DE3042097C2

DE3042097C2 - Flanschdichtung

Info

Publication number: DE3042097C2
Application number: DE3042097A
Authority: DE
Inventors: Eduard Albert 8000 München Maier
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1980-11-07
Filing date: 1980-11-07
Publication date: 1983-05-26
Also published as: GB2087023B; US4406458A; DE3042097A1; GB2087023A; FR2494392A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Flanschdichtung, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorausgesetzt ist.

In der DE-OS 28 17 666 ist ein elektrisch isolierender Rohranschluß für Überdeck- oder Vakuumanlagen, insbesondere in der Beschleunigungstechnik, beschrieben, bei denen einzelne Rohrleitungsabschnitte unter gegenseitiger elektrischer Isolierung druckdicht miteinander verbunden werden müssen, wobei die Verbindungsstelle auch höhere Temperaturen aushalten muß. Zwischen den zu verbindenden Flanschen befindet sich eine zugleich als Dichtkörper und elektrischer Isolator wirkende Ringscheibe aus einem polymeren Kunststoff, beispielsweise einem Polyimid- oder Aramidharz, das hinsichtlich seiner mechanischen, insbesondere der Verschleiß- und Kriech-Festigkeit metallische oder keramische Werkstoffe weit übertrifft. Der Außendurchmesser der Ringscheibe ist kleiner als der Flanschaußendurchmesser, und die überstehenden Flanschteile sind in üblicher Weise durch in isolierenden Bundbuchsen geführte Bolzen verschraubt.

Auch bei feinster Oberflächenbearbeitung der üblichen Isolationswerkstoffe verbleibt jedoch auch eine gewisse Oberflächenrauhigkeit, die eine völlige Vakuumabdichtung unmöglich macht. Um diese Rauhigkeit auszufüllen, verwendet man üblicherweise Vakuumfett, das jedoch den Nachteil hat, bei sehr hohem Vakuum infolge seines Dampfdruckes in das Vakuum hinein zu diffundieren und dies zu verunreinigen. Als Alternative hat man daher auch die Oberflächen versiegelt, namentlich bei isolierenden Ringscheiben oder Dichtrahmen aus Hartglasgewebeplatten, die praktisch nicht vollständig poren- und kapillarenfrei hergestellt werden können. Die Oberflächenversiegelung ist jedoch recht aufwendig und außerdem anfällig gegen Beschädigungen, so daß häufig Reparaturen durch erneuten Harzauftrag und Nachschleifen bzw. Polieren von Hand erforderlich sind. Die bei den bekannten Dichtrahmen auftretenden Schwierigkeiten erhöhen sich zunehmend, wenn die Abmessungen des Dichtrahmens größer werden.

Aus der DE-OS 26 16 5!2 ist ferner eine Ftenschdichtung bekannt, bei der in die beiderseitigen Dichtflächen eines aus Stahl bestehenden Dichtrahmens Nuten eingearbeitet sind, in welche umlaufende Dichtringe eingelegt sind, die beispielsweise aus Silber, Kupfer oder Blei bestehen können und beim Zusammenschrauben der Flanschdichtung gestaucht werden. Sollen die Dichtrahmen nach einem Auftrennen der Flanschverbindung nochmals verwendet werden, dann müssen die alten Dichtringe entfernt und neue noch ungestauchte Dichtringe eingelegt werden. Außerdem läßt sich mit einer solchen Dichtung keine Verbindung mit elektrischer Isolation zwischen den beiden Flanschen herstellen. Bei einer weiteren, aus der US-PS 25 13 178 bekannten Flanschdichtung sind statt Dichtringen aus metallischen Werkstoffen solche aus einem nachgiebigen Werkstoff wie Gummi in die Nuten eingeklebt, die sich elastisch deformieren lassen, jedoch, die Nuten ausfüllend, im wesentlichen imkompressibel sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Dichtrahmens, welcher auch bei großen Abmessungen ein hohes Vakuum ohne Fet oder Oberflächenversiegelung unter elektrischer Isolation der beiden Flansche abzudichten gestattet und hohen mechanischen, thermischen und elektrischen Beanspruchungen standhält. Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Flanschdichtung eignet sich besonders gut für torusförmige Vakuumgefäße, wie sie beim magnetischen Plasmaeinschluß verwendet werden. Derartige Gefäße bestehen beispielsweise aus zwei elektrische gegeneinander isolierten Hälften, die vakuumdicht zusammengeflanscht sind. Zwischen den Flanschen befindet sich ein Dichtrahmen aus Isoliermaterial, der mechanisch auf Druck und Scherung und außerdem thermisch und elektrisch beansprucht ist. Als Druckfestigkeit sind 80 N/mm², als Scherfestigkeit 25 N/mm² zu fordern, während die Dauertemperaturfestigkeit bei Druckbelastung 150' und ohne mechanische Belastung 180° betragen muß. Die elektrische Spannungsfestigkeit muß in der Größenordnung von 200 V/mm liegen. Die Scherbeanspruchung ist auf magnetische Kräfte zurückzuführen, weiche zu Relativbewegungen der beiden Torushälften in den Flanschebenen in der Größenordnung einiger Zehntel Millimeter führen.

