DE102013210073B4 - Vacuum-tight rotary feedthrough for vacuum applications - Google Patents

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Abstract

Vakuumdichte Drehdurchführung zur Aufnahme eines rotierenden Maschinenelementes (3), umfassend einen ersten Flansch (1) und einen zweiten Flansch (2), die relativ zueinander beweglich sind, wobei der zweite Flansch (2) kraftschlüssig mit dem rotierenden Maschinenelement (3) vakuumdicht über einen O-Ring (7) verbunden ist, und die beiden Flansche (1, 2) über je ein primäres Dichtelement (10) und ein sekundäres Dichtelement (11) über einen Anpressdruck miteinander verbunden sind, wobei zur Erzeugung eines permanenten axialen Anpressdrucks ein Federelement (6) an dem Maschinenelement (3) und dem beweglichen Flansch (2) angeordnet ist.A vacuum-tight rotary feedthrough for receiving a rotating machine element (3), comprising a first flange (1) and a second flange (2) which are movable relative to each other, wherein the second flange (2) non-positively with the rotating machine element (3) via a vacuum-tight O-ring (7) is connected, and the two flanges (1, 2) via a respective primary sealing element (10) and a secondary sealing element (11) are interconnected via a contact pressure, wherein for generating a permanent axial contact pressure, a spring element ( 6) is arranged on the machine element (3) and the movable flange (2).

Description

Die Erfindung betrifft eine vakuumdichte Drehdurchführung, wie sie beispielsweise in Vakuumprozessanlagen zur Beschichtung von Substraten Anwendung findet. The invention relates to a vacuum-tight rotary feedthrough, as used for example in vacuum process equipment for coating substrates.

Drehdurchführungen werden benötigt, um rotierende Teile, wie z.B. Wellen, durch Kammerwände und ähnliches hindurchzuführen, wenn das antreibende Maschinenelement, beispielsweise eine Antriebseinrichtung, auf der einen Seite der Kammerwand angeordnet ist und das anzutreibende Maschinenelement, beispielsweise eine rotierende Hohlwelle, auf der anderen Seite der Kammerwand angeordnet ist. Eine Drehdurchführung ist beispielsweise aus der DE 10 2012 202 715 A1 zur Aufnahme einer drehbar gelagerten Welle bekannt. Rotary feedthroughs are required to pass rotating parts, such as shafts through chamber walls and the like, when the driving machine element, such as a drive means, is disposed on one side of the chamber wall and the machine element to be driven, for example, a rotating hollow shaft, on the other side of the Chamber wall is arranged. A rotary feedthrough is for example from the DE 10 2012 202 715 A1 known for receiving a rotatably mounted shaft.

Wenn zwischen den beiden Seiten der Kammerwand eine Druckdifferenz aufrechterhalten werden muss (z.B. atmosphärischer Druck auf der einen Seite, Hochvakuum auf der anderen Seite) oder/und die Atmosphären auf beiden Seiten der Kammerwand unterschiedlich zusammengesetzt sind (z.B. Luft auf der einen Seite, Inertgas auf der anderen Seite) oder/und sich verschiedene Medien auf beiden Seiten der Kammerwand befinden (z.B. Wasser auf der einen Seite, Vakuum auf der anderen Seite), dann ist es erforderlich, die Drehdurchführung so zu gestalten, dass ein ungewollter Druckausgleich bzw. ein Gasaustausch zwischen beiden Seiten der Kammerwand, die durch Leckagen der Drehdurchführung verursacht werden, verhindert werden. If a pressure difference must be maintained between the two sides of the chamber wall (eg atmospheric pressure on one side, high vacuum on the other side) or / and the atmospheres on both sides of the chamber wall are differently composed (eg air on one side, inert gas on) the other side) or / and different media are on both sides of the chamber wall (eg water on one side, vacuum on the other side), then it is necessary to make the rotary feedthrough so that an unintentional pressure equalization or gas exchange between both sides of the chamber wall, which are caused by leakage of the rotary feedthrough prevented.

