DE1185873B - Verfahren und Vorrichtung zum Abdichten von Ultrahochvakuumflanschverbindungen - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zum Abdichten von Ultrahochvakuumflanschverbindungen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abdichten von Flanschverbindungen in Ultrahochvakuumanlagen, insbesondere an Behältern und Apparaturen größeren Durchmessers, in denen Drücke unterhalb 1.0-s Torr, vorzugsweise unterhalb 10-8 Torr, erreicht werden sollen, mit mindestens einem in einer Ringnut der Dichtflächen eines Flansches eingelegten gummielastischen Dichtring. Außerdem wird eine vorteilhafte Flanschverbindung zur Durchführung dieses Verfahrens angegeben.
• In der Technik der Hochvakuumdichtungen sind Flanschabdichtungen mit einfachen und doppelten Dichtungsringen zwischen glatten Flanschen oder Flanschen mit Ausnehmungen in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Ihnen haftet der gemeinsame Nachteil an, daß durch die Gasabgabe der Dichtung erhebliche Schwierigkeiten bei der Erzielung höchster Vakuawerte auftreten.
• Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, eine speziell für die Erzeugung von Hochvakuum geeignete Abdichtung zu schaffen, bei der die Gasabgabe der gummielastischen Dichtungselemente wesentlich verringert ist. Das Kennzeichnende der Erfindung wird darin gesehen, daß der oder die gummielastischen Dichtungsringe wenigstens während der Endevakuierung durch ein Kühlmittel unter Umgebungstemperatur, vorzugsweise unter 0° C abgekühlt werden. Man kennt zwar bereits hochtemperaturfeste Vakuumabdichtungen, bei denen die Verwendung eines an sich nicht wärmebeständigen gummielastischen Dichtungsmaterials durch die Anordnung zusätzlicher Kühlvorrichtungen im Bereich der Dichtung ermöglicht wird. Bei derartigen Ausführungen soll jedoch die Kühlung lediglich eine hinreichende Lebensdauer des Dichtungsmaterials ermöglichen. Probleme der Gasabgabe treten im Bereich der dort verwendeten Druckwerte noch nicht als wesentliche Störungsursache in Erscheinung. Es hat sich gezeigt, daß bei der erfindungsgemäßen Anordnung in einem abgesperrten Hochvakuumraum Drücke zwischen 10-9 bis 10-16 Torr erreicht werden können, wenn man die gummielastischen Dichtungselemente unter 0° C abkühlt. Hierdurch wird also gegenüber dem Vorbekannten ein sehr wesentlicher technischer Fortschritt erzielt.
• Bei einer bevorzugten Ausführung der Flanschverbindung zur Durchführung des Verfahrens weisen die Flansche im Bereich der zu kühlenden Dichtungsringe in an sich bekannter Weise einen an äußere Zu- und Ableitungen für das Kühlmittel angeschlossenen Hohlraum auf. Bei einer derartigen Flanschverbindung kann es vorteilhaft sein, zwei konzentrische gummielastische Dichtungsringe vorzusehen, zwischen denen in an sich bekannter Weise ein Hohlraum zur Durchleitung des Kühlmittels angeordnet ist. Eine vorbekannte Ausführung verwendet ein einstückiges Doppeldichtungselement, wobei zwischen den beiden elastischen Dichtungsringteilen zwei mittlere Hohlräume entstehen, in die zur Verstärkung der Abdichtwirkung eine Dichtflüssigkeit eingefüllt wird. Es handelt sich hierbei jedoch nicht um die Schaffung von Abdichtungen in Ultrahochvakuumanlagen, und außerdem wird keine Abkühlung der Dichtungsflüssigkeit zur Verminderung der Gasabgabe des Dichtungsmaterials herbeigeführt. Außerhalb der Vakuumtechnik sind ferner lösbare druckdichte Rohrverbindungen bekanntgeworden, welche zwei konzentrische gummielastische Dichtungselemente aufweisen, wobei die Abdichtwirkung mit Hilfe eines in den Hohlraum eingeleiteten gasförmigen oder flüssigen Druckmediums geprüft werden kann. Auch hier fehlt jeder Bezug zu einer speziellen Aufgabenstellung der Erfindung, welche ausschließlich die Schaffung von Ultrahochvakuumverbindungen zum Gegenstand hat, in denen Drücke unterhalb 10-s erzeugt werden können.
