DE1500290C - Hochvakuum Leckventil fur wiederholtes Offnen und Schließen - Google Patents

Description

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metalle zeigen ein, als Kalthärtung bezeichnetes Ver- nommen, so daß nach Wegnahme des Anpreßdruckes halten, wenn sie mehrfach hohen Flächenpressungen die Abstützung in ihre ungespannte Lage zurückausgesetzt sind. Durch mechanisches Pressen in kai- kehrt und dabei die an sich plastische Verformung tem Zustand wird die Härte des Materials nämlich des Dichtungsmaterials wieder rückgängig macht,
gesteigert. Bei Weichmetalldichtungen führt dieses 5 Bei den bekannten Ventilen wurden verschiedene Verhalten dazu, daß schon nach einigen Schließ- Formen für den harten und weichen Dichtungsteil vorgängen eine wesentlich höhere Flächenpressung verwendet, als besonders vorteilhaft für die erfinerforderlich wird, um die gewünschte Anpassung der dungsgemäße Konstruktion hat sich gezeigt, die hoch Weichmetalldichtung an den harten Teil des Ventils polierte Fläche eben auszuführen und dazu die Oberzu erhalten. io fläche eines Hartsteins, insbesondere Saphirs, zu

Nachdem also die bereits erwähnte Verformung verwenden. Die Verwendung von Hartsteinen, auch des Weichmetalls zur Vergrößerung der Dichtfläche Saphiren, als hartes Dichtungsmaterial ist bekannt geführt hat, so daß der Anpreßdruck entsprechend (deutsche Patentschrift 1 003 148, deutsche Auslegeder Flächenvergrößerung erhöht werden muß, er- schrift 1237 865, schweizerischePatentschrift246 765). fordert die Kalthärtung eine Erhöhung der Flächen- 15 Besonders bewährt hat sich ein Hochvakuumpressung, also insgesamt eine stark überproportionale Leckventil nach der Erfindung, dessen Auslaß am Erhöhung des Anpreßdrucks. Der erforderliche An- oberen Ende einen Hals mit einem engen vertikalen preßdruck wird dadurch schon nach wenigen Arbeits- Teil und einem darunterliegenden sich erweiternden spielen des Ventils so hoch, daß er in der Praxis Teil aufweist, dessen Dichtungsstützrohr am oberen nicht mehr aufgebracht werden kann, so daß die 20 Ende mit einer horizontalen Schulter und einer ver-Weichmetalldichtung ausgewechselt werden muß. tikalen Verlängerung mit kleinerem Durchmesser Nach den erwähnten Erkenntnissen hinsichtlich der versehen ist, und bei dem ein Flansch der Weich-Haftung von Weichmetallteilen am harten Dichtungs- metalldichtung zwischen dem sich erweiternden Teil teil müßte auch der harte Teil noch gereinigt werden. des Auslaßhalses und die horizontale Schulter des

Keine der anderen bekannten Ventilkonstruktio- 25 Stützrohrs eingepreßt ist, so daß diese Stelle vakuum-

nen, die von den bereits besprochenen abweicht, ist dicht abgeschlossen ist.

zur Lösung der erwähnten Probleme geeignet. So ist Es wurde bereits erwähnt, daß die beidseitige Abes bekannt, einen rohrförmigen Nadelventilsitz aus Stützung der Weichmetalldichtung die plastische VerKunststoff in eine Mutter einzusetzen, um den Ventil- formung der Weichmetalldichtung nach Wegnehmen sitz außen abzustützen (deutsche Auslegeschrift 30 des Anpreßdruckes wieder rückgängig macht. Wird 1 008 980). Es wird bei dieser Konstruktion eine ela- das Ventil, wie bei Hochvakuumventilen meist übstische Einlage zum Ausgleich von plastischen Ver- Hch, ausgeheizt, so kommt zu dem mechanischen formungen vorgesehen, diese betrifft jedoch ersieht- Anpreßdruck und der dadurch hervorgerufenen Verlieh die Abdichtung des rohrförmigen, weichen formung noch die Belastung durch die thermische Ventilsitzes gegen den Ventilkörper. Eine Metall- 35 Expansion des Dichtungsmaterials hinzu, das sich rebewehrung eines Ventilsitzes aus hartem Material ist gelmäßig stärker dehnt als der Ventilkörper, so daß ebenfalls bekannt, um die Sprödigkeit der als hartes theoretisch noch eine stärkere plastische Verformung Material dienenden keramischen Masse gegen hohe zu erwarten wäre. Auch solche sehr weitgehenden Stoßbeanspruchungen abzufangen (deutsche Patent- plastischen Verformungen lassen sich rückgängig maschrift 842 571). 40 chen, wenn gemäß einer speziellen Ausbildung der

