CH637745A5 - Hochvakuumventil. - Google Patents

Description

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PATENTANSPRÜCHE krorillen und andere Unebenheiten, die bei den bekannten

1. Hochvakuumventil mit einem Ventilgehäuse (15), ei- Ventilen während der axialen Verschiebung in einem Anpas-nem darin beweglich angeordneten, eine Tellerfeder (11) auf- sungsvorgang ausgeglichen werden. Die Parallelbewegung weisenden Absperrorgan, mit einer Dichtfläche an der Peri- der Dichtflächen beim Schliessen des Ventils kommt erst pherie derselben und einem zugeordneten eine Gegendichtflä- 5 dann zum Stillstand, wenn die Reibungskraft grösser als die che aufweisenden Ventilsitz, dadurch gekennzeichnet, dass Schubkraft wird. Erst dann beginnt die Spreizung der Teller-der Ventilsitz sich auf einem mit der Tellerfeder (11) koaxia- feder, die zu einer weiteren plastischen Deformation führt, bis len konisch-ringförmigen Federelement ( 14,28) befindet. die Anpassung der Oberflächen so weit fortgeschritten ist,

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Berührungsfläche gross genug ist, um eine weitere die Dichtfläche (21,31) des Ventilsitzes durch die Innenkante 10 Steigerung der Anpresskraft elastisch aufnehmen zu können, des konisch-ringförmigen Federelementes (14,28) gebildet Dieser wahrscheinliche Ablauf des Abdichtvorgangs am wird. Rande einer Tellerfeder bei einem bekannten Ventil mit Ko-

3. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nussitz, wie es Fig. 1 zeigt, ist in Fig. 2 dargestellt. Letztere die Biegesteifigkeit der Tellerfeder und des konisch-ringför- zeigt stark vergrössert einen Ausschnitt aus der Dichtzone, in migen Federelements gleich sind. 15 der sich Tellerfeder 1 und Konus 2 berühren. Es wurde hier

4. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass angenommen, dass Tellerfeder und Konus aus Edelstahl, z.B. mindestens eine der Dichtflächen mit einem Hartstoff belegt nicht rostendem Stahl bestehen.

ist. Die gestrichelten Konturen 3 und 4 in Fig. 2 zeigen die

5. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Geometrie des Ventilsitzes bei einem Ventil, das bereits eineine der Dichtflächen mit einer dünnen Scheibe (25) aus ei- 20 mal geschlossen wurde, kurz vor Beginn der Spreizung. Die nem weichen Metall belegt ist, die auswechselbar ist. ausgezogenen Konturen 5 und 6 entsprechen dem Zustand

6. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei voller Belastung. 7 ist der Vektor der Schliesskraft und 8 die Tellerfeder des Absperrorgans mit einem Führungskonus der Vektor der Anpresskraft am Umfang der Tellerfeder 1. (16,30) aus einem weichen Werkstoff verbunden ist. Die axiale Verschiebung bei diesem Vorgang entspricht der

7. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass 25 Distanz von Punkt 9 zu Punkt 10. Sie führt zwangsläufig zu der weiche Werkstoff ein temperaturbeständiger Kunststoff einer Beschädigung der Dichtflächen, die ihre Dichtfunktion ist. beeinträchtigt.

8. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Wählt man härtere Dichtpartner von der Qualität eines der Rand des Führungskonus federnd ausgebildet ist und ei- gehärteten Kugellagerstahls und versucht nun, den Anpress-nen grösseren Durchmesser besitzt als der Innendurchmesser 30 Vorgang durch eine ideale Oberflächengeometrie und Hoch-des konisch-ringförmigen Federelements. glanzpolitur zu vermeiden, so ergibt sich das Problem, dass etwaige Verunreinigungen an der Oberfläche nur noch zer- quetscht, also nicht mehr im Dichtmaterial eingebettet werden, womit die Abdichtung wieder in Frage gestellt ist. Gün-

Es sind Hochvakuumventile mit metallischer Abdichtung 35 stiger sind die Bedingungen, wenn der konische Ventilsitz aus und tellerfederartigen Absperrorganen bekannt, wobei früh- einem härteren Material z.B. aus Stellit und die Tellerfeder rer vorzugsweise eine relativ harte Schneide mit einem wei- aus einem relativ weicheren besteht, da dann die plastische chen Dichtpartner kombiniert wurde. Ein Beispiel ist im US- Verformung auf letztere beschränkt bleibt. Die Herstellung

Patent 3 108 780 dargestellt. Hierbei muss, um die Dichtung eines solchen Ventils ist jedoch sehr kostspielig und trotzdem bei wiederholtem Schliessen sicherzustellen, die Dichtkraft 40 muss auch hier mindestens an einigen Stellen des Umfangs bei jeder Schliessung etwas erhöht werden, d.h. die Tellerfe- mit einem Gleitvorgang gerechnet werden, z.B. wenn sich der, an deren Peripherie sich die Dichtkante befindet, muss Verunreinigungen auf den Dichtflächen befinden oder weil immer mehr gespreizt werden. Dies geht bis zu einer gewissen ideale Rundheit von Konus und Tellerfeder nicht erreicht

