DE1425429A1 - Hochvakuumdichtung,insbesondere fuer Ventile - Google Patents

Description

• xaMAKUUMDZCDTUNG, INSBESONDERE

  FÜR VENTILE

  Die vorliegende Erfindung bezieht sieh auf eine Hochvakuum-

  dichtung, insbesondere für Ventile.

  In Wissenschaft und Technik werden heute Anlagen mit Arbeits=

  drücken von 10-7 bis herunter zu 10-12 Torr benötigt.

  Um derart niedrige Drücke in Anlagen zu erreichen, müssen

  von allen Bauteilen und deren Verbindungen drei Forderun-

  gen erfüllt sein..

  1) Die Gasabgabe aller im Vakuum liegenden'Qber-

  . flächen darf nicht größer als 10-8 forr i sec-1m-2

  sein. Dieser Wert kann jedoch erst nach l,äuSe-

  rem Ausheizen der Teile bei niedrigen Drücken

  erreicht werden. Die Teile müssen dazu. länge-

  re Zeiten einer Temperaturbelastung von über

  =300°0 widerstehen und dabei gleichzeitig funktionsfähig sein und bleiben.
• 2) Der Dampfdruck der verwendeten Materialien darf im Gebiet der Ausheiztemperätur (300 bis-400°C) 10-7 Torr nicht überschreiten.
• 3) Die durch Undichtigkeit der Verbindungen, Verschlüsse uswe einströmende Gasmenge muß kleiner. als 10 8 Torr 1 sec 1 sein. D. h.. daß zum Beispiel .1 dm3 Luft von Atmosphärendruck mehrere Jahre benötigt, um durch diese Undichtigkeit einzuströmen. -.Diese Leckrate unterschreitet die aus dem herkömmlichen Maschinen- und Apparatebau bekannten Größen wesentlich und ist nur mit sehr empfindlichen massenspektrometrischen Methoden (Gasdetektor) nachweisbar.
• Diese Forderungen lassen sich mit wenigen Ausnahmen (z. B. Keramik und Glas) nur von bestimmten Metallen und Metall-Legierungen erfüllen. Es ist bekannt,. daß im Vakuum befind- -liehe extrem reine Metalloberflächen bereits bei niedriger -Temperatur, geringer Verformung und Flächenpressung zum.- KaltpreBaohweißen neigen. Diese Eiagenschaft nutzt man in der Vakuumtechnik mit Erfolg ausf um zuverlässig dichte Verbindungen von. Bauteilen herzustellen. Zwischen zwei Flansche wird s. B. ein Draht aus duktlem Metall (Gold, Kupfer, Aluminium).gelegt; beim Annzeihen der Plansche wird die Pressung und Verformung des Drahtes so groß, daß er sogleich oder spätestens beim Ausheizen mit dem Material der Plansche verschweißt. Wegen des relativ weichen Dichtmaterials lassen sich solche Verbindungen mit nicht sehr großen Kräften wieder lösen und nach mechanischer Entfer.-nung der Schweißreste von den flanschen auch erneut wieder verwenden. .
• Sehr unangenehm und nachteilig wirkt sich jedoch diese Neigung zum Kaltpreßschweißen bei Metall-Ventildichtungen in Vakuumapparaturen aus. Um kleinste, nicht zu vermeidende Herstellungsungenauigkeiten und Unebenheiten auszugleichen (was wegen der hohen Anforderung an die Dichtigkeit notwendig ist), muß-die Flächenpressung der Dichtflächen relativ groß sein. Beim Schließen des Ventils treten daher, besonders bei erhöhter Temperatur, an bevorzugten Stellen der Dichtung unvermeidlich Kaltpreßsehweißungen auf. Diese Schweißungen zerreißen dann beim Öffnen wieder und zerklüften mit der Zahl der Betätigungen fortschreitend die Dichtfläche und. machen sie schnellunbrauchbar.

