DE3445236C1 - Dichtvorrichtung fuer den Verschluss eines aus Metall bestehenden Hochvakuumventils - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Dichtvorrichtung für den Verschluß eines aus Metall bestehenden Hochvakuumventils mit einer ersten als Rotationsfläche ausgebildeten Dichtfläche und einer ebenfalls als Rotationsfläche ausgebildeten, zu der ersten Dichtfläche koaxial liegenden zweiten Dichtfläche, wobei die beiden Dichtflächen gegeneinander in Richtung ihrer Achsen verstellbar sind und bei geschlossener Dichtvorrichtung die beiden Dichtflächen voneinander distanziert sind und zwischen den beiden Dichtflächen ein deren Abstand überbrückender, einen selbständigen Bauteil bildender, ringförmiger, vorzugsweise als konische Ringscheibe ausgebildeter, vollwandiger Dichtkörper liegt, der im Querschnitt an beiden Seiten abgerundete Ränder aufweist, die sich an den Dichtflächen beim Schließvorgang anlegen und abwälzen.

Solche Dichtvorrichtungen sind bekannt (DE-OS 47 585). Der als konische Dichtscheibe ausgebildete Dichtkörper besitzt einen inneren Rand und einen äußeren Rand, wobei die Umfangslinien dieser beiden Ränder und damit die Dichtzonen zwangsweise unterschiedlich groß sind. Der Unterschied zwischen der äußeren und inneren Umfangslinie hängt von der Breite des Ringes ab, und er ist etwa gegeben durch die geometrische Beziehung /Su=2 bjt, wobei b die Breite des ringförmigen Dichtkörpers ist Um ein Ventil dieser Art dicht zu schließen, müssen erhebliche Kräfte aufgebracht werden.

Die beiden Dichtflächen und der vollwandige Dichtkörper können dabei aus relativ harten, nicht duktilen Werkstoffen bestehen, beispielsweise aus austenitischen Chrom-Nickel-Stählen. Es liegt aber im Rahmen der Erfindung, hier eventuell weichere Werkstoffe einzusetzen, beispielsweise Kupfer, Kupferlegierungen, Silber oder Silberlegierungen, um einige zu nennen. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, die den Verschluß der Dichtvorrichtung unmittelbar bewirkenden Teile (Dichtflächen, Dichtkörper) aus unterschiedlich harten Werkstoffen zu gestalten. Dabei werden zweckmäßigerweise die Dichtflächen aus relativ harten Werkstoffen gefertigt sein, der Dichtkörper hingegen aus einem relativ weichen Werkstoff, dies deswegen, um im Falle der Revision oder Überholung des Ventiles oder des Verschlusses einen einfach austauschbaren Teil zu besitzen.

Die auf die beiden Umfangslinien bezogenen Dichtkräfte sind notwendigerweise gleich groß, da jedoch die Umfangslinie des inneren Randes kürzer ist als jene des äußeren Randes, ist am inneren Rand und damit an der inneren Dichtfläche die spezifische Materialbeanspruchung entsprechend höher als am äußeren Rand und an der äußeren Dichtfläche. Es ist daher nicht ausgeschlossen, daß beim Schließen der Dichtvorrichtung die zulässige Materialbeanspruchung an der inneren Dichtlinie bereits erreicht ist, wenn an der äußeren Dichtlinie noch kein hinreichend hoher, die Dichtheit der Dichtvorrichtung gewährleistender Druck aufgebaut ist. Wird der Schließdruck daher weiter erhöht, so daß auch an der äußeren Dichtlinie der notwendige Dichtdruck erreicht wird, so kann am inneren Dichtring bereits eine zu große Beanspruchung aufgetreten sein. Als Dichtlinie wird jene theoretische Kreislinie bezeichnet, entlang der sich Dichtkörper und Dichtfläche berühren und welche eine, wenn auch in geringem Maße, flächige Ausdehnung besitzt.