Grenze, bei der dann der weichere Dichtpartner ausgewech- wird.

seit oder, wie im obigen US-Patent beschrieben, die Dicht- 45 Die vorliegende Erfindung hat sich nun zur Aufgabe ge-

kante verschoben werden muss, bis wieder eine jungfräuliche stellt, ein Hochvakuumventil mit einem tellerfederartigen Ab-

Dichtfläche zur Verfügung steht. sperrvorgang so auszubilden, dass die beiden dichtenden Flä-

Diesen Nachteil suchen die z.B. in den deutschen Offenle- chen sich beim Schliessvorgang vom Augenblick ihrer gegen-

gungsschriften Nr. 26 23 906 und 25 23 152 beschriebenen seitigen Berührung an nur noch in Richtung ihrer Flächen-

Hochvakuumventile dadurch zu umgehen, dass nur relativ so normalen aufeinander zu bewegen.

harte Dichtpartner eingesetzt werden und ein konischer Dieses erfindungsgemässe Hochvakuumventil mit einem Dichtsitz zugleich als Anschlag verwendet wird. Es wird dabei Ventilgehäuse, einem darin beweglich angeordneten, eine Tel-angenommen, dass sich die Tellerfeder, die an einem axial be- lerfeder aufweisenden Absperrorgan mit einer Dichtfläche an weglichen Stempel befestigt ist, mit ihrem Rand am koni- der Peripherie derselben und einem zugeordenetem, eine Gesehen Dichtpartner (der zweckmässig einen Teil des Ventilge- ss gendichtfläche aufweisenden Ventilsitz ist dadurch gekenn-häuses bildet) selbsttätig zentriert und dass bei Weiterbewe- zeichnet, dass der Ventilsitz sich auf einem mit der Tellerfeder gung des Stempels durch die Spreizung eine im wesentlichen des Absperrorganes koaxialen konisch-ringförmigen Federelastische Verformung der beiden Dichtpartner, also keine element befindet.

bleibende Formänderung der Dichtflächen zustandekommt. Durch diese Lösung wird, wie gesagt, erreicht, dass eine

Jedoch nur bei sehr genauer Konzentrizität von Tellerfe- 60 Relativbewegung zwischen den beiden Dichtflächen nach de-der und Konus wäre zu erwarten, dass ausser einem Abwälz- ren gegenseitiger Berührung nur noch in Richtung der An-vorgang keine weitere Relativbewegung der Dichtflächen, presskraft erfolgt. Verschiebungen der sich berührenden insbesondere parallel zueinander eintritt, die eine Verände- Dichtflächen parallel zueinander und auch Abrollbewegun-rung derselben bewirken würde. In Wirklichkeit treten meist gen sind ausgeschlossen. Dadurch werden die teuren Dichtschon beim ersten Schliessvorgang infolge von Parallelbewe- 65 flächen beim Gebrauch geschont und ihre Lebensdauer wird gungen (besonders bei den erwähnten Materialpaarungen) wesentlich verlängert.

bleibende Verformungen auf. Es sind vor allem die von der Die erfindungsgemässe Ventilkonstruktion hat den weitemaschinellen Bearbeitung der Dichtflächen herrührenden Mi- ren wichtigen Vorteil, dass das Spiel zwischen den Dichtflä-

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chen vor dem Schliessen grösser ist als bei einem Ventil, bei dem sich die Tellerfeder gegen eine feste Wand z.B. gegen das Ventilgehäuse bewegt. Die Gefahr einer vorzeitigen Berührung und Beschädigung der Dichtflächen vor dem eigentlichen Schliessvorgang wird dadurch verringert. Dies ist besonders bei kleinem Ventildurchmesser wichtig, bei denen der Abstand der dichtenden Flächen voneinander entsprechend gering ist.

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Es zeigt:

Figur 1 ein bekanntes Ventil mit Konussitz;

Figur 2 einen vergrösserten Ausschnitt aus dem Bereich der Dichtzone des Ventils nach Figur 1;

Figur 3 ein erstes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung;

Figur 4 in vergrösserter Darstellung die Dichtzone des Ventils nach Figur 3 in zwei verschiedenen Positionen;

Figur 5 die Dichtzone bei einem Ventil entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Tellerfeder mit einer Scheibe aus einem weichen Metall belegt ist;

Figur 6 ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem eine besondere Führung für die Tellerfeder vorgesehen ist.

