DE2523152C3

DE2523152C3 - Hochvakuumventil, insbesondere für Ultrahochvakuumzwecke

Info

Publication number: DE2523152C3
Application number: DE19752523152
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Phys. 5062 Hoffnungsthal Baechler
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1975-05-24
Filing date: 1975-05-24
Publication date: 1982-01-07
Also published as: DE2523152A1; NL7605550A; DE2523152B2; CH611687A5; FR2312710B3; FR2312710A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Hochvakuumventil, insbesondere für Ultrahochvakuumzwecke mit einem aus verhältnismäßig hartem W-,-kstoff bestehenden, tellcrfederartig kegelförmigen Absperrorgan, dessen dem gehäuseseitigen Ventilsitz zj gewandter Außenrand mit dem gehäuseseitigen Ventilsitz in dichtende Berührung bringbar ist.

Bei einem zur Zeit auf dem Markt befindlichen für Ultrahochvakuumzwecke geeigneten Dichtprinzip dringt während des Schließvorganges eine Dichtkante aus sehr hartem Material in einen Dichtpariner aus sehr weichem Werkstoff (z. B. Gold) ein. Die Häufigkeit der Schließvorgänge, die mit einem in dieser Weise ausgebildeten Ventil durchgeführt werden können, ist beschränkt, da der plastisch verformbare Dichtpartner bereits nach wenigen Schließvorgängen Riefen bzw. Rillen erhält, die eine spätere ultrahochvakuumdichte Absperrung nicht mehr möglich machen. Der aus weicherem Material bestehende Dichtpartner muß deshalb häufig ausgewechselt werden, was aufwendig und — insbesondere bei der Verwendung von Golddichtungen — kostspielig ist.

Aus der US-PS 31 08 780 ist ein Ventil der eingangs genannten Art bekannt. Bei diesem Ventil ist der Ventilsitz zylindrisch ausgebildet und dem tellerfederartiger. Absperrorgan ein Anschlag zugeordnet. Der Schließvorgang bei diesem vorbekannten Ventil erfolgt in der Weise, daß das Absperrorgan zunächst bis zum Anschlag bewegt wird. In dieser Stellung berührt die Außenkante des Absperrorgans den zylindrisch ausgebildeten Ventilsitz noch nicht. Zum endgültigen Verschließen des Ventils wird das Absperrorgan gegen den Anschlag gepreßt. Dadurch spreizi sich das Absperrorgan, so daß die spitz ausgebildete Außenkante des Absperrorgans in den Ventilsitz dringt und dadurch die Dichtwirkung herstellt. Auch bei diesem vorbekannten Ventil besteht der Nachteil, daß die SchlicQvorgängc wegen der im Ventilsitz entstehenden Rillen nur beschränkt häufig durchgeführt werden können. Das Auswechseln des Ventilsitzes ist bei dem vorbekannten Ventil nur mit großem technischen Aufwand möglich, da der zylindrische Ventilsitz identisch ist mit dem Ventilgehäuse. In der erwähnten US-PS wird deshalb weiterhin vorgeschlagen, den Anschlag für das Absperrorgan verschiebbar auszubilden, damit die Dichtkante mit anderen Bereichen des Ventilsitzes in Berührung kommt. Diese Mi3nahme

ίο verlängert zwar um eine gewisse Zeit die Lebensdauer des Ventils; der zusätzliche Aufwand für den verschiebbaren Anschlag ist jedoch relativ hoch. Außerdem ist damit nicht das Problem bezüglich des schließlich doch notwendig werdenden Auswechselns des Ventilsitzes beseitigt.

Aus der DE-OS 20 39 698 ist ein Präzisions-Abschluß- und/oder Regelorgan bekannt, mit dem hohe Dichtqualitäten (bis zu 10-⁸Torr 1/sec für Helium) erreicht werden können. Zur Herstellung der Abdichtung werden extrem eben gestaltete Flächen aufeinandergepreßt. Ein in dieser Weise gestaltetes Ventil ist aufwendig und kostspielig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hochvakuumventil der eingangs genannten Art zu schaffen, das trotz einfacher Bauweise eine Vielzahl von Schließvorgängen mit hoher Dichtqualität zuläßt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Ventilsitz konisch ausgebildet ist, dessen halber

