DE1824547U - Ventil fuer hochvakuumanlagen. - Google Patents

Description

• Centre National de la Recherche Scientifique, Paris

  Ventil für Hochvakuumanlagen.

• In der Hochvakuumtechnik verwendet man für evakuierte Räume Sperrvorrichtungen, die befähigt sein müssen, bei Drucken in der Grössenordnung von 10"mm Hg wirkungsvoll abzudichten.
• Bei diesen niedrigen Drucken arbeiten gefettete Hähne nicht befriedigend, da bei jeder Drehung erhebliche Gasmengen frei werden. Man braucht daher andere Sperrvorrichtungen die auch auf Temperaturen der Grössenordnung von 4000 C erhitzt werden können, um letzte Spuren der an den Wandungen adsorbierten Gase oder Dämpfe entfernen zu können.
• Es sind Ventile aus Metall bekannt, die je nach den auf den Schliesskegel ausgeübten mechanischen Druck verschiedene Undichtigkeitswerte aufweisen. Bei wenig gebrauchten Ventilen beträgt der Undichtigkeitswert im allgemeinen 10"Liter/Sekunde. Solche Undichtigkeiten sind unerwünscht, wenn ein Druck von einer Atmosphäre auf das Schliessorgan wirkt. Ausserdem sind bei den bekannten Ventilen die Einzelteile mit Silber zusammengelötet, was Nachteile mit sich bringt.
• Untersuchungen unter Verwendung von Metallventilen zur Aufrechterhaltung von Hochvakuum in verschiedenen Kapazitäten haben folgendes ergeben ; Nach einer bestimmten Anzahl von zur Entgasung durchgeführten Erhitzungen auf 400° C führen die lötstellen aus Silber zu einer Porösität der Metalle oder Legierungen auf denen sie angebracht sind.
• Ausserdem wurde festgestellt, dass bei der Entgasung unter Vakuum, welche im allgemeinen bei einer Temperatur von 400'0 während etwa 10 Stunden durchgeführt wird, der Haupt bestandteil des Lötmaterial, nämlich das Silber, destilliert und sich auf den kalten, nicht geheizten Teilen der Apparatur niederschlägt. Das niedergeschlagene Silber adsorbiert Gase, die dann bei ausreichend niedrigem Druck wieder desorbiert werden und dadurch die untere Grenze des erreichten Vakuums rückläufig verschieben.
• Diese Nachteile sollen durch die Neuerung behoben werden. Gegenstand der Neuerung ist ein sehr leicht zusammensetzbares Venteil aus Metall für Hochvakuum-Apparaturen, welches es gestattet bei äusserem Atmosphärendruck in Behältern Drucke in der Grössenordnung von 10-10 mm Hg herzustellen und aufrecht zu erhalten. Der Undichtig-

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  keitswert des neuen Ventils beträgt 10-20 1/sec. Das Ven-

  til hat den Vorzug, dass sein Gehäuse aus einem Metall hergestellt werden kann, dass sehr gute Wärmeleitfähigkeit, sehr geringes Adsorbtionsvermögen gegenüber Gasen und Dämpfen und ausreichend hohe Dilatations-und Duktilitäts-Koeffizienten aufweist. Man kann je nach dem Verwendungsfall insbesondere Elektrolytkupfer, Nickel, Aluminium 99, 99, Platin und gewisse Legierungen wählen.
• Ein Ventil gemäss der Neuerung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Schliessorgan, ebenso wie die verschiedenen Rohranschlüsse, welche das Ventilgehäuse einerseits mit dem zu evakuierenden Behälter,. andererseits mit dem Vakuumerzeuger dicht verbinden, aus Metallen oder Legierungen bestehen, die eine grössere Härte als das Metall des Ventilgehäuses aufweisen. Das Ventil ist weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsmittel zwischen dem Ventilgehause und dem Schliessorgan bzw. den Verbin- dingen konisch sind und in einen scharfkantigen Ringrand oder mehrere solcher Ringränder auslaufen, die sich beim Festziehen der Anschlüsse bzw. beim Schliessen des Ventils in das Ventilgehäuse eindrücken.
• Mit Vorteil verwendet man für die Rohrverbindungen und das Schliessorgan rostfreie Stähle bzw. Eisen-Nickel-Legierungen, wie z. B. Dilver P und Kovar. Letzteres ist eine Legierung aus z.B. 27 % Ni, 19 % Co, Rest Fe oder