Figur 3 zeigt - betreffend das erste Ausführungsbeispiel -einen Schnitt durch das Ventil und zwar links der Mittellinie in offenem, rechts davon in geschlossenem Zustand. Die Tellerfeder 11 ist (damit die Federhärte im elastisch beanspruchten Bereich erhalten bleibt) an dem verschiebbaren Stempel 12 über einen Bund 13 angeschweisst. Das konisch ringförmige Federelement 14 ist im Ventilgehäuse in ähnlicher Weise eingeschweisst. Es besitzt annähernd die gleiche Steifigkeit wie die Tellerfeder, um zu erreichen, dass die Durchbiegung der beiden Federelemente (Tellerfeder und konisch ringförmiges Federelement) synchron erfolgt. Bei einer solchen Lösung besteht die Möglichkeit, relativ weiche Dichtpartner zu verwenden,wodurch eine sichere Abdichtung auch bei verschmutztem Ventilsitz möglich wird.

Damit keine hohen Ansprüche an die Präzision der Führung gestellt werden müssen, kann ein Führungskonus 16 aus einem weichen Material, z.B. Aluminium oder einem temperaturbeständigem Kunststoff, z.B. einer Fluor-Kohlenstoff-verbindung, vorgesehen werden.

Die Tellerfeder 11 weist einen Anschlag 17 auf, der beim Schliessen des Ventils als Mitnehmer für das konisch-ringför-mige Federelement 14 wirkt. Beim Schliessvorgang ändert sich der Winkel a 1 nach a 2. Dieser Vorgang, der eine Annäherung der beiden Dichtflächen der genannten Federelemente bewirkt, ist in Figur 4 in vergrössertem Masstab dargestellt. Hiebei zeigen die gestrichelten Konturen 18 und 19 die Lage der Tellerfeder und des konisch ringförmigen Federelementes in dem Augenblick, in dem der von der Tellerfeder getragene s Anschlag 17 das Federelement 14 gerade berührt. Die Dicht-flächen 20 und 21 haben dann noch einen gewissen Abstand voneinander. Erst bei weiterer Vorwärtsbewegung des Stempels 12 begeben sich die Dichtflächen infolge der Durchbiegung der Tellerfeder und des Federelementes 14 in die io Lage, die den ausgezogenen Konturen 22 und 23 entspricht. Die Tellerfeder 11 wird dabei vom Führungskonus 16 angehoben. Dadurch, dass sich die beiden Dichtflächen beim Schliessen des Ventils unmittelbar vor ihrer gegenseitigen Berührung genau in Richtung ihrer Flächennormalen aufeinan-i5 der zu bewegen und eine gegenseitige Parallelverschiebung ausgeschlossen ist, wird fast der ideale Anpressvorgang verwirklicht.

Dabei können auch wieder Materialpaarungen (hart gegen weich) in Betracht gezogen werden. Figur 5 zeigt eine sol-2o che Möglichkeit. Wieder ist die Dichtpartie in etwa 10 x vergrössertem Massstab gezeichnet. Der Führungskonus ist bei dieser Anordnung mit einer 0,2 mm dicken Scheibe aus einem weichen Material z.B. Kupfer oder Aluminium verbunden, die der Kontur der Tellerfeder 26 angepasst ist. Die Scheibe 25 25 kann leicht ausgewechselt werden, wenn ihre Deformation zu weit fortgeschritten ist.

Um ein etwaiges Kaltverschweissen der Dichtpartner zu vermeiden, ist es vorteilhaft, zumindest den einen mit einem Hartstoff zu überziehen. Es genügen dabei Schichten von we-30 niger als 1 m Dicke z.B. aus Titannitrid. Eine zusätzliche Möglichkeit, die Neigung zur Kaltverschweissung zu unterbinden, besteht darin, den Führungskonus, aus einem temperaturbeständigen Kunststoff mit niedrigem Dampfdruck, z.B. aus einer Fluorkohlenstoffverbindung herzustellen und, wie 35 in Figur 6 dargestellt, die federnde Konusfläche so auszubilden, dass sie im Vergleich zum Federlement 28 etwas Über-mass besitzt. Beim Schliessen des Ventils tritt dann der Kunststoff mit der vorbeistreifenden Dichtfläche 31 in Berührung, so dass auf ihr ein dünner Schmierfilm aufgebracht wird, der 40 die Neigung zu verschweissen, herabsetzt. Aus Figur 6 ist ersichtlich, dass eine Lippe 29 mit einem Aussendurchmesser vorgesehen werden kann, der grösser ist als der Innendurchmesser des Federelemen tes 28. Durch Berührung mit dieser Lippe wird die Dichtfläche 31 beim Schliessen mit dem 45 Kunststoff benetzt und eine Verschweissung also verhindert. Neben reinen temperaturbeständigen Kunststoffen können auch solche verwendet werden, die zusätzlich mit einem festen Schmiermittel wie z.B. Molybdändisulfid imprägniert sind.

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3 Blatt Zeichnungen