DE1450441A1

DE1450441A1 - Hochvakuumdichte Verbindung

Info

Publication number: DE1450441A1
Application number: DE19641450441
Authority: DE
Inventors: Wheeler William Roy
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1963-02-06
Filing date: 1964-01-28
Publication date: 1968-11-14
Also published as: SE300736B; GB1034052A

Description

PATENTANWALT

DIPL-ING. H. KLAUS BERNHARDT

8000 MÖNCHEN 23 -MAINZER 8TRASSES γ-\ P16 D

TARIlN ASSOCIATES
Palo Alto / California
T. St. v. Amerika

Hochvakuumdichte Verbindung

Priorität: Vereinigte Staaten von Amerika vom 6. Februar 1963 Ser. So. 256.744

Die !Erfindung betrifft vakuumdichte Verbindungen» und insbesondere brennfähige vakuumdichte Verbindungen, die ganz aus Metall bestehen.

Bei vielen Vakuumgeräten ist es erforderlich, die Vakuumsystemkomponenten bei hohen Temperaturen zu brennen* um besonders hohe Vakua zu erreichen* Dadurch wird es unzweckmässig, übliche nicht metallische Dichtungen zu verwenden (beispielsweise Gummidichtungen, Fettdichtungen usw.), weil diese bei hohen Temperaturen

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grosse Gasmengen abgeben, die das Vakuumsystem verunreinigen können oder die bei hohen Temperaturen zerstört werden. Es sind deshalb ganz aus Metall bestehende Vakuumdichtungen bei vielen Hochvakuumgeräten verwendet worden, beispielsweise kupferne Nullringdiehtungen, Stufen- und Messerkant en-Dichtungen mit Kupferringen, und eine neue, besonders zuverlässige Hochvakuumdichttxngen, die in der parallelen Patentanmeldung V 23 116 XIl/27f vom 5· Oktober 1962 der Anmelderin beschrieben ist.

Bei all diesen dichtungen wird ein Dichtungsring aus Weiohmetall verwendet, beispielsweise aus Kupfer. Bei einigen der erwähnten Dichtungen haben die Dichtungsringe einen rechteckigen Querschnitt, der gewöhnlich aus einer Platte des verwendeten Metalls herausgefräst ist oder herausgestanst wird. Andere bestehen aus Rohren mit rechteckigem Querschnitt. In jedem Fall können die Kosten der Dichtungsringe ziemlich hoch sein, wenn der Materialabfall und die Eerstellungszeit berücksichtigt werden, und das besonders bei dichtungen mit sehr grossem Durchmesser.

Durch die Erfindung soll deshalb eine extrem zuverlässige hoch-▼akuumdichte lerfeindung verfügbar gemacht werden, die hoch brennbar ist» bequem anzuwenden und wirtschaftlich und praktisch herzustellen.

Die Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgendeiZf ine Einzelne gehenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung! es zeigen!

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Fig. 1 einen Tei'lquerschnitt durch eine erfindungsgemässe

hochvakuumdichte Verbindung}
Pig, 2 eine perspektivische Teilansicht einer anderen Ausfüh-

rungsfona einer erfindungsgemässen Verbindung; Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 2j Fig. 4 einen Teilquerschnitt des durch die Linie 4~4 in Fig. 3

umzirkelten Raumes bei festgezogener Verbindung} und Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemässen Dichtungsringes.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform der metallischen Vakuumdichtung nach der Erfindung dargestellt. Zwischen zwei Ringflanschen 11, die beispielsweise aus rostfreiem Stahl bestehen, liegt ein Dichtungsring 12 aus einem weichen Metall, beispielsweise Kupfer. Der Ring 12 kann einfach ein Kupferdraht bestimmter Länge sein, der in Form einer kreisförmigen Schleife gebogen ist und dessen Enden in bestimmter, noch zu beschreibender Weise verbunden sind. Die Flansche 11 sind mit einer Anzahl um den Umfang verteilter Löcher 13 versehen, die eine Anzahl Bolzen 14» beispielsweise aus rostfreiem Stahl, aufnehmen. Jeder der Bolzen I4 ist mit einer Unterlegscheibe I5 und einer Mutter 16 versehen, durch die eine Kraft verfügbar gemacht wird, die eine Relativbewegung zwischen den Ringflanschen 11 und dem Dichtungsring 12 hervorrufen kann.