• Zum Zusammenspannen der Flansche können in an sich bekannter Weise seitlich übergreifende Schraubzwingen vorgesehen sein. Die Dichtungsringe bestehen zweckmäßig aus Gummi, Neopren, polymerisiertem Vinvlchlorid oder verwandten svnthetisehen, gummiartigen, elastischen Stoffen. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn der Werkstoff zwar elastisch, aber in sich nicht kompressibel ist.
• In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt; es zeigt F i g. 1 einen teilweisen Längsschnitt durch eine Flanschdichtung gemäß der Erfindung, F i g. 2 einen Teil der Flanschdichtung nach F i g. 1 in vergrößertem Maßstab.
• F i g. 1 zeigt Wände 28 und 30, die eine Hochvakuumkammer 27 abgrenzen und einen oberen Flansch 12 bzw. einen unteren Flansch 10 tragen. Die Flansche 10 und 12 werden von Schraubzwingen 13 zusammengehalten. Der untere Flansch 10 hat zwei Ringnuten 18 und 20 sowie einen Kanal 14 mit rechteckigem Querschnitt und ist im übrigen flach. In die Ringnuten 18 und 20 sind Dichtungsringe 22 und 24 gelegt. Der Kanal 14 wird von den Flanschen 10 und 12 und den Dichtungsringen 22 und 24 allseitig abgeschlossen.
• Ein Rohr 40, eine Kühlvorrichtung 38 und eine Pumpe 42 dienen zum Umwälzen einer Kühlflüssigkeit durch den Kanal 14. Ein weiteres Rohr ist diametral gegenüber dem gezeigten an den Flansch angeschlossen. Diese Rohre bilden den Ein- und Ausfluß für eine Flüssigkeit, die nacheinander durch die Kühlvorrichtung 38 und den Kanal 14 zirkuliert.
• F i g. 2 zeigt die Verformung des inneren gummiartigen, elastischen Dichtungsringes 22. Der Flanschteil 42 und der Flanschteil 44 beiderseits des Dichtungsringes werden durch eine Reihe von Schraubzwingen fest gegen den Dichtungsring gedrückt. Diese Kompression erhöht den inneren Druck des Dichtungsringes 22 und den Druck, den der Dichtungsring gegen die anliegenden Oberflächen der Flansche 10 und 12 ausübt.
• Die folgenden beim Experimentieren gewonnenen Ergebnisse zeigen den Einfluß einer Erniedrigung der Temperatur der Kühlflüssigkeit, die in Kanal 14 zirkuliert. Beispiel Die Apparatur bestand unter anderem aus einer Rezipientenkammer, die einen Türflansch von etwa 120 cm Durchmesser hatte. Die Tür hatte zwei normale O-RingNuten (s. F i g. 1, Nuten 18 und 20) mit einer Tiefe von etwa 0,5 cm, deren Seitenwände gegen die Oberfläche des Flansches etwa 75' geneigt waren. Die Mittellinie der inneren Nut 20 war etwas von der Innenkante des Flansches entfernt. Die O-Ringe aus Neopren hatten eine Schnurstärke von etwa 0,70 cm. Die Flansche hatten einen äußeren Durchmesser von etwa 120 cm und einen inneren Durchmesser von etwa 107 cm. Die Flansche waren an die Rezipientenwand angeschweißt. Vierundzwanzig Schraubzwingen wurden rings um die Peripherie der aneinandergesetzten Flansche angebracht, um die beiden Flansche zusammenzupressen. Der Rezipient hatte ein Volumen von etwa 1,33 m-3 und war mit Kühlfallen versehen, die flüssigen Stickstoff enthielten. Das System wurde mit Hilfe von Diffusionspumpen entgast und evakuiert. Wenn die Flansche sich auf Zimmertemperatur befanden (etwa 20° C), betrug der Enddruck etwa 5-10-9 mm Hg absolut. Lief kaltes Wasser (etwa 10° C) durch den Kanal 14, so betrug der Enddruck in dem System etwa 2 - 10-'' mm Hg absolut. Lief heißes Wasser durch Kanal 14, so erreichten die Flansche eine Temperatur von 54° C, und der Enddruck in dem System stieg auf etwa 4-10-$ mm H- absolut. Wurde die Außentemperatur des Flansches auf etwa 7° C heruntergedrückt, indem man ein Kühlmittel von 2° C durch den Kanal zirkulieren ließ, dann sank der Druck in dem System auf 1,4- 10-9 mm Hg absolut. Hatte das Kühlmittel eine Temperatur von -38° C an der Eintrittsöffnung und von -28° C an der Austrittsöffnung, dann sank der Enddruck in dem System auf 3,8 - 10-10 mm Hg absolut.