  Bei dem herkömmlichen. Dittpriusip #Kegel gegen xau'ex

  der Druck -aden - Kegel so'-. groB , sei. 4e3 die ette esh:

  elastisch a. die Obeerfläohe das Kegels patn'L* i.üd

  sehr schmale .MIchteene - genügender Dicbtieit 6utttehbv *i

  niedrigen Temperaten genügen solche Ventile den gooeii

  nee. Anforderungen. Den erhbjtent beim Auahe:Lovir vorkommt-

  den Temperaturen darf man solche Ventile j edoah nur gbri'@y#- . X_.` .,

  ..y

  net aussetzen-. 2s ist Ln diesem usaxaena,c@ch- .ce e»4 :.. -

  kat geworden Über die Benutzung von, denn a1Sem@. ;et A-

  ßewendeten Ventilforment bei. denen. ein Kegelatumgf oder Aue

  ein Plachstempel mehr oderweniger in-einen Gelgeonüo ein- .

  tbLucht s beziehgsweise eines Krei.söffgung abdeckt g Wobei

  Kegel und/oder Sitz mit Hartmetall gepanzert War*

  Eine bekannte verbesserte- Lösung stellt-das Dichtprinzip jaus

  hartem Ventilteller -mit keilförmiger Ringsähneide gegen. ei:-

  nen aus weichem Meterial -gerertigten: #Bitz dar* Mit entspre-

  chendem Kraftaufwand wird die Kelrngschneide in den *ei-

  cheren Sitz gepreBt und verformt diesen. plastisch; zu o$iu

  negativen Abbild. Bei. j-edem Schließen des- Ventils Wider -

  Sitz etwas weiter verformt' womit die-Unebenheiten von Xer-

  rissenen Kgltschweißungen weder geglättet- Werden* Mit tie-

  fer eindringender Schneie vipd die erforderliche -Schlieli-- @kraft Immer größer--da diese aber nicht beliebig zu steigern

  ist, begrenzt sie somit die Lebensdauer. Eine andere Variante

  . let f daß man den Sitz aus niedrig schmelzendem Metall (z., B.

  Indiux) bOrotelltv das man beliebig oft, ohne Demontage des

  Ventile, aufsöbmelzen und damit den Sitz jeweils wieder re-

  generieren kann,--Der Nachteil, da13 man das Ventil nur so

  aufbauen darf, da,. der Sitz genau Waagerecht liegt, mu$ da-

  bei hing$na=en werden.

  Die vorliegende Erfindung .hat sich die Aufgabe gestellt, ei-

  ne liochvakuumdichtung zu. schaffen, bei welcher einerseits

  die auch bei bester Oberflächenbearbeitung verbleibenden Un-

  ebenheiten der DichtflRahe zu schließen, dabei aber ein Yen-

  schweißen der Diahtkdrpermaterialien untereinander zu vermei-

  den. Dies läßt sich erfindungegenäß dadurch erreichen, daß

  die beiden gegeneinander abzudichtenden Körper im für norma--

  le Drücke an sich bekannter Weise mit ringförmigen. Dichtflä-

  chen.gegeneinandergepreßt werden, und daß ein Dichtksibper

  aus duktilem Metall, z, B. Gold, und der andere@aus hartem.

  Werkstoff, z. B. hochlegiertem Stahl, mit Dichtfläche hoher

  Genauigkeit und Oberflächengute besteht. Durch den relativ

  großflächigen Angriff des harten Dichtkörpers ist es, im Ge-

  gensatz zu denn bekannten Dichtkörpern mit Ringschneiden,

  möglich, auf den Dichtkörper aua duktilem Material den zur

  Formung oder engen Anschmitgung dieses Materials an die

  Dichtfläche des harten Dichtkörpers erforderlichen Druck

  auszuüben, ohne die für das Kaltgreßsahweißsn des harten

  Dichtkörpers maßgebliche Mindestgröße des spezifischen:

  Flächendurckes zu erreichen. Dabei sind die Dichtflächen

  zweckmäßig kegelförmig ausgebildet, wodurch die plasti-

  sehe Verformung des duktilen Materials und, damit die

  Dichtwirkung gefördert wird

  Vorteilhaft bilden die an die Dichtflächen angrenzenden.

  Wandungen im geschlossenen Zustand enge Spalten. Dadurch

  wird erreicht`, daB das Dichtmaterial bei. wiederholtem

  Schließen nicht seitlich entweidhen kann, so daß eine

  große Lebensdauer der Dichtung gewährleistet ist.