Die Aufgabe, ein für mehrmaliges öffnen und Erfindung die Weichmetalldichtung zwischen dem

Schließen geeignetes Hochvakuum-Leckventil zu Kragen und der vertikalen Stützrohr-Verlängerung

schaffen, erfordert also, ein Ventil derart zu konstru- unter Vorspannung dieser beiden Teile gehaltert ist

ieren, daß die durch plastische Verformung und und alle drei Teile gemeinsam auswechselbar sind.

Kalthärtung notwendige Erhöhung des Anpreß- 45 Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher

druckes begrenzt wird, und außerdem, daß die als erläutert werden; es zeigt

nachteilig erkannte Haftung von Teilen der Weich- F i g. 1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes

metalldichtung am harten Dichtungsteil vermieden Hochvakuum-Leckventil und

wird. F i g. 2 den in F i g. 1 mit II-II umschlossenen Teil

Zur Lösung des Problems wird von der Grund- 50 i_n vergrößertem Maßstab.

konstruktion eines Ventils mit einer insbesondere Das in der Zeichnung dargestellte erfindungsgescharfkantigen Dichtung aus weichem Werkstoff und mäße Hochvakuum-Leckventil 11 besteht aus zwei einem glatten Teil aus hartem Werkstoff ausgegan- zylindrischen Gehäuseteilen 12 und 13, einem Eingen (deutsche Patentschrift 54 790), und die beschrie- laß 14 und einem Auslaß 15, einem beweglichen benen Nachteile dieser bekannten Konstruktion wer- 55 Ventilschließglied oder Kolben 16 im oberen Geden erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß die häuseteil 12 mit einer Aussparung 17 im unteren der Weichmetalldichtung zuweisende Fläche des glat- Ende, in der ein hartes, ausheizbarcs Element 18, ten Teils hoch poliert ist und daß die Weichmetall- beispielsweise aus Saphir, mit einer Dichtungsflädichtung innen durch ein Stützrohr und außen in ehe 19, die hoch poliert, d. h. optisch glatt ist, anfür Nadelventilsitze aus Kunststoff bekannter Weise 60 geordnet ist, und einem Ventilsitz 20, der auswechseldurch einen Kragen abgestützt ist, der dicht an der bar im unteren Gehäuseteil 13 angeordnet ist und Weichmetalldichtung anliegt. Durch das Hochpolie- aus einer eingespannten Metalldichtung 21, die eine ren des glatten Teils, das bisher ausdrücklich als un- vakuumdichte Verbindung am unteren Ende mit dem nötig angesehen wurde, wird ein Haften des weichen unteren Gehäuseteil 13 und, nach Schließen des Ven-Materials am harten Material praktisch verhindert, 65 tils, einen vakuumdichte Abschluß am oberen Ende und durch die beidseitige Abstützung der Weich- mit der hoch polierten Dichtungsflüchc 19 bildet, bcmctalldichtung wird die plastische Verformung des steht; die Abdichtung ist völlig roilningst'rci und si-Weichmetalls von der Abstützung elastisch aufge- eher gegen Festfressen; schließlich ist noch ein Von-