• Im allgemeinen ist das im Vakuumsystem erreichbare Endvakuum um so besser, je niedriger die Temperatur ist, auf die der Dichtungsring gekühlt werden kann, solange die Temperatur des gummiartigen Dichtungsringmaterials nicht so niedrig gemacht wird, daß derselbe seine gummiartigen Eigenschaften verliert. Wird z. B. Neopren auf Temperaturen in der Gegend von -200° C abgekühlt, so hört es auf, ein gummiartiger, elastischer Stoff zu sein, sondern wird eine ziemlich harte, brüchige Substanz. Daher kann es bei solchen niedrigen Temperaturen nicht seinen Dichtungsaufgaben genügen, selbst wenn seine Gasabgabegeschwindigkeit praktisch Null ist.
• Neopren und polymerisiertes Vinylchlorid haben sich als besonders geeignet für die gummielastischen Dichtungsringe erwiesen. Andere geeignete Stoffe sind die verschiedenen natürlichen Kautschukarten, Neoprene, Buna- und Butylkautschuk, Polysulfidkautschuk, Vinylharze, Kopolymere und Polyester und organische Fluorverbindungen. Räumliche Unkomprimierbarkeit des Dichtungswerkstoffes scheint wesentlich zu sein.
• Silikonkautschuke sind trotz ihres niedrigen Dampfdruckes und ihrer Elastizität nicht gut geeignet, weil sie räumlich komprimierbar sind.

Claims (5)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Abdichten von Flanschverbindungen in Ultrahochvakuumanlagen, insbesondere an Behältern und Apparaten großen Durchmessers, in denen Drücke unterhalb 10-6 Torr, vorzugsweise unterhalb 10-ß Torr, erreicht werden sollen, mit mindestens einem in eine Ringnut der Dichtflächen eines Flansches eingelegten gummielastischen Dichtungsring, d a -durch gekennzeichnet, daß der oder die gummielastischen Dichtungsringe wenigstens während der Endevakuierung durch ein Kühlmittel unter Umgebungstemperatur, vorzugsweise unter 0° C abgekühlt werden.
2. 2. Flanschverbindung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flansche im Bereich der zu kühlenden Dichtungsringe in an sich bekannter Weise einen an äußere Zu- und Ableitungen für das Kühlmittel angeschlossenen Hohlraum aufweisen.
3. 3. Flanschverbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet. daß zwei konzentrische gummielastische Dichtungsringe (22, 24) vorgesehen sind, zwischen denen in an sich bekannter Weise der Hohlraum (14) für das Kühlmittel angeordnet ist.
4. 4. Flanschverbindung nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zusammenspannen der Flansche (10, 12) in an sich bekannter Weise die Flansche seitlich übergreifende Schraubzwingen (13) vorgesehen sind.
5. 5. Flanschverbindung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als gummielastische Dichtungen an sich bekannte O-Ringe aus einem elastischen aber in sich nicht kompressiblen Werkstoff vorgesehen sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 900 893, 1000 649; deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1727 416; britische Patentschrift Nr. 451417.