Die Ringflansche 11 haben im allgemeinen rechteckigen Querschnitt mit einer glatten Aussenkante 17 und einer flachen Seite 18. Die zweite Seite oder Fläche I9 der Flansche 11 ist ebenso im allgemeinen flach mit Ausnahme eines abgekanteten Teils, der eine

Schrägfläche 20 bildet, die mit der Sichtung der Relativbewegung der beiden Plansche einen spitzen Winkel einschliesste Die Schrägkante 20 läuft in einen ansteigenden oder senkrechten Teil 21 aus, der zusammen mit einer Stufe 22 eine Aufnahme für einen getrennten Stützring 23 bildet, der beispielsweise aus rostfreiem Stahl besteht. Die Innenkanten 24 sind im allgemeinen glatt, mit Ausnahme eines Grates 25 mit rechteckigem Querschnitt.

Bei der Anwendung der Ausfüiirungsform nach Pig. 1 werden die . Innenkanten 24 und die Grate 25 beispielsweise durch Sehweissen an zwei hohlenVakuumsystemkomponenten (nicht dargestellt) befestigt, die vakuumdicht miteinander verbunden werden sollen. Der Stützring 23 liegt in dem ringförmigen Hohlraum, der gebildet wird₉ wenn die durch die ansteigenden Teile 21 und die Stufen gebildeten Aufnahmen miteinander ausgefluchtet werden. Der King liegt über dem Stützring 23 und auf der Schrägkante 20 des Flansches 11, wobei er eng an den Stützring 23 angepasst ist. Die Muttern 16 werden dann auf den Bolzen 14 angezogen, so dass sich eine Relativbewegung zwischen den Planschen 11 und dem Ring in Richtung senkrecht zu den Flächen 19 ergibt.

Die Relativbewegung zwischen den Planschen 11 und dem Ring 12 bewirkt ein Zusammenpressen des Ringes 12 durch die Schrägflächen 20< Eine Normalkraft, proportional der durch die Bolzen 14 erzeugten Gesamtkraft, besteht dann zwisehen dem Ring 12 und der Schrägfläche 20. Die Normalkraft hat eine Komponente, die parallel ist zur Richtung der Relativbewegung, und eiyite Komponente, die senkrecht liegt zu dieser Bewegung. Das Material des Weichmetallringes

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wird jedoch durch die Schrägflächen 20 der beiden Flansche 11 daran gehindert, sich in der Richtung der Relativbewegung zu bewegen, und vom Stützring 20 daran, sich senkrecht zur Richtung der Relativbewegung zu bewegen.

Die Schrägflächen 20 und der Stützring 25 bilden also einen Raum, der das weiche Dichtungsmaterial auffängt. Dieses Auffangen dee Dichtungsmaterial8 bringt die Erreichung und Aufrechterhaltung eines extrem hohen Druckes auf der Grenzfläche zwischen der Dichtung 12 und den Schrägflachen 20 mit sich, so dasβ eine wirklich gute Passung erzielt wird. Es wird angenommen, dass das Dichtungsmaterial als hoch viskose Flüssigkeit betrachtet werden kann, wenn es über seine Elastizitätsgrenze hinaus belastet wird* Es wird deshalb eine gewisse Zeit benötigt, in der das Dichtungsmaterial in die Kratzer und Unregeloässigkeiten einfliessen kann* Dichtungsformen, bei denen das Dichtungsmaterial die Kräfte im Bereich der Dichtungsfläohe nicht effektiv auffangen kann, ermöglichen es dem Dichtungskörper, sich zu verziehen, so dass der Druck an der Grenzfläche nachlässt, ehe eine wirklich enge Fassung erreicht worden ist. Eine solche Anordnung führt von selbst zur Verwendung von Dichtungen aus weiohmetallischea Kupferdraht, die eine erhebliche Einsparung in der Herstellungszeit und den Materialkosten mit sich bringen, besonders wenn der Dichtungsdurchmesser 1 κ und mehr beträgt.