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tilbctätigungsmechanismus 22 vorgesehen, mit dem sehen dem Gehäuseunterteil 13 und dem Ventil-

das Ventilschlicßglied hin und her bewegt werden sitz 20 ein vakuumdichter Abschlu/3 erzielt wird,

kann. · Um zu gewährleisten, daß der Oberteil des Dich-

Die Verwendung eines harten Elementes 18 (das tungsringes 21 eingespannt und sicher gehaltert ist, ausheizbar ist, wenn das Ventil ausgeheizt werden 5 nachdem der Dichtungsring 21 über das Stiitzrohr soll) mit einer hoch polierten, optisch glatten Dich- und der Kragen 39 über den Oberteil 46 des Dichtungsfläche 19 ist wesentlich, um an der Dichtungs- tungsrings 21 geschoben ist, wird der Ventilsitz 20 in grenzfläche ein Ineinandergreifen und ein Festfres- eine Presse gebracht und der Dichtungsring 21 gescn zu verhindern, so daß eine sehr weiche Kon- quetscht, so daß alle Abstände und Lücken ausgetrolle von extrem kleinen Lecks möglich ist. Ein In- io füllt und der Kragen 39 und die Verlängerung 44 einandergreifen tritt besonders während des Aus- vorgespannt werden.

heizens an der Dichtungs-Grenzfläche auf, weil die Bei Betätigung des beweglichen Kolbens 16 wird Moleküle des Ventilsitzes und der Dichtungsfläche ein vakuumdichter Abschluß zwischen der Dichfließen und hintereinandergreifen. Wenn dann die tungsfläche 19 und der Sitzfläche 47 des Dichtungs-Oberflächen voneinander getrennt werden, sitzt etwas 15 rings 21 hervorgerufen. Weil der Oberteil 46 des vom Material des einen Elementes an der Oberfläche Dichtungsringes 21 eingespannt und voll zwischen des anderen, so daß sowohl die Ventilsitzfläche als dem Kragen 39 und der Verlängerung 44 praktisch auch die Dichtungsfläche zumindest so rauh gewor- auf seiner ganzen Höhe eingespannt ist, können auf den sind, daß anschließend keine sehr kleinen Leck- der Dichtungs-Grenzfläche sehr hohe Drucke entraten empfindlich und stabil geregelt werden kön- ao wickelt werden, die erheblich höher sind als die nen. Außer Saphir sind auch Karbid und Stellit für Fließgrenze des Dichtungsmaterials, selbst wenn es diesen Zweck geeignet, weil sie ihre Form behalten, dem Ausheizvorgang unterworfen wird,
hoch poliert werden können, nicht leicht verkratzt Die Sitzfläche 47 des metallenen Dichtungsrinwerden, bei hohen Temperaturen nicht ausglühen, ringes 21 wird zusammengedrückt, jedesmal wenn und nach einem Abdichten eine einwandfreie, glatte 25 ein Abschluß hergestellt wird. Wenn bei Zimmer-Trennung ermöglichen. temperatur gearbeitet wird, ergibt sich bei jedem

Der Ventilsitz 20, der in eine Gewindebohrung 37 Schließvorgang eine permanente Kompression, diese im Gehäuseunterteil 13 eingeschraubt ist, besteht aus ist jedoch zu klein, um meßbar zu sein. Nach einigen einem Stiitzrohr 38, beispielsweise rostfreiem Stahl, hundert Betriebszyklen wird die Dichtungshöhe so einem Dichtungsring 21, beispielsweise aus Kupfer, 30 weit herabgesetzt, daß die Dichtung ausgewechselt der um das Rohr 38 herum angeordnet ist, und einem werden muß, um einen vollständigen Ventilschluß zu Kragen 39, etwa aus rostfreiem Stahl, der um den gewährleisten. Diese Auswechslung wird etwas häu-Dichtungsring 21 herum angeordnet ist. Die Boh- figer erforderlich, wenn ein Ausheizen mit hohen rung 37 läuft in einem Hals 40 aus, der eine ver- Temperaturen zwischengeschaltet wird, weil das tikale Innenwand 41 und eine schräge Seitenwand 42 35 Dichtungsmaterial ausgeglüht und zusammengepreßt aufweist. Das Stützrohr 38 ist mit einer Außenschul- wird. Die Verwendung einer sich verjüngenden Sitzter 43 und einer Verlängerung 44 versehen. Der fläche gewährleistet, daß die erforderliche Dichtungs-Dichtungsring 21 ist mit einem horizontalen unteren kraft nicht mit jedem neuen Schließen durch Über-Teil 45 oder Flansch versehen und einem vertikalen expansion der Dichtungs-Schließglied-Berührungsoberen Teil 46, die dicht an der Schulter 43 bzw. an 40 fläche erheblich vergrößert wird. Es kann auch eine der Verlängerung 44 anliegen. Der Oberteil 46 weist gekrümmte Fläche verwendet werden,
eine Ventilsitzfläche 47 auf, die leicht über den Kra- Bei einer typischen Ausführungsform hat die Sitzgen 39 hervorsteht. Nach dem Einbau passen der fläche 47 eine Anfangshöhe zwischen 0,2 und 0,3 mm Kragen 39 und der Oberteil 46 des Dichtungsrings 21 und eine Grundbreite zwischen 0,4 und 0,5 mm, und in den Hals 40; der Flansch 45 des Dichtungs- 45 wenn sie verjüngt ist, wie dargestellt, beträgt die Anrings 21 ist zwischen das Stützrohr 38 und den schrä- fangsbreite auf der Oberseite etwa ¹U der Grundgen Teil 42 des Halses 40 eingespannt, so daß zwi- breite.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1 2 Zum dichten Verschließen einer Strömungsmittel-Patentansprüche.· leitung wird deshalb regelmäßig von dem zweiten Dichtungskonzept Gebrauch gemacht, nämlich eine