Diese Forderungen lassen sich durch die erfindungsgemäß ausgebildete Flanschdichtung gut erfüllen. Bei einem Dichtrahmen aus glasfaserverstärktem Kunst-

stoff erreicht man ohr.s weiteres eine Temperaturbeständigkeit bis 230⁰C, eine Durchschlagsfestigkeit bis 4OkWIO mm, eine Kriechstromfestigkeit KC = 180 sowie eine Druckfestigkeit von 500 N/cm².

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran-Sprüchen gekennzeichnet

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Ansicht eines Dichtrahmens und

Fig.2 eine auseinandergezogene Schnittdarstellung einer Flanschverbindung unter Verwendung des Dichtrahmens gemäß F i g. 1.

Der in Fi g. I dargestellte Dichtrahmen 1 ist in seiner Form dem Querschnitt eines torusförmigen Vakuumgefäßes angepaßt Wie Fi g. 2 zeigt ist er zwischen zwei Flanschen 2a und Ib angeordnet, die mittels schematisch angedeuteter Schraubbolzen 3 zusammengedrückt werden. Der Dichtrahmen 1 besteht vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff der erforderlichen mechanischen thermischen und elektrischen Eigenschaften und weist beiderseitig Ausnehmungen in Form einer umlaufenden Nut 4 auf, in welche Dichtscrc'enen S eingeklebt sind, die vorzugsweise aus einem unmagnetischen Metall bestehen. Im dargestellten Beispiel sind die Dichtschienen 5 nicht zentrisch im Querschnitt des Dichtrahmens 1 angeordnet, sondern sie sind etwas nach außen versetzt während die im einzelnen nicht dargestellten Bohrungen für den Schraubbolzen 3 nach innen versetzt sind.

In den aufeinanderzuweisenden Flächen der Flansche 2a und 2b sind gegenüber den Dichtschienen 5 des Dichtrahmens 1 Nuten 6 zur Aufnahme von Dichtringen 7 in Form von O-Ringen ausgebildet. Diese doppelten O-Ringe 7 legen sich gegen die Dichtschienen 5 und bilden einen vakuumdichten Abschluß, ohne daß hierzu Vakuumfett verwendet werden müßte. Zwischen dem inneren und dem äußeren O-Ring ist in beiden Flanschen weiterhin ein Ringkanal 8 ausgebildet, der einen Zwischen-Vakuumraum in der durch die beiden ao O-Ringe bewirkten doppelten Abdichtung bildet.

Die für die erwähnten Beanspruchungen zur Verfügung stehenden Isoliermaterialien für den Dichtrahmen 1 lassen sich nicht mit so glatten Oberflächen ausbilden, daß die üblichen O-Ringe 7 eine genügend gute Vakuumabdichtung ergeben würden. Vielmehr lassen sich Poren, Blasen, Oberflächenrisse, R;?fen etc. in den Dichtflächen la und Xb praktisch nicht so weit vermeiden, wie es für die sichere Abdichtung eines höheren Vakuums erforderlich ist, so daß man bisher mit Oberflächenversiegelung oder Vakuumfett arbeiten mußte. Durch die Verwendung metallischer Dichtschienen im Bereich der eigentlichen Vakuumdichtung, also der O-Ringe 7, wird dieser Nachteil überwunden, da sich Metalle im Gegensatz zu den hier brauchbaren Kunststoffen bis zu einer genügend kleinen Oberflächenrauhigkeit bearbeiten lassen, bei welcher eine Oberflächenversiegelung oder eine Fettdichtung nicht mehr erforderlich ist. Bei Anwendung in einem Magnetfeldern ausgesetzten Vakuumgefäß wird ein unmagnetisches Metali verwendet, welches keine Störungen des Magnetfeldes hervorruft. Bei Temperaturbeanspruehungen ist ferner darauf zu achten, daß das Material des Dichtrahmens und das Material der Dichtschienen sowie der zum Einkleben der Dichtschienen in den Dichtrahmen verwendete Klebstoff miteinander kompatibel sind, also etwa gleiche thermische Ausdehnungskoeffizienten haben, damit die Verklebung dicht bleibt Die Abmessungsverhältnisse kann man gegebenenfalls so wählen, daß die Dichtschienen 5 etwas dicker als die Tiefe der Nuten 4 ist, so daß die Dichtschienen etwas über die Oberflächen ta, Ib des Dichtrahmens 1 hinausstehen, wenn dies für bestimmte Anwendungsfälle zweckmäßig ist

