DE2909223A1

DE2909223A1 - Dichtvorrichtung fuer vakuumverbindungen

Info

Publication number: DE2909223A1
Application number: DE19792909223
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dr Moll
Original assignee: Balzers AG
Current assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Priority date: 1978-03-30
Filing date: 1979-03-09
Publication date: 1979-10-04
Also published as: NL7804130A; DE2909223C2; US4290614A; CH626693A5

Description

Dichtvorrichtung für Vakuumverbindungen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtvorrichtung für Vakuumverbindungen, insbesondere für Hochvakuumflansche und -ventile, mit zwei Dichtflächen und mit dazwischen angeordnetem metallischen Dichtring, wobei die Dichtflächen als Zonen von Kegelmänteln mit einem Oeffnungswinkel von weniger als 90° und mit gemeinsamer Achse ausgebildet sind.

Lösbare Ganzmetal1-Dichtungen werden verwendet, wenn Elastomerdichtungen wegen zu hoher Gasabgabe odeV Gasdurchlässigkeit, wegen zu geringer Temperaturbeständigkeit oder wegen zu geringer chemischer Beständigkeit nicht in Frage kommen. Die bekanntesten Dichtvorrichtungen bestehen aus im wesentlichen ebenen Flanschen, zwischen denen ein duktiler Dichtring (z.B. aus Gold oder Kupfer) plastisch verformt wird. Oft besitzen

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die Flansche schneidenartige Profile, die sich in den Dichtring eindrücken. Dies erfordert sehr hohe Kräfte und sehr massive Flansche. Eine solche Dichtvorrichtung wirft vielfältige Probleme auf. So dürfen sich die Dichtkräfte beim Ausheizen z.B. von Ultrahochvakuum (UHV)-Fl ansehen nicht wesentlich verändern, da die Verbindung sonst im heissen Zustand oder später beim Abkühlen undicht wird. Auch müssen die Dichtkräfte bei Wiederverwendung des Dichtrings nach jedem Oeffnen und Schliessen gesteigert werden. Die Wiederverwendbarkeit solcher Dichtringe ist deshalb sehr begrenzt. Aber schon die Höhe der Dichtkräfte allein stellt ein technisches Problem dar, das zwar lösbar ist, aber zu der bekannten Schwerfälligkeit der Handhabung von UHV-Anlagen führt.

Dichtvorrichtungen mit elastischen Metal 1-Dichtringen zwischen Flanschen mit ebenen Dichtflächen lösen zwar die Probleme, die durch ungleichmässige Wärmedehnung oder durch das Verziehen der Flansche beim Ausheizen unter Vakuum entstehen können. Das Problem der hohen axialen Dichtkräfte und der damit verbundenen Schwerfälligkeit der Flanschkonstruktion und ihrer Handhabung (viele Schrauben!) bleibt jedoch erhalten.

Die vorliegende Erfindung will eine Dichtvorrichtung schaffen, welche es gestattet, UHV-Systeme mit vergleichsweise dünnen Flanschen zu bauen. Diese Flansche sollen mit nur wenigen Schrauben oder Klammern miteinander verbunden werden können, um eine

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einfache Handhabung zu gewährleisten. Dabei sollen vielfach wiederverwendbare Dichtringe Verwendung finden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Ausbildung einer Dichtvorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass der an die ihn im Oeffnungszustand tragende Dichtfläche lose anliegende Dichtring einen beim Oeffnen bzw. Schliessen der Verbindung an den. Dichtflächen abwälzbaren Querschnitt aufweist.

Bei der Abwälzbewegung beim Schliessen der Dichtvorrichtung wird der elastische Dichtring verspannt und dank der Konusform der Dichtflächen können durch relativ kleine axiale Kräfte hohe rad-iale Dichtkräfte erzeugt werden. Wegen der völlig gleichmässigen radialen Belastung der Flansche können diese materialsparend gebaut werden. Dies ist nicht nur ein Kostenvorteil, sondern vermindert auch die beim Ausheizen unter Vakuum entstehenden Temperaturdifferenzen und die damit verbundenen mechanischen und vakuumtechnischen Probleme.

Die erfindungsgemässe Dichtvorrichtung erlaubt die Verwendung sowohl der Innenflächen als auch der Aussenflachen von konisch gedrehten Flanschen als Dichtflächen,und daraus ergeben sich, · wie die nachfolgenden Ausführungsbeispiele zeigen, drei verschiedene Paarungsmöglichkeiten. Es gibt bekannte Dichtvorrichtungen, bei denen nur ungleiche Flansche gepaart werden

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können; demgegenüber muss es als ein wesentlicher Vorteil der neuen Dichtvorrichtung angesehen werden, dass auch eine Paarung gleicher Flansche möglich ist.