Voraugsweise liegt der Winkel, den die Schrägfläche 20 mit der Richtung der Relativbewegung einschließet, im Bereich von 55 bis einschlieeslich 75 . Es scheint so, dass der Druck, der

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zwischen der Dichtung 12 und der Schrägfläche 20 bei einer gegebenen angewandten Kraft aufrecht erhalten werden kann, vom Winkel abhängt. Es wird angenommen, dass dieser Einheitsdruck im Winkelbereich von 55 - 75 einen Maximalbereich enthält, wobei scheinbar ein absolutes Maximum bei etwa 70 liegt.

Es sprechen noch andere Vorteile für einen Winkel zwischen 55 und 75 · Wenn z.B. der Winkel übertrieben gross wird, sinkt die AuffaEgfäMgkeit der Schrägfläche, so dass das Dichtungsmaterial eine grössere Bewegungsfreiheit in Richtung weg vom Stützring 23 hat.

Die Äusführungsform nach Fig. 1 hat darüber hinaus den zusätzlichen Vorteil, dass die Plansche nicht ineinandergreifen.

Wie in Fign. 2, 3 und 4 veranschaulicht ist, kann die getrennte Einrichtung, die eine Bewegung in Sichtung senkrecht zur Richtung der Belativbewegimg zwischen den Flanschen 11 und der Dichtung 12 behindert, mit einem der beiden Flansche aus einem Stück bestehen. Das wird auf folgende Weise erreicht. Die Schrägfläche 20 des unteren Flansshes 11· endet in einer Schulter 26, die eine Seitenwand 27 aufweist, welche bei 28 leicht abgekantet ist. Die Schrägfläche 20 des oberen Flansches 11" endet in der Seitenwand 29 der Schulter JO.

Bei Verwendung der Aus führungs form nach Fign. 2, 3 und 4 werden, die Flansche 11' und 11" beispielsweise durch Sohweissen bei 31 an zwei liohienVakuumsystemkomponenten (nicht dargestellt) be-

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festigt, die vakuumdicht verbunden werden sollen. Der Dichtungsring wird über den abgekanteten Teil 28 auf die Schrägfläche 20 des Flansches 11' geschoben, so dass sie eng an die Seitenwand 27 angepasst ist. Die Flansche können zwar mit einer Anzahl am Umfang angeordneten Bolzenlöchern versehen werden, so dass die übliche Bolzenverbindung gemäss Fig. 1 angewandt werden kann; bei der Ausführungsform nach Fign. 2, 3 und 4 wird jedoch eine Reihe Klemmen 32 verwendet, die um den Umfang der Flansche angeordnet sind, und die Rippen aufweisen, die in Ringnuten 34 in. den Flanschen 11' und 11" eingreifen können. Das hat die folgenden Vorteile. Es wird erheblich weniger Flanschmaterial benötigt, so dass ein leichterer Flansch gebildet wird. Zweitens wird durch Verwendung dieser Anordnung die Kraft dem Flansch unmittelbarer über den Dichtungsdraht vermittelt. Es wird also ein geringeres Biegungsmoment auf den Flansch ausgeübt, und dem-entsprechend besteht weniger die Möglichkeit, dass sich die Flansche verziehen.

Wenn die Klemmen 32 angezogen werden (vergl. Fig. 4)» wird die Weichmetalldichtung 12 durch die Schrägfläche 20 des Flansches 11" zusammengepresst. Das weichmetallische Dichtungsmaterial wird durch die Schrägflache 20 des Flansches 11' daran gehindert, sich in Richtung der Relativbewegung zu bewegen, und durch die Seitenwand 20 daran gehindert, sich in Richtung senkrecht zur Relativbewegung zu bewegen. Bs wird also ein Auffangraum zwischen Schrägfläche 20 und Seitenwand 27 gebildet.

