DE2909223C2 - Dichtvorrichtung für Vakuumverbindungen - Google Patents

Description

Die vorliegti.de Erfindung betrifft eine Dichtvorrichtung für Flansche und Ventile cW Vakuumtechnik, mit zwei koaxialen, rotationssymmetrischen Dichtflächen, von denen wenigstens eine konisch ausgebildet ist, und dazwischen lose angeordnetem Dichtring mit abwälzbarem Querschnitt.

Lösbare Ganzmetall-Dichtungen werden verwendet, wenn Elastomerdichtungen wegen zu hoher Gasabgabe oder Gasdurchlässigkeit, wegen zu geringer Temperaturbeständigkeit oder wegen zu geringer chemischer Beständigkeit nicht in Frage kommen. Bekannte Dichtvorrichtungen dieser Art bestehen meist aus im wesentlichen ebenen Flanschen, zwischen denen ein duktiler Dichtring (z. B. aus Gold oder Kupfer) plastisch verformt wird. Oft besitzen 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)-Flanschen 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 Öffnen und Schließen gesteigert werden. Die Wiederverwendbarkeit solcher Dichtringe ist deshalb sehr begrenzt. Auch stellt die Größe der Dichtkräfte ein technisches Problem dar, das mit entsprechendem Aufwand lösbar ist, aber zu der bekannten Schwerfälligkeit der Handhabung von UH V-Anlagen führt.

Dichtvorrichtungen mit elastischen Metall- Dichtringen (wie sie z.B. in DE-GMS 18 48 457 beschrieben sind) zwischen Flanschen mit ebenen Dichtflächen vermeiden zwar Probleme, die durch ungleichmäßige Wärmedehnung oder durch das Verziehen der Flansche beim Ausheizen unter Vakuum entstehen können. Das Problem der hohen axialen Dichtkräfte aber und der damit verbundenen Schwerfälligkeit der Flanschkonstruktion und ihrer Handhabung (viele Schrauben!) bleibt bestehen.

Aus US-PS 28 73 878 ist eine Dichtvorrichtung für Druckgefäße bekannt, die koaxiale rotationssymmetrisehe Dichtflächen und einen dazwischen lose angeordneten metallischen Dichtring von abwälzbarem Querschnitt aufweist. Gemäß dieser bekannten Konstruktion kann bei einem Ventil der Ventilsitz konisch ausgebildet werden und der zugehörige Ventilverschlußkörper als Sitz für den Dichtungsring eine zylindrische Außenfläche aufweisen, auf welche auf einer Seite des Dichtringes ein konischer Teil folgt Der Dichtring kann dabei an dem zylindrischen Flächenteil beim Schließen oder Öffnen des Ventils gleiten, während der konische Teil des 5 Verschlußkörpers als Anschlag beim Schließen des Ventils dient Das Gleiten der Dichtung auf den Dichtflä chen kann zu feinen Kratzern auf diesen führen, wodurch sich Undichtigkeiten ergeben, die sich besonders bei Ultrahochvakuumanlagen sehr störend bemerkbar machen, weil eine hinreichende Dichtigkeit dann nur noch mit hohen Schließkräften oder überhaupt nicht mehr erreichbar ist Hohe Dichtkräfte anwenden zu müssen, bedeutet aber einen großen Aufwand, da nicht nur der Antriebsmechanismus sondern auch die die Schließkräfte aufnehmenden Flansche dann wesentlich verstärkt werden müssen.

Die vorliegende Erfindung will demgegenüber eine Dichtvorrichtung schaffen, bei der Beschädigungen der Dichtflächen infolge Gleitens der Dichtringe vermieden werden, und die es daher gestattet, UHV-Systeme mit vergleichsweise dünnen Flanschen zu bauen. Diese Flansche sollen mit nur wenigen Schrauben oder Klammern miteinander verbunden werden können, um eine einfache Handhabung zu gewährleisten. Dabei sollen vielfach wiederverwendbare metallische Dichtringe Verwendung finden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Ausbildung einer Dichtvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Infolge der Abwälzbewegung, welche die Dichtung beim Schließvorgang ausführt, wird bei der erfindungsgemäßen Dichtvorrichtung der Dichtring verspannt und dank der Konusform der Dichtflächen können durch relativ kleine axiale Kräfte genügend hohe radiale Dichtkräfte erzeugt werden. Wegen der völlig gleichmäßigen radialen Belastung der Flansche können diese materialsparend gebaut werden. Dies ist nicht nur ein Kostenvorteü, sondern vermindert auch die beim Ausheizen unter Vakuum entstehenden Temperaturdifferenzen und die damit verbundenen mechanischen und vakuumtechnischen Probleme.