1. Hochvakuum-Leckventil für wiederholtes harte Fläche mit einer weichen zusammenwirken zu Öffnen und Schließen mit einer insbesondere 5 lassen. Es ist deshalb bereits lange bekannt, eine mit scharfkantigen Dichtung aus weichem Werkstoff scharfkantigen Schneiden versehene Dichtung aus und einem glatten Teil aus hartem Werkstoff, da- weichem Werkstoff gegen einen glatten Teil aus hardurch gekennzeichnet, daß die der tem Werkstoff dichten zu lassen (deutsche Patent-Weichmetalldichtung zuweisende Fläche des glat- schrift 54 790). Als besonderer Vorteil dieses Dichten Teils hoch poliert ist und daß die Weich- io tungskonzepts wird es angesehen, daß der glatte, metalldichtung innen durch ein Stützrohr und harte Teil nicht peinlich genau gearbeitet zu sein außen in für Nadelventilsitze aus Kunststoff be- braucht, weil sich die scharfkantigen Schneiden der kannter Weise durch einen Kragen abgestützt ist, Dichtung aus weichem Werkstoff beim Schließen des der dicht an der Weichmetalldichtung anliegt. Ventils fest an die glatte Wand anschließen und da-

2. Leckventil nach Anspruch 1, dadurch ge- 15 durch einen dichten Abschluß bewirken,
kennzeichnet, daß die hoch polierte Fläche eben Nach mehrmaligem öffnen und Schließen dieses und in an sich bekannter Weise die Oberfläche bekannten Ventils verformen sich die scharfkantigen eines Hartsteins, insbesondere Saphirs, ist. _ Schneiden der Dichtung aus weichem Werkstoff

3. Leckventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch unter den zum dichten Verschließen erforderlichen gekennzeichnet, daß der Auslaß des Ventils am ober ao Drucken plastisch. Diese plastische Verformung führt ren Ende einen Hals mit einem engen vertikalen dazu, daß die zum dichten Abschluß erwünschte Ver-Teil und einem darunterliegenden sich erweitern- biegung der scharfen Kanten und Schneiden zum den Teil aufweist, daß das Dichtungstützrohr am größten Teil bestehen bleibt, d. h., die Schneiden sind oberen Ende mit einer horizontalen Schulter und allmählich nicht mehr scharfkantig, so daß die Aneiner vertikalen Verlängerung mit kleinerem 35 lagefläche zwischen dem weichen Dichtungsteil und Durchmesser versehen ist, und daß ein Flansch dem harten Dichtungsteil vergrößert wird. Um die der Weichmetalldichtung zwischen dem sich er- zum dichten Abschluß erforderliche gleiche speziweiternden Teil des Auslaßhalses und die hori- fische Flächenpressung zu erreichen, wird also bei zontale Schulter des Stützrohres eingepreßt ist, so jedem erneuten Schließvorgang ein höherer Anpreßdaß diese Stelle vakuumdicht abgeschlossen ist. 30 druck erforderlich.

