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.
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.