Drehdurchführungen für Vakuumanlagen können beispielsweise zwei hintereinander wirkende Dichtungen aufweisen, wobei eine Dichtung so angeordnet ist, dass sie zur Atmosphäre hin dichtet und die andere Dichtung so angeordnet ist, dass sie zum Vakuum oder zur Prozessatmosphäre hin dichtet. Zwischen diesen beiden Dichtungen kann beispielsweise mit einem Sperrmedium, d.h. einem Sperrgas oder einer Sperrflüssigkeit, eine vollständige Trennung der Medien erreicht werden. Alternativ kann mit einem zwischen beiden Dichtungen erzeugten Zwischenvakuum eine Trennung von Atmosphäre und Prozessraum erreicht werden. Rotary feedthroughs for vacuum systems may, for example, have two successive seals, one seal being arranged to seal to the atmosphere and the other seal to seal to the vacuum or process atmosphere. For example, between these two seals may be provided with a barrier medium, i. a barrier gas or a barrier liquid, a complete separation of the media can be achieved. Alternatively, a separation of atmosphere and process space can be achieved with an intermediate vacuum generated between the two seals.

In der DE 38 43 291 A1 ist beispielsweise ein Vorkammerschutz für Gleitringdichtungen in rotierenden Laufwerksteilen von Baumaschinen offenbart, wobei mit einem pastenartigen Schmierstoff das Eindringen von Fremdteilen vermieden werden kann. Auch die Verwendung von Silikonöl oder Vakuumfett ist aus der DD 279 143 A3 bekannt. In the DE 38 43 291 A1 For example, a pre-chamber protection for mechanical seals in rotating drive parts of construction machinery is disclosed, with a paste-like lubricant, the penetration of foreign parts can be avoided. Also, the use of silicone oil or vacuum grease is out of the DD 279 143 A3 known.

Um eine ausreichende Dichtwirkung zu erreichen, können Dichtelemente der Dichtungseinrichtung beispielsweise mit einer Dichtlippe versehen sein. Solche Dichtlippen können beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass als Dichtelement ein Wellendichtring verwendet wird, dessen Innendurchmesser geringer ist als der Außendurchmesser des rotierenden Maschinenelements, das durch die Drehdurchführung hindurchragt. Dabei entsteht ein unter Eigenspannung stehender Dichtspalt zwischen der Dichtlippe und dem rotierenden Maschinenelement. In order to achieve a sufficient sealing effect, sealing elements of the sealing device can be provided, for example, with a sealing lip. Such sealing lips can be produced, for example, by using a shaft sealing ring as the sealing element, the inner diameter of which is smaller than the outer diameter of the rotating machine element, which protrudes through the rotary leadthrough. This results in a self-stressing sealing gap between the sealing lip and the rotating machine element.

Beispielsweise können auch Ferrofluide als Dichtelement eingesetzt werden, die auf magnetische Felder reagieren, ohne zu verfestigen. For example, ferrofluids can also be used as a sealing element that react to magnetic fields without solidifying.

Ein Nachteil der bisher verwendeten Materialien in vakuumdichten Drehdurchführungen ist, dass diese grundsätzlich nicht wärmestabil sind, sondern nur für Temperaturen bis etwa 80°C ausgelegt sind. A disadvantage of the previously used materials in vacuum-tight rotary joints is that they are basically not thermally stable, but are designed only for temperatures up to about 80 ° C.

Bei vielen Anwendungen müssen diese Drehdurchführungen prozessbedingt großen Temperaturschwankungen zuverlässig standhalten und vakuumdicht bleiben. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine geeignete robuste Drehdurchführung zur Verfügung zu stellen, die Temperaturen in einem weiten Bereich von –20°C bis +200°C standhalten kann. In many applications, these rotary joints must reliably withstand large temperature fluctuations and remain vacuum-tight due to the process. It is therefore an object of the invention to provide a suitable robust rotary feedthrough which can withstand temperatures in a wide range of -20 ° C to + 200 ° C.

Die Aufgabe der Erfindung wird mit einer vakuumdichten Drehdurchführung zur Aufnahme eines rotierenden Maschinenelementes gelöst, die einen ersten Flansch und einen zweiten Flansch, die relativ zueinander beweglich sind, umfasst, wobei der zweite Flansch kraftschlüssig mit dem rotierenden Maschinenelement vakuumdicht über einen O-Ring verbunden ist, und die beiden Flansche über je ein primäres Dichtelement und ein sekundäres Dichtelement über einen Anpressdruck miteinander verbunden sind, wobei zur Erzeugung eines permanenten axialen Anpressdrucks ein Federelement an dem Maschinenelement und dem beweglichen Flansch angeordnet ist. The object of the invention is achieved with a vacuum-tight rotary feedthrough for receiving a rotating machine element comprising a first flange and a second flange, which are movable relative to each other, wherein the second flange is non-positively connected to the rotating machine element vacuum-tight over an O-ring , And the two flanges are connected to each other via a respective primary sealing element and a secondary sealing element via a contact pressure, wherein for generating a permanent axial contact pressure, a spring element is arranged on the machine element and the movable flange.