  29 % Ni, 17 % Co, 0, 3 % Mn, Rest Fe und hat die Wärmeaus-

  dehnung von hitzebeständigem Glas bis zum Glaserweichungs-

  punkt.

  Die Oeffnung-und Schliessbewegungen des Ventil-

  kegels werden unter Anwendung der hierfür bekannten Mittel

  rjo a

  gesteuert. Die Verschiebung und Regulierung/mit einem z. B.

  (aus Metall bestehenden Faltenbalges abgedichteten Schliess-

  organs erfolgt mittels eines Systems von Differentialschrau-

  ben, die leicht demontierbar mit dem Ventilgehäuse verbunden sind.
• Das z. B. aus Elektrolytkupfer gefertigte Ventilgehäuse ist einteilig und zylindrisch. Es besitzt Bohrungen zur Aufnahme der Anschlüsse zum Vakuumerzeuger und zum Behälter, in welchem Hochvakuum gehalten werden soll. Die Anschlüsse bestehen aus zylindrischen Rohren, deren Enden einen scharfkantig abgeschrägten Ringrand oder mehre solcher Ringränder aufweisen, die sich beim Festziehen in das Metall des Ventilgehäuses eindrücken.
• Vas Sohliessorgan weist einen Schliesskegel auf, der von einem scharfkantig abgeschrägten Ringrand oder mehreren solcher Ränder umgeben ist.
• Ein vom Schliesskegel bis zur Durchführung des Ventilschafts reichender Faltenbalg dient zur Abdichtung.
• Oeffnung und Schliessung des Ventils wird durch ein am Ventilschaft angreifendes Differentialschraubensystem bewirkt.
• Die Schweissungen zur Verbindung einzelner Teile werden vorzugsweise elektrisch unter inertem Schutzgas wie Argon ohne Zusatzmetall durchgeführt.
• Ein Ventil gemäss der Neuerung unterscheidet sich von den bisher verwendeten Hochvakuumventilen dadurch, dass keine Lötstellen mit Silber oder anderen Metallen vorhanden sind und dass dichte Verbindungen zwischen hartem und weichem Metall angewandt werden. Hierdurch wird die Dauer und Temperatur der zur wirksamen Entgasung erforderlichen Erhitzung herabgesetzt und der Undichtigkeitwert selbst nach öfterem Gebrauch verbessert. Die Vorzüge sind aus der Gegenüberstellung in folgender Tabelle ersichtlich : Bekanntes Ventil Ventil gemäss Neuerung Heizdauer 10 Stunden 3 Stunden Entgasungstemperatur 400° C 200° 0 Undichtigkeitswert in 1/sek 10-14 10-20 Druck im Behälter in-10 10 mm Hg 10 10-Anschliessend wird ein Ausfürhungsbeispiel der Neuerung anhand der Zeichnung beschrieben.
• Es ist der Längsschnitt eines Ventils dargestellt, mit dem man in verschiedenen Behältern Drucke unterhalb