Die Dichtigkeit einer Dichtvorrichtung ist nur dann gewährleistet, wenn der Dichtring beide Dichtflächen jeweils auf einer geschlossenen Linie berührt. Leichte Abweichungen der Dichtflächen von der genauen Rotationssymmetrie werden durch die Elastizität des Dichtrings ausgeglichen. Mikroskopische Unebenheiten können durch eine duktile Schicht von wenigen jjm Dicke ausgeglichen werden. Diese Schicht kann in der Anfangsphase des Schiiessvorgangs durch eine kurze Gleitbewegung beschädigt werden. Bei der Erfindung ist dies jedoch ohne Bedeutung für die Dichtigkeit, da in der Endphase des Schiiessvorgangs die Rollbewegung andere Teile des Dichtrings mit den Dichtflächen in Berührung bringt. Es hat sich gezeigt, dass ein Dichtring aus Federstahl mit einer 2 jj.ni- dicken Goldbeschichtung über 500 Schliess- und Oeffnungs-Vorgänge der Dichtvorrichtung erlaubt, ohne seine für UHV-Zwecke benötigte Dichtigkeit (Leckrate-«-r 10~¹ ° Torr C/s, gemessen mit Helium) zu verlieren. Bei besonders sorgfältig geschliffenen Dichtflächen an Flanschen aus Edelstahl konnte eine noch höhere Zahl von Schliess- und Oeffnungsvorgängen sogar ohne jede Beschichtung des Federstahl-Dichtrings erreicht werden.

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Die anliegenden Figuren 1 bis 3 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Die Figur 1 betrifft eine Verbindung zweier unterschiedlicher Flansche mit konischen Dichtungsflächen; Die Figur 2 zeigt ein Vakuumventil, dessen Dichtvorrichtung ähnlich wie bei der Flanschverbindung nach der Figur 1 ausgebildet ist;

Die Figuren 3a und 3b zeigen zwei Varianten einer Flanschverbindung gemäss Erfindung, wobei die beiden zu verbindenden Flansche die gleiche Form besitzen.

In Figur 1 bedeutet 1 einen zylindrischen Teil mit angeschweisstem Flansch 2 mit konischer Dichtungsfläche 3, der mit einem zweiten zylindrischen teil 4 vakuumdicht verbunden werden soll. Letzterer weist den Flansch 5 mit konischer Dichtungsfläche 6 auf, und zwischen den beiden genannten Dichtungsflächen ist der elastische metallische Dichtring 7 von C-förmigem Querschnitt eingelegt. Wenn die beiden Flansche beim Schliessen axial aufeinander zu bewegt werden, verringert sich auch der radiale Abstand zwischen den beiden Dichtungsflächen. Dabei kommt der Dichtring, der int Oeffnungszustand von einer der beiden Dichtflächen getragen werden kann, mit der anderen Dichtfläche zunächst in Berührung, worauf er auf dieser abrollend mit zunehmendem Druck auf die Dichtflächen eine vakuumdichte Verbindung herstellt, bis die beiden Flansche mit Anschlag einander berühren.

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Wie aus der Figur 1 ersichtlich, kann ein solcher AnscKjSP9223 durch entsprechende Gestaltung der Flansche leicht erreicht werden, z.B. kann die axiale Flanschbewegung durch die Flächenpaare 8 und 9 bzw. 10 und 11 begrenzt werden. Durch den Anschlag wird ein zu starkes Pressen des Dichtringes vermieden.

Figur 2 zeigt ein Beispiel für die Anwendung einer Dichtvorrichtung nach der Erfindung auf ein- Vakuumventil. Die Zeichnung zeigt den oberen Teil 12 des Ventilgehäuses, sowie den unteren Teil 14 mit der den Ventilsitz bildenden konischen Dichtfläche 15. Dieser steht die ebenfalls konische-.Gegen-_ dichtfläche 16 der Ventilplatte M gegenüber. Die Ventilplatte 17 ist ihrerseits an der Ventilhubstange 18 befestigt; der Mechanismus zur Bewegung der Ventilhubstange in axialer Richtung, um das Ventil zu öffnen oder zu sch! lessen, ist von üblicher Art und in Figur 2 nicht dargestellt. Im Sinne der Erfindung ist zwischen den beiden Dichtungsflächen 15 und 16 wiederum ein metallischer elastischer Dichtring 19, der sich auf den genannten Flächen abwälzen bzw. abrollen kann, eingelegt. Zur Begrenzung der Pressung des Dichtringes ist an der Unterseite der Ventilplatte 17 die Platte 10 befestigt, die zusammen mit der Schulter 21 des Ventilgehäuses eine Begrenzung der achsialen Hubbewegung darstellt; selbstverständlich könnte eine solche Begrenzung auch durch an der Ventilhubstange 18 angebrachte Anschläge erreicht werden. Die Platte 20 .dient auch der Führung des Ventilteller in der Endphase der Schliessbewegung und zur Sicherung des Dichtringes gegen Herausfallen beim Oeffnen des Ventils.