Relativ zueinander beweglich kann beispielsweise bedeuten, dass ein erster Flansch feststehend oder beweglich und ein zweiten Flansch beweglich ausgebildet ist. Weiterhin können der erste und der zweite Flansch gegenläufig oder / und im gleiche Drehsinn, aber mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten rotierend ausgebildet sein. Movable relative to each other may mean, for example, that a first flange is fixed or movable and a second flange is designed to be movable. Furthermore, the first and the second flange can be designed to rotate in opposite directions and / or in the same direction of rotation, but at different angular speeds.

Dabei fixiert das sekundäre Dichtelement das primäre Dichtelement. In this case, the secondary sealing element fixes the primary sealing element.

Das primäre Dichtelement besteht aus gehärtetem und geläpptem Kohlenstoffstahl, wodurch hohe Temperaturen von +200°C unkritisch sind. The primary sealing element consists of hardened and lapped carbon steel, which makes high temperatures of + 200 ° C uncritical.

Um einen Winkel- sowie axialen Versatz in geringen Maßen ausgleichen zu können ist das sekundäre Dichtelement elastisch ausgebildet. Damit kann eine einheitliche axiale Anpressung ausgebildet werden und beispielsweise Fertigungstoleranzen des aufzunehmenden Maschinenelementes können ausgeglichen und die Vakuumdichtheit gewährleistet werden. In order to compensate for an angular and axial offset in small dimensions, the secondary sealing element is elastic. Thus, a uniform axial contact pressure can be formed and, for example, manufacturing tolerances of the male machine element can be compensated and the vacuum tightness can be ensured.

In einer Ausgestaltung der Erfindung kann das primäre Dichtelement als ein Metallgleitring und das sekundäre Dichtelement als ein O-Ring ausgebildet sein. In one embodiment of the invention, the primary sealing element may be formed as a metal sliding ring and the secondary sealing element as an O-ring.

Das primäre und sekundäre Dichtelement sind für Temperaturen von wenigstens –20°C bis mindestens +150°C einsetzbar. The primary and secondary sealing element can be used for temperatures of at least -20 ° C to at least + 150 ° C.

Optional können das primäre und sekundäre Dichtelement atmosphärenseitig mit einem Vakuumfett über einen Schmiernippel geschmiert werden. Dabei wird eine Dichtscheibe zwischen beweglichem und feststehendem Flansch derart angeordnet, dass atmosphärenseitig ein Austritt von Vakuumfett verhindert wird. Optionally, the primary and secondary sealing elements can be lubricated on the atmosphere side with a vacuum grease via a grease nipple. In this case, a sealing disc between the movable and fixed flange is arranged such that the atmosphere side, a leakage of vacuum grease is prevented.

Wird die Drehdurchführung in einer Kammerwand einer Vakuumprozessanlage angebracht, so ist der bewegliche Flansch atmosphärenseitig und der feststehende Flansch vakuumseitig der Kammerwand angeordnet und der Anpressdruck wird durch den Differenzdruck zwischen Atmosphäre und Vakuum erzeugt. If the rotary feedthrough is mounted in a chamber wall of a vacuum processing system, the movable flange is on the atmosphere side and the fixed flange is arranged on the vacuum side of the chamber wall and the contact pressure is generated by the pressure difference between the atmosphere and vacuum.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die nachfolgende Zeichnung zeigt eine Ausführung der erfindungsgemäßen vakuumdichten Drehdurchführung mit einem beweglichen Flansch und einem feststehenden Flansch, wobei die Dichtung durch eine Laufwerksdichtung gewährleistet wird. The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. The drawing below shows an embodiment of the vacuum-tight rotary feedthrough according to the invention with a movable flange and a fixed flange, wherein the seal is ensured by a drive seal.