JO Kegelwinkel α etwa 15° beträgt, daß der Kegelmantel des Absperrorgans mit der von seinem Außenrand bestimmten Ebene einen Winkel β von etwa 20° bildet, daß der Ventilsitz und das Absperrorgan aus Stellit oder aus einem ähnlich harten Werkstoff bestehen und daß die Außenkante des Absperrorgans abgerundet ist. Aufgrund dieser Maßnahmen können aufwendige Anschlagmittel zum Spreizen des tellerfederartig ausgebildeten Absperrorgans entfallen. Aufgrund der besonderen Bemessung der Winke.¹ für das Absperrorgan und den Ventilsitz können mit relativ kleinen Drehmomenten sehr hohe Anpreßkräfte erzeugt werden. Darüber hinaus hat sich bei einem in dieser Weise ausgebildeten Ventil gezeigt, daß es auch nach mehr als tausend Schließvorgängen noch eine für Ultrahochvakuumzwecke geeignete Absperrung (bis zu 10-'° Torr l/sec) bewirkt. Maßgebend dafür ist die Wahl der Werkstoffe für die Dichtpartner und die Abrundung des Außenrandes des tellerfederartigen Absperrorgans. Stellite und die weiterhin erwähnten Werkstoffe haben Härten von mehr als 40 Rockwell, so daß selbst nach der genannten Vielzahl der Betätigungen mit hohen Schließdrücken keine oder nur unwesentliche bleibende Verformungen am Ventilsitz und/oder am Absperrorgan auftreten. Auch mit Hilfe von Kohlenstaub erzeugte Verschmutzungen haben die Dichtqualität nur unwesentlich beeinflußt. Insbesondere bei größeren Nennweiten (z. B. mit einem freien Durchmesser größer als 60 mm) hat sich dieser Absperrmechanismus als besonders vorteilhaft erwiesen. Damit vereinigt das erfindungsgemäße Ventil sämtliche Vorteile auf sich, die ein für Ultrahochvakuumzwecke geeignetes Ventil erwünscht sind, nämlich: es ist robust, kann leicht gereinigt werden, ist wegen der ausschließlichen Verwendung von Metall ausheizbar und hat trotz

b5 einfachster Bauweise eine äußerst lange Lebensdauer.

Aus der AT-PS 2 25 483, der GB-PS 10 39 027 und der US-PS 21 47 332 sind Ganzmetalldichtungen für Fluide bekannt. Für Hochvakuum- oder Ultrahochvakuumven-

tile sind diese jedGch weder bestimmt noch geeignet, da insbesondere ausreichend hohe Anpreßkräfte nicht erzeugt werden.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ventils besteht das Absperrorgan aus Nickelwerkstoff mit einem Nickelgehalt von mehr als 35% und Chrom und/oder Kobalt als zusätzlichen Legierungsbestandteilen. Als Werkstoff für den Ventilsitz ist eine Legierung von Edelstahl mit Chrom, Nickel, Molybdän und/oder Titan geeignet. Auch ähnliche Legierungstypen, die sich durch große Härte und Zugfertigkeit auszeichnen, können verwendet werden.

Ausführungsbeispiele für die Erfindung sind in den F i g. 1 bis 3 dargestellt. Εε zeigt

Fig. 1 ein erfindungsgemäß ausgebildetes Eckventil !■> und

Fig. 2 und 3 ein mit den erfindungsgemäßen MerkmaSen versehener Absperrschieber in offener und geschlossener Stellung.

Von dem in Fi g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Eckventils sind nur die wesentlichen Teile dargestellt Der Ventilstempel ist mit 1, dis mittels Schrauben 2 zusammengehaltene Gehäuse des Ventils mit 3, die Eingangsöffnung des Ventils mit 3a und die Austrittsöffnung mit 3b bezeichnet. Die Achse des Ventils trägt das Bezugszeichen 4. Der Ventilsitz 5 ist als in das Gehäuse 3 eingelassener Ring ausgebildet und weist an seiner Innenseite eine konische Form auf. Der halbe Kegelwinkel des durch den Konus bestimmten Kegels ist ebenfalls eingezeichnet und mit tx bezeichnet. Am Endstück 6 des Ventilstempels 1 ist das tellerfederartig ausgebildete Absperrorgan 7 derart gehaltert, daß sein Rand dem Ventilsitz 5 zugewandt ist. Zur Halterung des Absperrorgans 7 dienen die Schraube 8 und die Unterlagsscheibe 9. Durch einen in einer Nut 10 im Endstück 6 liegenden Metalldichtring 11, der ebenfalls dem Absperrorgan 7 anliegt, wird die Dichtigkeit dieser Halterung gewährleistet. Das Absperrorgan 7 kann auch mit dem Endstück 6 verschweißt sein. Dadurch können die Nut 10 und der Ring 11 entfallen. Das Ventil ist in seiner Schließlage dargestellt. In dieser Stellung beträgt der Winkel zwischen dem kegelförmigen Rand des Absperrorgans 7 und der von der Außenkante des Absperrorgans gebildeten Ebene, der in der Figur mit β bezeichnet ist, ca. 20°. Die Außenkante des Absperrorgans 7, also die eigentliche Dichtkante, ist abgerundet. Reibungserscheinungen zwischen der Dichtkante und dem Ventilsitz können dadurch minimal gehalten werden. Auch die Entstehung schädlicher Rillen oder Riefen wird dadurch verhindert

