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Die
Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Maschinenbaus und betrifft
ein Hochdruck- und Vakuumdichtungssystem, welches beispielsweise
in Hochdruck- und Vakuumanlagen in Forschung und Technik zur Anwendung
kommen kann.
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Nach
DIN 35232 oder ISO 3669 ist ein metallisches Dichtsystem in Conflat-Ausführung (CF)
bekannt. Dabei wird ein flacher, rechteckiger Kupferblechring zwischen
2 Flanschen in gut passenden Nuten mit genau gegenüberliegenden
Schneidkanten, die radial geschlossen sind, mit hoher Kraft zusammengepresst.
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Nachteilig
an diesem Dichtsystem ist, dass dieses System für Dichtung von Vakuumanlagen sehr
gut geeignet ist, aber nicht gleichzeitig auch für die Dichtung von Anlagen
unter Druck (ca. 20 MPa). Auch ist bei dieser Lösung nachteilig, dass die Baugröße im Verhältnis zum
freien Durchgang der Flanschöffnungen
sehr groß ist.
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Weiterhin
bekannt ist die Dichtung von UHV-Systemen mittels Drahtdichtungen.
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Diese
in der Praxis beispielsweise von Herstellern von Analysegeräten (z.B.
AEI oder Vacuum Generators) verwendeten Dichtungen, werden vor allem
bei großen
Flanschdurchmessern eingesetzt. Dies ist vorteilhaft, da sie einen
geringen Dichtkraftaufwand haben, der bei mindestens gleicher spezifischer
Dichtpressung infolge des geringen Dichtungsquerschnitts notwendig
wird. Daher werden im Gegensatz zu Blechringen hier runde, volle Metalldrahtringe,
meist aus Gold, eingesetzt und an die Flanschgeometrie angepasst.
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Auch
hier eignet sich dieses Dichtungssystem nicht für Druckanwendungen.
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Für die Dichtung
von unter Druck stehenden Anlagen sind C-Ring-Dichtsysteme bekannt.
Diese bestehen aus einem im Querschnitt runden und hohlen Metallring,
der in Richtung des zu erwartenden Druckes geschlitzt ist und an
der entgegengesetzten Anlagefläche
der notwendigen Flanschdichtnut gut anliegt. Dieser Dichtring wird
vorgespannt und durch den angelegten Gasdruck fest an die Flansch-Dichtflächen angepresst.
Deshalb geht im Falle von Vakuum die Dichtigkeit gegen Null.
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Dieses
Dichtsystem ist daher für
unter Druck stehende Anlagen sehr gut geeignet, aber nicht für Vakuumanlagen.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines Hochdruck- und
Vakuumdichtungssystems, welches in einer Anlage gleichzeitig unter
hohen Drücken
und bei Hochvakuum gut dichtet.
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Die
Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das
erfindungsgemäße Hochdruck-
und Vakuumdichtungssystem besteht aus einem Vorrichtungsteil der
Hochdruck- und Vakuumanlage, in dem sich eine Öffnung befindet, und aus einem
Verschlussteil für
die Öffnung,
wobei sowohl im Vorrichtungsteil als auch im Verschlussteil eine
Aussparung über
den gesamten Umfang der Öffnung
vorhanden ist. Die äußere Form
des Querschnitts der Aussparung im Vorrichtungsteil und im Verschlussteil
bilden jeweils zwei Seiten eines Parallelogramms, die beim Verschließen der Öffnung durch
das Verschlussteil ein vollständiges
Parallelogramm bilden. In der Aussparung ist ein Dichtungselement vorhanden,
welches einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt aufweist
und aus einem vakuumdichten und unter Druck verformbaren Material
besteht. Das Dichtungselement ist nach dem Verschließen der Öffnung mit
dem Verschlussteil diagonal zum Querschnitt verformt und füllt vollständig oder
nahezu vollständig
den Raum der Aussparung formschlüssig aus.
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Vorteilhafterweise
ist die Öffnung
kreisförmig,
oval, elliptisch, quadratisch, rechteckig oder dreieckig.
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Weiterhin
vorteilhafterweise ist die Querschnittsform der Aussparung ein quadratisches
Parallelogramm und die Querschnittsform des Dichtungselementes quadratisch.
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Ebenfalls
vorteilhafterweise passt das quadratische oder rechteckige Dichtungselement
vollständig
oder nahezu vollständig
in den quadratischen oder rechteckigen Teil der parallelogrammförmigen Aussparung.
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Von
Vorteil ist auch, wenn das Dichtungselement aus einem Metall besteht
und noch vorteilhafterweise wenn das Dichtungselement aus Kupfer
besteht.
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Auch
von Vorteil ist es, wenn die Aussparungen und das Dichtungselement
jeweils eine glatte Oberfläche
aufweisen.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Hochdruck- und
Vakuumdichtungssystem kann erstmalig gleichzeitig in einer Anlage
sowohl eine Hochdruck- als auch eine Vakuumdichtheit realisiert
werden. Dabei sollen im Rahmen der Erfindung unter Hochdruck Drücke bis
zu 20 MPa und unter Hochvakuum Drücke bis zu 1 × 10–5 Pa
verstanden werden.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Hochdruck- und
Vakuumdichtungssystem können
Undichtigkeitsraten L von kleiner 1 × 10–5 Pa
l/s gesichert erreicht werden. Auch ist das erfindungsgemäße Hochdruck- und
Vakuumdichtungssystem in einem weiten Temperaturbereich einsetzbar.