In einer Ausführung der erfindungsgemäßen Drehdurchführung wird die Vakuumdichtheit durch eine Laufwerksdichtung 41, 42 erzeugt, die aus zwei Metallgleitringen 10 und zwei Runddichtungen 11 besteht, wobei die Runddichtungen 11 die Metallgleitringe 10 fixieren und eine statische Dichtheit zu den Flanschen (1, 2) herstellen. Die Runddichtungen 11 sind als O-Ringe ausgebildet, so dass ein Winkelversatz sowie ein axialer Versatz in geringem Maße ausgeglichen werden können und die Drehdurchführung vakuumdicht bleibt. Die Drehdurchführung kommt in einer Vakuumprozessanlage zum Einsatz. Dabei wird der Anpressdruck durch den Differenzdruck zwischen Atmosphäre A und Vakuum V erzeugt. Bei Wartung der Anlage wird der minimal notwendige Anpressdruck durch ein Federelement 6 zur Verfügung gestellt. Das Federelement 6 ist dabei atmosphärenseitig A auf der Hohlwelle 3, beispielsweise einer Kühlwalze einer Vakuumbeschichtungsanlage angebracht und mit dem beweglichen Flansch 2 verbunden. Atmosphärenseitig A kann die Laufwerksdichtung 41, 42 über einen Schmiernippel 8 oder ähnliches mit Vakuumfett, welches in einem weiten Temperaturbereich einsetzbar ist, beispielsweise zwischen –60°C bis +200°C, optional geschmiert werden. Die Gleitflächen der Laufwerksdichtung 41, 42 bestehen aus Werkzeugstahl mit gehärteten und geläppten Kohlenstoffstahl-Kontaktflächen. Diese Kontaktflächen sollen allein die Vakuumdichtheit der Drehdurchführung gewährleisten. Durch Verwendung der Metalldichtringe 10 und temperaturstabiler Elastomere für die Runddichtungen 11 ist die Drehdurchführung ausheizbar und bis zu 200°C temperaturstabil, so dass die Funktion der Drehdurchführung auch bei Beschichtungsprozessen bei hohen Temperaturen gewährleistet ist. Diese Drehdurchführung ist für Drehzahlen von bis zu 150 U/min einsetzbar. In one embodiment of the rotary feedthrough according to the invention, the vacuum tightness by a drive seal 41 . 42 produced, consisting of two metal slip rings 10 and two round seals 11 exists, with the round seals 11 the metal slip rings 10 fix and a static tightness to the flanges ( 1 . 2 ) produce. The round seals 11 are designed as O-rings, so that an angular offset and an axial offset can be compensated to a small extent and the rotary feedthrough remains vacuum-tight. The rotary union is used in a vacuum process plant. The contact pressure is generated by the differential pressure between atmosphere A and vacuum V. When servicing the system, the minimum necessary contact pressure is achieved by a spring element 6 made available. The spring element 6 is on the atmosphere side A on the hollow shaft 3 , For example, a cooling roller of a vacuum coating system attached and with the movable flange 2 connected. At the atmosphere side A can the drive seal 41 . 42 via a grease nipple 8th or the like with vacuum grease, which can be used in a wide temperature range, for example, between -60 ° C to + 200 ° C, optionally lubricated. The sliding surfaces of the drive seal 41 . 42 consist of tool steel with hardened and lapped carbon steel contact surfaces. These contact surfaces alone should ensure the vacuum tightness of the rotary feedthrough. By using the metal sealing rings 10 and temperature-stable elastomers for round seals 11 the rotary feedthrough is bakeable and temperature stable up to 200 ° C, so that the function of the rotary feedthrough is guaranteed even in coating processes at high temperatures. This rotary feedthrough can be used for speeds of up to 150 rpm.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1
feststehender Flansch fixed flange
2 2
beweglicher Flansch movable flange
3 3
Maschinenelement, z.B. eine Hohlwelle Machine element, e.g. a hollow shaft
41 41
erste Teillaufwerksdichtung first partial drive seal
42 42
zweite Teillaufwerksdichtung second partial drive seal
5 5
Dichtscheibe, z.B. NILOS-Ring Sealing washer, e.g. NILOS ring
6 6
Federelement spring element
7 7
O-Ring O-ring
8 8th
Schmiernippel grease nipple
9 9
Verschlussschraube Screw
10 10
primäres Dichtelement primary sealing element
1111
sekundäres Dichtelement  secondary sealing element
12 12
Kammerwand chamber wall
A A
atmosphärenseitig atmosphere side
V V
vakuumseitigvacuum side

Claims (10)