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  von 10-mm Hg herstellen und während mehrerer Tage ge-

  genüber atmosphärischem Aussendruck aufrecht erhalten kann.
• Das Ventil hat ein Gehäuse 1 aus duktilem Metall. Im Gehäuse 1 sind drei bohrungen 2, 3, 4 vorgesehen, in welche die Gewinde 5, 6 und 7 geschnitten sind.
• Die Bohrungen 2 und 3 dienen zum Anschlass von gleichen oder verschiedenen Rohrverbindungen zu dem nicht dargestellten Vakuumerzeuger bzw. zu evakuierenden Behältern. Die Verbindungen bestehen aus zylindrischen Rohren 8 und 9, welche an ihren Enden die Bunde 10 und 11 aufweisen. Die Enden 12 und 13 der Rohre bzw. ihre Bünde 10 und 11 sind z. B. im Winkel von 300 abgeschrägt, sodass die scharfkantigen Ringränder 20 und 21 entstehen. Auf den Rohrenden sind Ueberwurfmuttern 14 und 15 angeordnet, die mit ihren Aussengewinden 16 und 17 in die gleichgängigen Gewinde 5 und 6 eingeschraubt werden. Die in den Ueberwurfmuttern 14, 15 vorgesehenen Ausnehmungen 18 und 19 sind den Bünden 10 und 11 angepasst.
• Beim Anziehen der Ueberwurfmuttern 14"15 werden die scharfkantigen Ringränder 20,21 zunächst gegen die Anschlagflächen 22,23 der Bohrungen 2,3 gedruckt und dann in das duktile Metall des Ventilgehäuses eingedrückt, wodurch eine dichte Verbindung entsteht.
• Bei dem dargestellten Beispiel ist beim Rohr 8 der Ringrand 20 die von den Schrägflächen 24 und 25 gebildete Schneidkante. Die Schrägfläche 24 verläuft im Winkel von 300 und die Schrägfläche 25 im Winkel von 15°. Das Rohr 9 kann in gleicher Weise ausgebildet sein. Die Bohrung 4 nimmt das Schliessorgan auf. Sie hat einen konischen Sitz 26, welcher dem ebenfalls konischen und von der eingeschraubten Schaftführung 28 unabhängigen Ring 27 als lÑ. iderlager dient. Das Aussengewinde der Schaftfuhrung 28 entspricht dem Gewinde 7. In der Schaftführnng 28 ist der Ventilschaft 29 gleitend verschiebbar. Der Ventilschaft 29 endet in dem polierten Schliesskegel 30, welcher beim Schliessen des Ventils in die oeffnung 31 im Ventilgehäuse greift. Die Oeffnung 31 dient-zur Evakuierung der Gase und Dämpfe aus den Behältern, in denen Hochvakuum erzeugt und gehalten werden soll. Mit Vorteil ist der polierte Schliesskegel 31 von einem konischen im Winkel von 45° abgeschrägten Ringrand 40 umgeben.
• Zur Abdichtung des Ventilschafts 29 ist ein Faltenbalg 32 nahe über dem Ventilkegel bei 33 und an der Ringscheibe 27 bei 34 angeschweisst. Der Faltenbelag gestattet die Verschiebung des in seinen Innenraum geführten Schliese. organs.
• Die Verschiebungen des Ventilkegels und-Schaftes erfolgt mittels einer im Oberteil des Ventils vorgesehenen Differentialanordnung. Diese besteht aus dem Drehknopf 35, welcher die verschiedengängigen Gewinde 36 und 37 aufweist.
• Mit dem Aussengewinde 37 ist der Drehknopf 35 in den oberen Teil der Hülse 38 einschraubbar. Das Innengewinde 37 i entspricht dem Gewinde des Ventilschafts 29. Die Hülse 38 ist mit Innengewinde 39 auf das Ventilgehäuse aufgeschraubt.
• Die Gewinde 37 und 39 haben gleichen Gang bzw. gleiche Steigung.
• Die Hülse 38 stellt also ein verstellbares Lager für den Drehknopf 35 dar und gestattet es, die maximale Oeffnungshöhe des Schliesskegels 30 beliebig einzustellen.
• Diese Einstellungen bzw. Lauf-und Hubhöhe des Ventilkegels sind reproduzierbar.
• Beim Schliessen des Ventils greift der Kegel 30 in die Oeffnung 31 und wird an deren Rand 41 angedrückt, während der von Schrägflächen gebildete scharfkantige Ringrand 40 in das Metall des Ventilgehäuses eingedrückt wird.
• Hierdurch wird eine ausgezeichnete Abdichtung erzielt.
• Es sei vermerkt, dass auch die Rohre 8 und 9 an ihren Enden in gleicher Weise wie der Schliesskegel 30 ausgebildet sein können, d. h. mit einem Ringrand, der aus Schrägflächen mit verschiedenem Winkel gebildet ist.
• Mit dem beschriebenen Schliessorgan kann man nicht mehr messbare Undichtigkeitswerte erhalten, selbst wenn auf einer Seite ein Druck von 10-10 mm Hg und auf der anderen Seite Atmosphärendruck herrscht.
• Die folgende Tabelle enthält für ein Ausführungsbeispiel Angaben bezüglich Dimensionen und Konstruktionsmaterial. ungefährer Raumbedarf :.... Höhe : 250 mm, Durchmesser : 60 mm, Ventilgehäuse:........ Electrolytkupfer Anschlussrohre 8 und 9 :... Rohre aus Kovarlegmerung Innendurchmesser : 8 mm, aussendurchmesser: 10 mm.
• Ueberwurfmuttern 14 und 15.. rostfreier Stahl, Schliessorgan : ....... rostfreier Stahl,