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ORSGiNAL INSPECTED

Bei den Vorrichtungen nach den Figuren 1 und 2 besitzen die miteinander vakuumdicht zu verbindenden, die konischen Dichtflächen aufweisenden Teile eine ungleiche Form. Für Flanschverbindungen ist jedoch oft erwünscht, dass die beiden Flansche gleichartig sind. Zwei Beispiele dafür, wie auch in diesem Falle die Erfindung verwirklicht werden kann, sind in den Figuren 3a und 3b dargestellt. Hier sind die beiden Flansche 22 und 23 bzw. 22' und 23' zur Mittelebene 26/26' der Flanschverbindung symmetrisch. Die Figuren 3a und 3b zeigen je einen Halbs'chnitt parallel zur Achse einer solchen Flanschverbindung. Die Flansche selbst weisen die Dichtflächen 24 / 25 bzw. 24' / 25' auf, wobei sich die beiden Ausführungsformen vor allem dadurch unterscheiden, dass sich die Konusse der Dichtflächen im einen Falle (3a) nach der Mittelebene zu schliessen, im anderen Falle (3b) dagegen öffnen. Der metallische elastische Dichtring 27 besitzt die dargestellte Querschnittsform, die einen breiten Rücken aufweist, mit dem er sich gegen einen Stützring 28, der im Falle der Figur 3b gleichzeitig als Zentrierring ausgebildet ist, abstützt. In Figur 3a ist für die Zentrierung ein weiterer separater Ring 31 vorgesehen.

Bemerkenswert ist, dass die Flansche 22 und 23 in Figur 3a dieselbe Form wie der Flansch 5 der Figur 1 besitzen; ebenso gleichen die Flansche 22' und 23' der Figur 3b dem Flansch 2 der Figur 1. Unter Verwendung eines Stutzringes 28 bzw. 28' und eines entsprechend geformten Dichtringes 27 bzw. 27' - und im

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Falle der Figur 3a eines zusätzlichen Zentrierringes 29 lassen sich also die gezeichneten Flanschformen in jedem Falle miteinander verbinden, auch dann, wenn bei einer gegebenen Anordnung gleichartige Flansche 2 bzw. 5 aufeinander treffen. Die beschriebenen Flanschformen erweisen sich deshalb als besonders praktisch.

Wenn die erfindungsgemässe Dichtanordnung für Flanschverbindungen verwendet werden soll, müssen natürlich noch entsprechende Vorrichtungen zum Zusammenpressen der Flansche vorgesehen werden. Am einfachsten kann man hiefür Klammern benutzen, deren Backen in Vertiefungen 29 / 29' eingreifen. In Figur 1 ist eine solche Klammer üblicher Bauart mit 30 angedeutet; es können z.B. drei derartige Klammern gleichmassig am Umfang der Flansche verteilt vorgesehen werden.

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Claims

2309223 PATENTANSPRUECHE

1. Dichtvorrichtung für Vakuumverbindungen, insbesondere für Hochvakuumflansche und -ventile, mit zwei Dichtflächen und mit dazwischen angeordnetem metallischen Dichtring, wobei die Dichtflächen als Zonen von Kegelmänteln mit einem Oeffnungswinkel von weniger als 90° und mit gemeinsamer Achse ausgebildet sind, d a d u rc h ge k e η η zeichnet, dass der an die ihn im Oeffnungszustand tragende Dichtfläche lose anliegende metallische Dichtring einen beim Oeffnen bzw. Schliessen der Verbindung an den Dichtflächen abwälzbaren Querschnitt aufweist.

2. Dichtvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring einen C-förmigen Querschnitt aufweist.

3. Dichtvorrichtung nach Anspruch 1, d a du r c h gekennzeichnet, dass der Dichtring mit einer Schicht eines duktilen Metalls überzogen ist.

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