  Der Dichtkörper aus dul#tilem Metall kann von: einem. Ring ge-

  bildet sein, der in einer Fassung aus härterem Metall ein:

  gebettet ist. Dabei eist vorteilhaft die Materialien der

  drei verschiedenen Körper so auszuwähleue daß bei den auf-

  tretenden Drücken und Temperaturen. im Hochvakuum zwischen

  Dichtring und Fassung ein Verschweißen stattfndetß dagegen

  zwischen Dichtring und. anderem Dichtkörper eis; Verschwei-

  ßen vermieden wird. Zu diesem Zweck kann z. B. der Diechtn

  ring aus Gold, seine Faßsung aus Monel und der andere Dicht=-

  körper aus Chrom-Nickel-Stahl hergestellt sein® In der fertig..

  geformten Dichtung kann. der Dichtring eine. Felle ausfällen,

  deren offene Seite bis auf die lugen. Randspaten durch die

  Dichtfläche begrenzt ist. Dabei hat die den. Dichtring auf-

  y ...( sweo#näsg einen 3,teiübigen oder üreiecki-

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  `@*trg Übte' die D.ähtfläche kg= se auch vorteilhaft sein,

  _nn 3 r .ahtring gnten liegende spalt geneigt . ,

  er e21 liegende alt parallel oder weniger stark So-

  uns ;c ßcthliefiriehttg verlIkutt. Je nach der Größe der

  13pa1tgeieribt eich eine mit der Zeit mehr oder weni.-

  . gar stark abnehmende Igpaltenweite und damit ein sunehnender

  Widerstand gegen ein weiteres Verängen des Materials in

  die Spalten, der das Ausweichen des Materials in die Spal-

  ten begrenzt, so daß auch nach oftmaligem Schließen die

  einen wesentlich gerieren Diuck erfordernde plastische

  Verformung in Bernich der Dichtflächen und damit eine

  gleichbleibend-gute.Abdichtung gewährleistet ist.