Vakuumdichte Drehdurchführung zur Aufnahme eines rotierenden Maschinenelementes (3), umfassend einen ersten Flansch (1) und einen zweiten Flansch (2), die relativ zueinander beweglich sind, wobei der zweite Flansch (2) kraftschlüssig mit dem rotierenden Maschinenelement (3) vakuumdicht über einen O-Ring (7) verbunden ist, und die beiden Flansche (1, 2) über je ein primäres Dichtelement (10) und ein sekundäres Dichtelement (11) über einen Anpressdruck miteinander verbunden sind, wobei zur Erzeugung eines permanenten axialen Anpressdrucks ein Federelement (6) an dem Maschinenelement (3) und dem beweglichen Flansch (2) angeordnet ist. Vacuum-tight rotary feedthrough for receiving a rotating machine element ( 3 ), comprising a first flange ( 1 ) and a second flange ( 2 ) which are movable relative to each other, wherein the second flange ( 2 ) frictionally with the rotating machine element ( 3 ) vacuum-tight over an O-ring ( 7 ), and the two flanges ( 1 . 2 ) via a respective primary sealing element ( 10 ) and a secondary sealing element ( 11 ) are connected to each other via a contact pressure, wherein for generating a permanent axial contact pressure, a spring element ( 6 ) on the machine element ( 3 ) and the movable flange ( 2 ) is arranged. Drehdurchführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das sekundäre Dichtelement (11) das primäre Dichtelement (10) fixiert. Rotary feedthrough according to claim 1, characterized in that the secondary sealing element ( 11 ) the primary sealing element ( 10 ) fixed. Drehdurchführung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das primäre Dichtelement (10) aus gehärtetem und geläpptem Kohlenstoffstahl besteht. Rotary feedthrough according to claim 1 or 2, characterized in that the primary sealing element ( 10 ) consists of hardened and lapped carbon steel. Drehdurchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das sekundäre Dichtelement (11) elastisch ausgebildet ist, wobei eine einheitliche axiale Anpressung ausgebildet ist. Rotary feedthrough according to one of claims 1 to 3, characterized in that the secondary sealing element ( 11 ) is formed elastically, wherein a uniform axial contact pressure is formed. Drehdurchführung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das primäre Dichtelement (10) als ein Metallgleitring und das sekundäre Dichtelement (11) als ein O-Ring ausgebildet ist. Rotary feedthrough according to one of the preceding claims, characterized in that the primary sealing element ( 10 ) as a metal slip ring and the secondary sealing element ( 11 ) is formed as an O-ring. Drehdurchführung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das primäre (10) und sekundäre Dichtelement (11) bei Temperaturen von wenigstens –20°C bis mindestens +150 °C einsetzbar sind. Rotary feedthrough according to one of the preceding claims, characterized in that the primary ( 10 ) and secondary sealing element ( 11 ) can be used at temperatures of at least -20 ° C to at least +150 ° C. Drehdurchführung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das primäre (10) und sekundäre Dichtelement (11) mit einem Vakuumfett über einen Schmiernippel (8) geschmiert sind. Rotary feedthrough according to one of the preceding claims, characterized in that the primary ( 10 ) and secondary sealing element ( 11 ) with a vacuum grease via a grease nipple ( 8th ) are lubricated. Drehdurchführung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dichtscheibe (5) zwischen beweglichem (2) und feststehendem Flansch (1) derart angeordnet ist, dass ein Austritt von Vakuumfett verhindert ist. Rotary feedthrough according to one of the preceding claims, characterized in that a sealing disc ( 5 ) between moving ( 2 ) and fixed flange ( 1 ) is arranged such that an escape of vacuum grease is prevented. Vakuumprozessanlage mit einer an einer Kammerwand (12) der Vakuumkammer angebrachten Drehdurchführung nach den vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Flansch (1) vakuumseitig (V) und der zweite Flansch (2) atmosphärenseitig (A) an der Kammerwand (12) angeordnet ist und der Anpressdruck, der Differenzdruck zwischen Atmosphäre und Vakuum ist. Vacuum process system with one on a chamber wall ( 12 ) of the vacuum chamber mounted rotary feedthrough according to the preceding claims, characterized in that the first flange ( 1 ) vacuum side (V) and the second flange ( 2 ) on the atmosphere side (A) on the chamber wall ( 12 ) is arranged and the contact pressure, the differential pressure between the atmosphere and vacuum. Vakuumprozessanlage nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (6) zur Erzeugung eines permanenten Anpressdrucks atmosphärenseitig (A) an dem Maschinenelement (3) und dem beweglichen Flansch (2) angeordnet ist. Vacuum process system according to claim 9, characterized in that the spring element ( 6 ) for generating a permanent contact pressure on the atmosphere side (A) on the machine element ( 3 ) and the movable flange ( 2 ) is arranged.
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