Es können zwar flache Weichmetalldichtungsringe, oder metallene

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Nullringe bei den Ausführungsformen nach i"ign. 1 und 2 verwen'det werden, ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt jedoch darin, dass Draht, vorzugsweise Kupfer, als Dichtungsring 12 verwendet wird, wodurch sich beachtliehe Einsparungen bei der Arbeit und im Material ergeben (vergl. Fig. 5)· Solche Metalldraht-Dichtungsringe wurden zwar bisher schon verwendet, gewöhnlich jedoch zum Nachteil der Dichtungseigenschaften der metallenen Vakuumdichtung. Damit eine Dichtung in einer ganz metallenen Vakuumverbindung wirksam sein und besseren Widerstand gegen Wärmewirkungen haben kann, muss die Härte auf die ganze Länge rele/fciv hoch sein. Es wurde jedoch festgestellt, dass, wenn Drahtdichtungen stumpf durch Löten, Widerstandsschweissen oder Bogenschweissen zusammengefügt werden, der Bereich um die Fuge unvermeidlich geglüht wird, so dass sich Dichtungen geringer Qualität ergeben. Der Dichtungsring nach Fig. 5 wurde einfach durch Biegen eines Drahtes gegebener Länge, vorzugsweise aus Kupfer, zu einer Schleife geformt, und die Enden wurden durch Kaltschweissen in bekannter Weise miteinander verbunden. Der Fugenbereich, wenn überhaupt, war härter als der Rest des Drahtes, und wenn eine solche Dichtung bei metallenen Vakuumverbindungen der beschriebenen Art verwendet wurde, ergab sich eine optimale Abdichtung.

.../Patentansprüche

Claims

PATENTANWALT DIPL-ING. H. KLAUS BERNHARDT 8000 MÖNCHEN 23 -MAINZER STRASSE5 Y1 P16 B Patentansprüche

1. Hochvakuumdichte Verbindung, bestehend aus zwei relativ zueinander beweglichen Flanschen und einer Dichtung zwischen diesen beiden Flanschen, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Fläche (19) jedes der beiden Flansche (11) ein abgekanteter Teil (20) vorgesehen ist, der eine Schrägkante bildet, die mit der Richtung der Relativbewegung einen spitzen Winkel einschliesst, dass die Schrägkanten beider Flansche einander gegenüber liegen und durch die Dichtung getrennt sind, und dass eine Begrenzung vorgesehen ist, die mit den Schrägkanten einen Hohlraum zur Aufnahme der Dichtung (12) beim Zusammenpressen durch die Schrägkanten während der Relativbewegung der Flansche bildet.

2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzung aus einem Metallring (23) besteht,

3. Verbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Jeder Flansch (11) eine Stufe und einen ansteigenden Teil aufweist, die eine Aufnahme für den Metallring (23) bi-lden.

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• · , J B.C.

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4« Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,■dass die Begrenzung durch eine Schulter (26) an einem Flansch (11·) gebildet ist, deren eine Wand (27) der Schrägkante (20) dieses Flansches (11·) gegenüber liegt.

5· Verbindung nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Flansch (11") eine Schulter (29) aufweist, deren Wandung nach Zusammenpressen der Dichtung (12) an der Schulter (26) des eisten Flansches (11') anliegt«

6. Verbindung nach einem der Ansprüche 1-5» dadurch gekennzeichnet, dass dar spitze Winkel zwischen der Schrägkante (20) und der Bewegungsrichtung der Flansche zwischen 55 und 75 liegt.

7· Verbindung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (12) aus einem weichmetallischen Draht besteht, insbesondere Kupferdraht.

8. Dichtung aus weichmetallischem Draht zur Verwendung in einer hochvakuuiadiehten Verbindung, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem Draht besteht, dessen Enden durch Kaltschweissen miteinander verbunden sind.

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