  Zur Herstellung der Dichtung nach der Erfindung kann der

  aua dem duktiles Material bestehende Dichtring vor dem Ein-

  bringen in die Rille der Fassung einen runden" vorzugsweiss

  kreisförmigen Querschnitt aufweisen und durch das erstmalige

  Schließen der Dichtung unter derart hohem Druck in die Rille gepreßt werden, dag er die Form-der Rille annimmt und: mit dem Material der Fassung verschweißt. -Die Erfindung sei an, einem Ausführungsbeispiel verarschaulicht. .
• Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch-ein Ventil mit Hochvakuumdichtung nach der vorlie- genden Erfindungg F ig. '2 c lie Dichtkörper de® Ventils vor ihrem erstmaligen ZusammenachlieBen, _-- Fig. 3 einen Querschnitt der DichtUrper nach Fig. 2 nach dem Zusammenschließen und. Fig. 4 einen vergrößerten Querschnitt durch-."_ Dichtung nach Fg. 3, .
• Das dargestellte-Ventil ist mit einem vermittels einer Spindel beweglichen Teller, der als Fassung 1 einen Dichtring b trägt und einem festen, als Sitz dienenden Ventilkörper c versehen.
• Der Ventilkörper c weist eine kegelringförmige Dichtfläche d auf. Er besteht aus hochlegiertem Stahl und ist mit einer sehr genau hergestellten Dichtfläche d von hoher Oberflächengüte versehen.
• Der Dichtring b besteht aus duktilem Material, z. B. Gold und hat eine der Dichtfläche d genau angepaßte kegelförmige Gegenfläche f. Diese Dichtfläche f- wird durch den Dicht-. körper c selbst erzeugt, und zwar erstmals, indem der Goldring b, der, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, zunächst einen kreisförmigen querschnitt aufwei4, beim erstmaligen Schließen (vgl. Fig. 3 und 4) unter derat hohem Druck in eine kegelfÖrmige Rille g der Fassung a gepreßt wird, daß er die Form der-Rille einerseits und die Form der Dichtfläche d andererseits annimmt. Dabei werden auch die kleinsten, bei der Fabrikation nicht zu vermeidenden Herstellungsungenauigkeiten und Unebenheiten der Dichtfläche d ausgeglichen und somit eine den höchsten Anforderungen entsprechende Dichtigkeit erzielt. Diese plastische Verformung des Dichtringes b wiederholt sich im Bereich der-Dichtfläche f bei jedesmaligem Schließen, wodurch etwaige beim Öffnen entstandenen Ungleichmäßigkeiten stets wieder ausgeglichen werden.
• Die an die Dichtflächen d, f angrenzenden Wandungen des -festen Dichtkörpers c und der Fassung a bilden im geschlqssenen Zustand enge Spalten h, i, so daß der Dichtring b in der fertig geformten Dichtung die offene Seite der Rille. bis auf die engen Randspalten h, i durch seine Dichtfläche f begrenzt bzw. durch die Dichtfläche d des Dichtkörpers c abgeschlossen Wird.
• Der am Dichtring b hinten, in der Zeichnung oben liegende Spalt h ist zur Schließrichtung um 90° geneigt, während der Form, in der Zeichnung unten liegende Spalt i parallel zur Schließrichtung verläuft. Infolgedessen verengt sich der Spalt h unter Einwirkung des Schließdruckes, während die Breite des Spaltes i unverändert bleibt. In beiden Spalten übt das durch den Druck in die Spalten verdrängte Material des Dichtringes infolge der erhöhten Reibung und Verdichtung in den engen Spalten seinerseits eine Art.Abm dichtung des im Querschnittdreieckchen, vom Dichtring b eingenommenen Raumes gegen die Spalten h und i hin aus, so daß schon nach der erstmaligen Verformung im .Liereich der Spalten h, i nahezu die endgültige Verformung herbeigeführt ist und bei den weiteren Schließvorgängen nur noch im Be- -reich der Dichtflächen d, f die zur Hochvakuumdichtung erforderliche plastische Verformung des Dichtringes stattfindet.
• Die Fassung a besteht.aus einem geeigneten Material wie z: B.. Monel, das bei den auftretenden Drücken und Temperaturen im Hochvakuum mit dem Dichtring verschweißt, während zwischen: dem Dichtring b und dem harten Dichtkörper c keinerlei Verschweißen stattfindet. IX Rahmen der Erfindung sind noch mancherlei Abänderun- gen möglich; insbesondere kann die neue Dichtung nicht nur bei Ventilen,.sondern auch bei Behälterverschlüssen oder Durchführungen sinngemäß Anwendung finden. Ferner ist die neue Dichtung vorteilhaft auch anwendbar, renn der harte Dichtkörper nicht aus Metall, sondern z. B. aus Glas besteht, wenngleich die neue Dichtung vorzugsweise bei Ganzzetall-Ausführungen anzuwenden ist.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE- 1. Iiochvakuumdichtung; insbesondere für Ventile t' dadurch gekennzeichnet, - däß die beiden gegeneinander@ abzudich- `-tenden Körper. (a, c) in für normale DrÜcke an sich be- kannter-Weise . ,- mit breiten, ringförmigen Die htflöheri gegeneinandergepreßt werden und daß ein Dichtk8rpgh (b)- aus duktilem~Metall, z: B. Gold, und der@'ander*- (a) au*, - hartem We`rkst-off, z. B. hochlegiertem Stahls t.t Dicht- Fläche hohem Genauigkeit rund Oberflächengüte besteht '2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichneb$- daB die Dichtflächen (d, f) kegelförmig einst. 3: Dichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet daß die an die Dichtflächen (d, f) angrenzenden-Wandun- gen im geschlossenen Zustand enge Spalten (h, i) bilden. 4.-.Dichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der-Dichtkörper (b:) aus duktlem Metall von einem Ring gebildet wird, der."n einer Passung (a) aus härte- rem- Metall `ei-ngebettet ist. - , Dichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daB durch die Materialauswahl-für den Dichtring .o zB. - @-- aus-Gold).- seine Fassung (=a,: z. B. aus Mosel) und den anderen Dichtkörpern (c, z. Baus Ohrom-Nickel-atahl) bei den auftretenden Drücken und Temperaturen in Nochrakutum iwischen Dichüd.ng (b) und Fassung (a) ein Verschweißen stattfindet, dagegen zwischen Dichtring (b) und anderen Dichtkörpbr (p) ein Verschweißen.vermieden wird. 6. Dichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der piohtring (b) in der fertig geformten Dichtung eine Rille (g) ausfüllt, deren offene Seite bis auf die engen Randspalten (h ,; :.) durch; die Dichtfläche (d bzw. f) begrenzt ist. 7. Dichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die den Dichtring (b) aufnehmende Rille (g) einen keil-" förmigen oder dreieckigen Querschnitt aufweist. B. Dichtung nach Anspruch 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spalten parallel zur Schließrichtung verlaufen. 9. Dichtung ngLah Anspruch 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spalten geneigt zur Schließrichtung*verr laufen. - -10. Dichtung nach Anspruch 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, da8 .der,am Dichtring (b) hinten liegende Spalt (h) ge- neigt und der vorn liegende Spalt (i) parallel oder we- niger stark geneigt zur Schließrichtung verläuft. 11. Verfahren zur Herstellung einer Dichtung nach .Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (b) aus duktilen Material vor dem Einbringen in. die Rille (g) der Fassung-(a) einen runden, vorzugsweise kreis- törmigen Querschnitt: aufweist und durch das erstmalige Schließen der Dichtung unter derart'hohem Druck in die Rille g®pre$t.wird, daB er die Form der Rille annimmt und mit der Yassung verschweißt. -