  Aussendurchmesser : 14 mm,'

  Winkel des Kegels 30 : 900,

  Durchmesser der-Oeffnung 31 : 6 mm.
• Schaftführung 28 ;...... rostfreier Stahl, Faltenbalg 32 :....... rostfreier Stahl, Dicke : 1/10 mm.

  Drehknopf 35 :........ rostfreier Stahl,

  Gewinde : 36 : 125,

  37 100.

  Vorschub des Schliesskegels 30

  bei einer Umdrehung des Drehknopfs 35 :..... 25/100 mm.
• Hülse. 38 :........... rostfreier Stahl, Gewinde 37 und 39 : 100 Auf den Schliesskegel 30 ausgeübter Druck : mehrere Tonnen Bei diesem Ventil sind die Schweissungen 33 und 34 ohne Zusatzmetall in Argon Atmosphäre ausgeführt, wodurch jede Einschlüsse von Gasen oder Kohlenstoff vermieden sind.
• Zur Herstellung der Teile 27,29 und 32 können anstelle von rostfreiem Stahl Kovar-oder Dilver-P-Legierungen verwendet werden. Die zu verschweissenden Teile sollen jedoch aus dem gleichen Metall bestehen, damit sie zur Erzielung einer dichten Schweissung in Argon-Atmosphäre und ohne Zusatzmetall aneinander geschweisst werden können.
• Die Dillatationskoeffizenten des Metalls der Rohre 8 und 9 und des Metalls, mittels dessen die Anschlagsse an den Vakuumerzeuger und an den zu evakuierenden Behälter hergestellt werden, sollen vorzugsweise möglichst geringe Unterschiede aufweisen.
• Bestehen Apparateteile aus Pyrex-Glas, kann man Kovar-Legierungen verwenden, die in dem weiten Temperaturbereich von 0-500° C genau den gleichen Dillatationskoeffizenten aufzuweisen haben.
• Die Undichtigkeitswerte in den Metall-Kupfer-Diohtungsstellen der Rohre 8, 9 und des Schliesskegels 30 wurden gesondert ermittelt. Hierzu wurde die Geschwindigkeit der Druckzunahme in einem hochevakuiertem Behälter bekannten Inhalts (350 com) gemessen, während auf die Aussenseite des Schliesskegels Atmosphärendruck einwirkte.
• Es ergab sich, dass der Undichtigkeitswert der genannten MEtall-Kapfer-Dichtungsstellen von der gleichen Grössenordnung wie beim Schliesskegel 30 ist, nämlich niedriger

Claims (3)

1. 0 als 10-201/sec. Der Undichtigkeitswert am Anschluss der Rohre 8 und 9 ist eine Funktion des beim Einbau auf die Verbindungsteile bewirkten und festgelegten mechanischen Druckes. Hingegen kann auf den Schliesskegel 30 je nach Stellung des Drehknopfes 35 ein beliebig veränderlicher Druck ausgeübt werden.