Der Schließvorgang bei dem beschriebenen Ventil erfolgt in der Weise, daß der Ventilstempel 1 und damit das Absperrorgan 7 so lange in Richtung Ventilsitz 5 bewegt werden, bis die Außenkante des Absperrorgans 7 dem Ventilsitz 5 anliegt Dann erfolgt eine weitere Bewegung des Ventilstempels 1 um einen kleinen Betrag, wodurch die Außenkante des Absperrorgans 7 mit hohem Druck gegen den Ventilsitz 5 gepreßt wird.

Bei dem in den F i g. 2 und 3 schematisch dargestellten Absperrschieber bildet das Absperrorgan 7 gemeinsam mit der Platte 12 den Dichtteller 13. Die Halterung des Absperrorgans 7 an der Platte 12 is' durch eine Scheibe 14 und mehrere Schrauben 15 bt-'virkt Auch diese Verbindung könnte z. B. durch Schweißen hergestellt sein. In die Platte 12 ist ebenfalls entsprechend Fig. 1 eine Nut 10 mit einem Dichtring 11 eingelassen. Üter Rückholfedern 16 ist der Dichtteller 13 in an sich bekannter Weise mit einem Abstützteller 17 gekoppelt. Außerdem befindet sich zwischen dem Dichtteller und dem Abstützteller der allgemein mit 18 bezeichnete Spreizmechanismus, welcher mit Hufe der Betätigungsstange 19 betätigt wird.

Zum Verschließen des dargestellten Absperrschiebers werden die Teller 13 und 17 mit Hilfe der Stange 19 in Richtung der Anschläge 20 und 21 bewegt. Nach dem Anschlag bewegen sich die Teller 13 und 17 derart auseinander, daß sich der Teller 17 gegen das Gehäuse 3 und das Absperrorgan 7 gegen den Ventilsitz 5 legen. Durch weiteres Spreizen des Spreizmechanismus 18 mit Hilfe der Stange 19 können dann sehr hohe Anpr.'ßkräfte erzeugt werden. Der konische Ventilsitz 5 ist bei diesem Ausführungsbeispiel nicht als gesonderter Ring aurjebildet Er ist Bestandteil des Gehäuses 3.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hochvakuum ventil, insbesondere für Ultrahochvakuumzwecke mit einem aus verhältnismäßig hartem Werkstoff bestehenden, tellerfederartig kegelförmigen Absperrorgan, dessen dem gehäuseseitigen Ventilsitz zugewandter Außenrand mit dem gehäuseseitigen Ventilsitz in dichtende Berührung bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (5) konisch ausgebildet ist, dessen halber Kegelwinkel χ etwa 15° beträgt, daß der Kegelmantel des Absperrorgans (7) mit der von seinem Außenrand bestimmten Ebene einen Winkel β von etwa 20° bildet, daß der Ventilsitz (5) und das Absperrorgan (7) aus Stellit oder aus einem ähnlich harten Werkstoff bestehen und daß die Außenkante des Absperrorgans (7) abgerundet ist.

2. Hochvakuumventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrorgan (7) aus Nickelwerk-noff mit einem Nickelgehalt von mehr als 35% und Chrom und/oder Kobalt als zusätzlichen Legierungsbestandteilen besteht.

3. Hochvakuumventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (5) aus einer Legierung von Edelstahl mit Chrom, Nickel, Molybdän und/oder Titan besteht.