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 μΐη Dicke ausgeglichen werden. Diese Schicht kann in der Anfangsphase des Schließvorgangs durch eine kurze Gleitbewegung beschädigt werden. Bei der Erfindung ist dies jedoch ohne Bedeutung für die Dichtigkeit, da in der Endphase des Schließvorgangs die Rollbewegung andere Teile des Dichtrings mit den Dichtflächen in Berührung bringt. Es hat sich gezeigt, daß ein Dichtring aus Federstahl mit einer 2 um dicken Goldbeschichtung über 500 Schließ- und Offnungs-Vorgänge der Dichtvorrichtung erlaubt, ohne seine für UHV-Zwecke benö-

tigte Dichtigkeit (Leckrate <10-'°Torr I/s, gemessen mit Helium) zu verlieren. Bei besonders sorgfältig geschliffenen Dichtflächen an Flanschen aus Edelstahl konnte eine noch höhere Zahl von Schließ- und Öffnungsvorgängen sogar ohne jede Beschichtung des Federstahl-Dichtrings erreicht werden.

Die anliegenden Figuren zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Die

F i g. 1 betrifft eine Verbindung zweier unterschiedlicher Flansche mit konischen Dichtungsflächen; die

F i g. 2 zeigt ein Vakuumventil, dessen Dichtvorrichtung ähnlich wie hai der Flanschverbindung nach der F i g. 1 ausgebildet ist

In F i g. 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 3 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 werdvn, verringert sich auch der radiale Abstand zwischen den beiden Dichtungsflächen. Dabei kommt der Dichtring, der im Öffnungszustand 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 Dichtfläche eine vakuumdichte Verbindung herstellt, bis die beiden Flansche mit Anschlag einander berühren.

Wie aus der F i g. 1 ersichtlich, kann ein solcher Anschlag 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.

F i g. 2 zeigt ein Beispiel für die Anwendung einer Dichtvorrichtung nach der Erfindung auf ein Vakuumventil. Die Zeichnung zeigt den oberen Teil 12 des Ventilgehäuses, -iowie den unteren Teil 14 mit der den Ventilsitz bildenden konischen Dichtfläche 15. Dieser steht die ebenfalls konische Gegendichtfläche 16 der Ventilplatte 17 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 schliefen ist von üblicher Art und in F i g. 2 nicht dargestellt.

Im Sinne der Erfindung ist zwischen den beiden Dichtungsfläehen 15 und 16 wiederum ein metallischer elastischer Dichtring 19, der thh auf den genannten Flächen abwälzen bzw. abrollen kann, eingelegt. Zur Begren- ■ zung der Pressung des Dichtringes ist an der Unterseite der Ventilplatte 17 die Platte 20 befestigt, die zusammen mit der Schulter 21 des Ventilgehäuses eine Begrenzung der axialen 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 Ventiltellers in der Endphase der Schließbewegung und zur Sicherung des Dichtringes gegen Herausfallen beim öffnen des Ventils.

Wenn die erfindungsgemäße Dichtanordnung für Flanschverbindungen verwendet werden soll, müssen natürlich noch entsprechende Vorrichtungen zum Zusammenpressen der Flansche vorgesehen werden. Am einfachsten kann man hierfür Klammern benutzen, deren Backen in Vertiefungen 29 an den Außenseiten der Flansche eingreifen. In F i g. 1 ist eine solche Klammer üblicher Bauart mit 30 angedeutet; es können z. B. drei derartige Klammern gleichmäßig am Umfang der Flansche verteilt vorgesehen werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Dichtvorrichtung für Flansche und Ventile der Vakuumtechnik, mit zwei koaxialen, rotationssymmetrischen Dichtflächen (3, 6), von denen wenigstens eine konisch ausgebildet ist, und dazwischen lose angeordnetem metallischem Dichtring (7) mit abwälzbarem Querschnitt, dadurch gekennzeichne t, daß beide Dichtflächen (3,6,15,16) als Zonen von Kegelmänteln mit einem öffnungswinkel des Kegels von weniger als 90° ausgebildet sind, daß der Dichtring (7,19) beim Schließvorgang auf beiden Dichtflächen diese linienhaft berührend abrollt und daß die Relativbewegung der Dichtflächen zueinander durch einen Anschlag derart begrenzt wird, daß beim Schließvorgang der Dichtring (7,19) unter Verhinderung einer bleibenden plastischen Verformung elastisch verspannt wird.

2. Dichtvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (7,19) einen C-förmigen Querschnitt aufweist

3. Dichtvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (7, 19) mit einer Schicht eines duktilen Metalls überzogen ist.