   Mit dem Ventil lasse sich eine hohe Pumpgeschwindigkeit erzielen, da durch entsprechende Hohenverstellu. ngen der Hülse 38 der Abstand des Kegels von seinem Kupfer- sitz bis auf 5 mm eingestellt werden kann, während bei den bekannten Ventilen der grösste Oeffnungsabstand 2, 5 mm betrug. Der zur Abdichtung des Schliesskegels vorgesehe Faltenbalg 32 arbeitet bei einer Bewegungsstrecke von 5 mm unterhalb der Elastizitätsgrenze des rostfreien Stahls.

   Es wurde festgestellt, dass man mit der Vorrichtung der Neuerung bei dreisttindiger Erhitzung des Ventils und Hochvakuumbehälters auf 200° C reproduzierbare Drucke in der Grössenordnung von 10-10 mm Hg erhält. Die Messungen wurden mit einem Ionisationsmanometer vom Typ Bayard Alpert durchgeführt. Dies sind für Hochvakuumanlagen völlig neuartige Entgasungsbedingungen, die jedoch ausreichen, um die genannten niedrigen Drucke zu erhalten. Das günstige Ergebnis wird durch die äusserst geringe Undichtigkeit des Ventils und die mit ihm erzielt Beohe Pumpgeschwindigkeit erreicht. t asz 1 1.) Ventil mit Rohranschlüssen für Hoohvakuumanlagen, dadurch gekennzeichnet, dass das Schliessorgan (30,40) und die verschiedenen abdichtenden Verbindungen (20,21), welche das Ventil einerseits an den zu evakuierenden und vakuumhaltenden Raum, andererseits an den Vakuumerzeuger anschliessen, aus Metallen oder Legierungen bestehen, die härter sind als das Metall des vorzugsweise einteiligen'Ventilgehäuses (1) und dass die Dichtungsmittel zwischen dem Ventilgehäuse (1) und dem Schliessorgan bzw. den Rohranschlüsse konisch ausgebildet sind und einen von Schrägflächen gebildeten scharfkantigen Ringrand (40, 20, 21) oder mehrere Ringränder aufweisen, welche beim Schliessen des Ventils bzw. oeim Festziehen der Rohranschlüsse in das Metall des Ventilgehäuses eingedrückt werden.
2. 2.) Ventil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein z. B. aus Elektrolytkupfer bestehendes einteiliges zylindrisches Ventilgehäuse mit Bohrungen (2,3) in welche zum Anschluss an den Vakuumraum und Vakuumerzeuger zylindrische Rohre eingesetzt sind, deren scharfkantig abgeschrägter Ringrand (20, 21) z. B. mittels Ueberwurfmuttern (14,15) in das Ventilgehäuse eingedrückt ist, während der Schliesskegel (30) von einem scharfkantigem Ringrand (40) oder mehreren solcher Ringränder umgeben ist und der Ventilschaft (29) zwischen Ventilkopf und Sohaftdurchführung (28) mittels eines Faltenbalges abgedichtet ist und die Betätigung des Ventils mittels einer Anordnung von Differentialsohrauben bzw. Gewinden (36,37, 39) regulierbar ist.
3. 3.) Ventil nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Differentialreguliereinrichtung, bestehend aus einer auf das Ventilgehäuse (1) mit Gewinde (39) aufgeschraubten Hülse (38) und einem ins Oberteil der Hülse (38) mit Gewinde (37) eingeschraubten Betätigungsdreh- knopf (35) in dessen Innengewinde (36) der Ventilschaft (29) gehalten ist, wobei beide Gewinde (37,39) der Hülse gleichgängig sind, während das Innengewinde (36) des Drehknopfs (35) anderen Gang bzw. andere Steigung aufweist.