHV-Anwendungen gibt es hermetisch dichte Ventilgehäuse und Ventilsitzdichtungen aus FKM oder Kupfer (Ganzmetallausführung).

3.6.3 Inline- und Membranventile

Inline-Ventile sind prinzipiell gleich aufgebaut wie die zuvor beschriebenen Eckventile. Ihr Ein- und Ausgangsflansch liegen jedoch in einer Achse. Durch den Aufbau sind die Strömungswiderstände der Inline-Ventile meist höher als die vergleichbarer Eckventile.

Ventile kleiner Nennweiten werden auch als Membranventile ausgeführt. Hier übernimmt eine Membrane sowohl die Abdichtung im Sitz nach innen, als auch nach außen.

3.6.4 Schieberventile

Während die zuvor beschriebenen Ventile nur teilweise den Nennquerschnitt freigeben, bieten Schieberventile einen freien Durchgang im geöffneten Zustand. Zusammen mit ihrer geringen Bauhöhe, führt dies zu hohen Leitwerten und damit verbundenen minimalen Leistungsverlusten beim Einsatz mit Hochvakuumpumpen.

Zum Öffnen und Schließen wird der meist doppelt ausgeführte Ventilteller hin- und herbewegt. In der Verschlussstellung werden beide Teile durch Kugeln aus-einander und gegen die Dichtflächen gedrückt. Je nach Bewegungsrichtung der Ventilschieber unterscheidet man Zug-, Pendel- oder Drehschieberventile. Wegen der besonderen Konstruktion können die meisten Schieber zwar am Ventilteller gegen einen Differenzdruck von 0,1 MPa abdichten, aber nur bei kleinem Differenzdruck am Ventilteller geöffnet werden.

3.6.5 Schmetterlingsventile und Kugelhähne

Beim Schmetterlingsventil ist die Dichtung auf dem Umfang der Ventilplatte angebracht. Die Platte dreht sich um eine Achse, die quer durch das kreisrunde Ventilgehäuse verläuft. Dabei bleibt der Ventilteller in der Ventilöffnung. Das Ventil hat eine kurze Bauform und einen geringen Leitungswiderstand, da die Klappe fast den ganzen Querschnitt freigibt.

Kugelhähne sind äußerst robuste Ventile mit freiem Durchgang und für Vakua bis etwa 1 · 10^-5 hPa geeignet. In einem Gehäuse ist eine durchbohrte Kugel drehbar gelagert und beidseitig mit ebenfalls durchbohrten Kugelkalotten (meist aus PTFE) abgedichtet. Wenn die Bohrung in Durchflussrichtung steht, ist der gesamte Querschnitt freigegeben. Zu beachten ist, dass der Kugelhahn im geschlossenen Zustand ein eingeschlossenes Volumen enthält.

In der 3-Wege-Ausführung ist die Kugelbohrungen in Form eines „L“ oder „T“ aufgebohrt. Bedingt durch die Größe der Bohrungen, sind beim Schalten die drei Anschlüsse nicht überschneidungsfrei.

3.6.6 Gasdosier- und Gasregelventile

Gasdosierventile dienen zum Einlass definierter Gasströme in ein Vakuumsystem, um z. B. in einem System einen bestimmten Druck aufrechtzuerhalten bzw. einzustellen. Sie arbeiten häufig nach dem Prinzip eines Nadelventils. Durch Drehen einer Spindel wird ein Spalt freigegeben, dessen Öffnung und Länge einen Strömungsleitwert darstellt. Der Gasstrom ist von den Umdrehungen der Spindel abhängig und wird in einer Kennlinie dargestellt. Die Ventilstellung lässt sich an einer Skala ablesen und ist reproduzierbar einzustellen.

Gasregelventile sind motorisch ansteuerbare Dosierventile oder Proportionalventile, bei denen die Größe der Ventilöffnung stetig mit dem angelegten Spulenstrom bis zur maximalen Öffnung ansteigt. Über Kennlinien ist der dem Spulenstrom zugeordnete Volumenstrom dargestellt. Regelventile werden mit Steuergeräten betrieben oder direkt durch externe Steuerungen angesteuert. Sie werden in automatisierten Prozessen zur Druck- oder Durchflussregelung eingesetzt.

Für kleinste Volumenströme unter UHV-Bedingungen, z. B. für Massenspektrometeranwendungen, gibt es ausheizbare Ganzmetall-Gasdosier- und Gasregelventile, die mit einer Platte aus Keramik gegen einen Sitz aus Metall abdichten.