4. Leckventil nach Anspruch 1,2 oder 3, da- Es ist deshalb bereits bekanntgeworden, den hardurch gekennzeichnet, daß die Weichmetalldich- ten Teil mit insbesondere scharfkantigen Schneiden tung zwischen dem Kragen und der vertikalen auszuführen, die beim Verschließen des Ventils in Stützrohr-Verlängerung unter Vorspannung die- weiches Dichtungsmaterial eindringen (britische Paser beiden Teile gehaltert ist und alle drei Teile 35 tentschrift 582 523).

gemeinsam auswechselbar sind. Diese beiden bekannten Ventilkonstruktionen weisen jedoch zwei Mangel auf, die sie für Hochvakuum-Leckventile für wiederholtes öffnen und

Schließen nicht ausreichend geeignet erscheinen las-

40 sen. Zum hochvakuumdichten Verschließen ist es ersichtlich erforderlich, daß . das weiche Dichtungs-

Die Erfindung betrifft ein Hochvakuum-Leck- material in die Oberflächenrauhigkeiten des harten ventil für wiederholtes öffnen und Schließen mit Teils eindringt. Da sich das weiche Material, wie beeiner Dichtung aus weichem Werkstoff und einem reits erwähnt, unter den erforderlichen Drucken piaglatten Teil aus hartem Werkstoff. 45 stisch verformt, d. h. die zum Eindringen in die Ober-Leckventile zur feinen Regelung eines Vakuum- flächenrauhigkeiten entstandenen Verformungen sich Lecks sind bekannt (von Ardenne: »Ionenphysik nicht mehr, zurückbilden, wenn der Anpreßdruck und Übermikroskopie«, Deutscher Verlag der Wissen- weggenommen wird, bleiben diese Teile des weichen schäften, Berlin, 1956, S. 772 bis 775). Diese sind Dichtungsmaterials am harten Teil haften. Dadurch jedoch nicht zum vakuumdichten Verschließen eines 5° entstehen Vertiefungen in der Oberfläche des weichen Systems geeignet, so daß im Anschluß an das Leck- Materials und Erhöhungen auf der Oberfläche des ventil noch ein zusätzliches Verschließventil erforder- Teils aus hartem Material, so daß beim nächsten lieh ist. Schließvorgang ein höherer Anpreßdruck erforder-Es war deshalb noch die Aufgabe zu lösen, ein für Hch ist, der wieder zu stärkeren plastischen Verwiederholtes öffnen und Schließen geeignetes Hoch- 55 formungen und damit erneuten Oberflächenschäden vakuum-Leckventil zu schaffen. Anlaß gibt. Bereits nach wenigen Betriebszyklen ist In der Ventiltechnik sind zwei verschiedene Dich- deshalb die Oberflächengestalt der Dichtflächen tungskonzepte bekannt, nämlich das dichtende An- gegenüber dem Ausgangszustand so verändert, daß liegen von zwei aufeinander eingeschliffenen, glatten, kleine Leckraten praktisch nicht mehr reproduzierharten Flächen sowie das Zusammenwirken einer 60 bar eingestellt werden können. Wird das Ventil trotzharten Fläche mit einer weichen Fläche. dem noch mehrmals geöffnet und geschlossen, ist des-Das erstere Konzept, zwei harte Dichtungsflächen halb auch kein einwandfreies, d. h. hochvakuumaneinandcr anliegen zu lassen (französische Patent- dichtes Schließen mehr möglich,
schrift 1 282 630) ist für schließende Hochvakuum- Bei Hochvakuumvcntilen tritt noch ein weiteres ventile praktisch nicht verwendbar, weil die beim 65 Problem auf. Mit Rücksicht auf das in Hochvakuumderzeitigen Stand der Schlciftcchnik praktisch un- systemen erforderliche Ausheizen können bei Hochvermeidbaren restlichen Oberflächenrauhigkeiten vakuumventilen nur Wcichmetalle als weiche Dichein hochvakuunidichtes Verschließen nicht zulassen. tungswerkstoffe verwendet werden. Solche Weich-