Während die bisher üblichen Dichtrahmen aus Isoliermaterial ohne eingesetzte Dichtschienen 5 sich nicht mit der für Hochvakuumdichtungen erforderlichen Oberflächengüte ausbilden ließen und daher Versiegelungsschichten oder Vakuumfette erforderten, lassen sich die Dichtschienen 5 aus beliebigen Materialien in geeigneter Weise auswählen, bei welchen die erforderliche Oberflächengüte ohne derartige Maßnahmen erreichbar ist Dadurch kann die fü- Abdichtungen übliche und preiswerte Q-Ring-Techi'ik beibehalten werden, die bei sehr hohem Vakuum auch mehrstufig mit Zwischen-Vakuumräumen ausgebildet werden kann, wie dies in F i g. 2 veranschaulicht ist. Wegen dieser konventionellen Technik, die keine aufwendigen Sondermaßnahmen erfordert lassen sich auch die Kosten relativ gering halten. Auch ist .s mit den in den Dichtrahmen 1 eingesetzten Dichtschienen 5 möglich, Dichlrahmen mit sehr großen Abmessunpen herzustellen, welche eine zuverlässige Hochvakuumabdichtung auch bei sehr großen Vakuumgefäßen erfordert, wie sie etwa für den magnetischen Plasmaeinschluß erwünscht werden.

Selbstverständlich kann die Erfindung auch bei anderen Vakuumgefäßen angewandt werden, wo es darauf ankommt, sehr große Flansche zuverlässig hochvakuumdicht miteinander zu verbinden. Hierbei bereitet die gegenseitige elektrische Isolierung der beiden Flanschteile keine Probleme, da der Dichtring aus einem beliebigen, für die betreffenden (mechanischen, »hermischen, elektrischen etc.) Beanspruchungen geeigneten Isoliermaterial bestehen kann, ohne daß auf dessen erreichbarer Oberflächengüte Rücksicht genommen werden müßte. So kann man für den Dichliahmen ein Material wählen, welches sich beispielsweise problemlos bis zu den erforderlichen Temperaturen ausheizen läßt, um später im Vakuumbetrieb unter Belastung keine Verunreinigungen in das Vakuum mehr abzugeben. Ferner kann das Material auf die benötigte Druck- und Scherfestigkeit hin ausgewählt werden und/oder auf die elektrische Isolationsfähigkeit, die im Einzelfall benötigt wird. Als geeignetes Material hat sich glasfaserverstärkter Kunststoff erwiesen, der mit den gewünscnten Eigenschaften verfügbar ist, also die Anforderungen nach einer Temperaturbeständigkeit von 230⁰C, einer elektrischen Durchschlagsfestigkeit bis 40kV/10mm, einer Kriechstromfestigkeit KC = 180 und einer Druckfestigkeit bis 500 N/cm² erfüllt, wie es bei einem praktisc^u gebauten Vakuumgefäß für magnetischen Plasmaeinschluß erforderlich war.

Hierzu 2 Blatt Zcichnunccn

Claims

Patentansprüche;

1. Flansciidiehning mit einem zwischen zwei druckdicht zn verbindenden Flanschen angeordneten und an diesen mit seinen beiderseitigen Dichtflächen anliegenden, in sich geschlossenen Dichtrahmen, dessen beiderseitige Dichtflächen mit mindestens je einer entlang der betreffenden Dichtfläche umlaufenden Nut ausgebildet sind, in welche eine der Nut entsprechende, vorzugsweise metallische, ebenfalls in sich geschlossene Dichtschiene eingefügt ist, die gegebenenfalls etwas über die betreffende Dichtfläche übersteht, dadurch gekennzeichnet, daß jede Dichtschiene (5) mit mindestens einem, vorzugsweise zwei O-Ringen ι α

(7) kombiniert ist, die in Nuten (6) in den Dichtflächen des jeweiligen Flansches (2a, b) angeordnet sind und an der Dichtschiene (5) anliegen.

2. Flanschdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtschienen (5) in die Nuten (4) eingeklebt sind.

3. Flanschdichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien des Dichtrahmens (1), der Dichtschiene (5) und des Klebers hinsichtlich thermischer Belastung weitgehend kompatibel sind.

4. Flanschdichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtrahmen (1) aus einem elektrisch isolierenden Material besteht.

5. Flanschdichtung nach Anspruch^ dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtrahmen (1) aus glasfaserverstärktem Kunststoff besteht.

6. Flanschdichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch geKeiinzeichnet, daß die Dichtschiene (5) aus einem unma^netischen Material besteht.

7. Flanschdichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den O-Ringen (7) in der Dichtfläche des Flansches (2a, b) ein Ringkanal

(8) zur Ausbildung eines Zwischenvakuumraumes vorgesehen ist.