Dabei sind Temperaturen von 70 K bis 500 K für den erfindungsgemäßen Einsatz
möglich.
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Auch
die Form und Größe der Öffnung ist
beliebig frei wählbar.
Sofern eine rotationssymmetrische Form der Öffnung vorliegt, kann das Verschlussteil
eingeschraubt und dabei das Dichtungselement verformt werden. In
anders geformte Öffnungen
kann dass Verschlussteil durch beispielsweise Schraubverbindungen
eingepresst und dabei das Dichtungselement verformt werden.
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Das
Entfernen des Verschlussteiles ist nach der Anwendung ohne Probleme
einfach möglich. Beim
Wiederverschließen
der Öffnung
muss jedoch ein neues unverformtes Dichtungselement eingefügt werden.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass die äußerst hohen
Oberflächengüten der
Dichtflächen,
die bei Dichtungslösungen
nach dem Stand der Technik unbedingt erforderlich sind, nicht zwingend
vorliegen müssen
und die vorliegende Lösung
auch noch bei sehr geringen Anforderungen an die Oberflächengüte der Dichtflächen sicher funktioniert.
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Im
Weiteren wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Dabei
stellt die beigefügte
Zeichnung nur eine Prinzipskizze der Erfindung dar und gibt keinen
Aufschluss über
tatsächliche
Abmessungen.
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1 zeigt
einen Querschnitt durch eine Öffnung
einer Hochdruck- und Vakuumanlage, bei dem links halbseitig die Öffnung mit
dem Verschlussteil nur bedeckt ist und rechts halbseitig die Öffnung im vollständig geschlossenem
Zustand dargestellt ist.
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Eine
Hochdruck- und Vakuumanlage weist eine runde Beschickungsöffnung 2 von
2,00 cm Durchmesser auf. Zur Außenseite
der Anlage hin erweitert sich die Öffnung erst rechtwinklig zur
Außenkante
der Öffnung
2,30 cm weit und dann mit einer Neigung von 5 ° nach außen von der Außenkante
der Öffnung
aus gesehen 0,09 cm. Diese Neigung geht in einen geraden Teil von
0,05 cm über,
der parallel zur Außenkante
der Öffnung
angeordnet ist. Danach schließt
sich die Außenseite
der Anlage an.
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Nach
dem Einbringen der Proben wird die Öffnung 2 mit einem
Deckel 1, 5, 6 und 8 M6-Schrauben
verschlossen. Der Deckel 1, 5, 6 weist
einen runden mittigen Teil auf, der einen Durchmesser von 2,00 cm
aufweist und bei nur aufgelegtem Deckel 1, 5, 6 1,80
cm und bei vollständig
geschlossenem Deckel 1, 5, 6 2,00 cm
in die Öffnung 2 hineinreicht.
Danach erweitert sich der Durchmesser des runden mittigen Teiles
des Deckels 1, 5, 6 mit einer Neigung
von 5 ° über eine
Höhe von
0,85 cm, und dann rechtwinklig zur Außenkante des runden mittigen
Teiles auf einer Länge
von 1,15 cm. Danach schließt
sich ein gerader Teil von 0,5 cm an, der parallel zur Außenkante des
runden mittigen Teiles verläuft
und dann in die Seite des Deckels 1, 5, 6 übergeht,
der parallel zur Außenseite
der Anlage abschließt.
Der Teil der Erweiterung des Deckels 1, 5, 6 der
rechtwinklig und schräg
zur Außenkante
des runden mittigen Teiles angeordnet ist, bildet die Aussparung
für das
Dichtungselement 3, 4 und gleichzeitig zwei Seiten
eines Parallelogramms.
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Das
Dichtungselement 3, 4 ist ein Kupferring mit einem
quadratischen Querschnitt von 0,10 cm Kantenlänge.
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Das
Dichtungselement 3 wird in die Aussparung der Öffnung 2 eingelegt
und der Deckel 1, 5 darüber angeordnet. Dieser Zustand
ist links halbseitig in 1 dargestellt.
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Anschließend werden
die Schrauben angezogen und dadurch der Deckel 1, 6 in
Richtung Öffnung 2 bewegt.
Dabei wird der Kupferring 4 zusammengepresst und füllt das
Volumen der parallelogrammförmigen
Aussparung zwischen Öffnung 2 und Deckel 1, 6 zu
99,99 % aus. Dieser Zustand ist rechts halbseitig in 1 dargestellt.
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Während der
Arbeitszeit der Hochdruck- und Vakuumanlagen von 5 h wurde eine
Undichtigkeitsrate von maximal 1 × 10–5 Pa
l/s festgestellt.
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- 1
- Verschlussteil/Deckel
- 2
- Öffnung
- 3
- Dichtungselement
- 4
- Dichtungselement
- 5
- Verschlussteil/Deckel
im eingelegten Zustand
- 6
- Verschlussteil/Deckel
im geschlossenen Zustand