Außer den rein geometrischen Verhältnissen, vorgegeben durch die Abmessungen und Dimensionierungen der aktiven Teile, sind hier aber auch die eventuellen unterschiedlichen Werkstoffpaarungen zu berücksichtigen, beispielsweise der Fall, daß die innere Dichtfläche aus relativ weichen Werkstoffen, der Dichtkörper und die äußere Dichtfläche hingegen aus harten Werkstoffen gefertigt sind. Solche Maßnahmen können durch die Anlage oder den Verwendungszweck, für den der Verschluß vorgesehen ist, bedingt sein.

Die Erfindung schlägt nun vor, um die Materialbeanspruchungen sowohl unter den jeweils vorgegebenen geometrischen Verhältnissen wie auch unter Berücksichtigung der Materialpaarungen in den zulässigen Grenzen zu halten, daß die abgerundeten Ränder des Dichtkörpers am äußeren und am inneren Umfang unterschiedliche Krümmungen aufweisen. Durch die flachere Krümmung wird die jeweilige Dichtlinie sozusagen verbreitert, die Dichtkraft damit auf eine jeweils größere Fläche verteilt und damit die spezifische flächenbezogene Materialbeanspruchung herabgesetzt Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist es zweckmäßig, daß die Krümmung am äußeren Rand des Dichtkörpers kleiner ist als die Krümmung am inneren Rand, dies vor allem dann, wenn Materialien von ca. gleicher Festigkeit und gleicher Härte gepaart sind.

Wird der Verschluß geschlossen und dabei der Vorgang betrachtet, zu welchem die als Rotationsflächen ausgebildeten Dichtflächen den Dichtkörper außen und innen entlang einer Dichtlinie berühren und wird in der Folge die Schließkraft erhöht, so rollen die abgerundeten Ränder des Dichtkörpers auf den Dichtflächen ab.

Sind die Krümmungen der abgerundeten Ränder symmetrisch, so behält dabei die »flächige« Dichtlinie ihre Größe im wesentlichen bei, trotz Erhöhung der Schließkraft, so daß dadurch die spezifische Flächenpressung an den gepaarten Teilen sich erhöht. Nach einem weiteren erfindungsgemäßen Merkmal ist nun vorgesehen, daß die Krümmungen am äußeren und inneren Rand bezogen auf die Mittelachse einer Querschnittsfläche des Dichtkörpers unsymmetrisch sind. Dank dieser Maßnahme ist es möglich, daß bei der beschriebenen Abrollung infolge Erhöhung der Schließkraft die spezifische Flächenpressung im Bereich der »flächigen« Dichtlinie geringer gehalten werden kann, als es dem jeweiligen Anstieg der Schließkraft entspricht, da mit zunehmendem Abrollwinkel die Krümmung der Fläche des Dichtkörpers, die an der Dichtfläche anliegt, stetig größer wird, wodurch sich die »Auflagefläche« der Dichtlinie vergrößert.

Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch ein Ventil; F i g. 2 das in F i g. 1 eingekreiste Detail in einem vergrößerten Maßstab;

F i g. 3 dasselbe Detail wie aus F i g. 2, jedoch bei geöffnetem Ventil;

F i g. 4 veranschaulicht im Detail eine Ausführungsvariante.

Die F i g. 1 zeigt im Längsschnitt ein Hochvakuumabsperrventil mit einem Gehäuse 1, welches einen zur Verbindung mit einer Hochvakuumpumpe dienenden Stutzen 2 und eine Öffnung 3 zum Anschluß an die zu evakuierende Einrichtung aufweist. Die eine Dichtfläche wird nun von einem kegelstumpfförmigen Dichtteller 4 gebildet, der an einem geeigneten Träger 5 befestigt ist bzw. einstückig mit diesem ausgebildet sein kann. Zur axialen Versetzung dieses kegelstumpfförmigen Dichttellers 4 gegen die anderen Dichtflächen ist der Träger 5 mit einer ein Gewinde aufweisenden Spindel verbunden, von welcher in der F i g. 1 nur ihr oberes Anschlußende 6 sichtbar ist. Die Spindel ist in einem Gehäusedeckel 7 gelagert, der mittels Schrauben 8 fest mit dem Gehäuse 1 verbunden ist. Zur Abdichtung der Spindel ist auf der oberen Öffnung des Gehäuses 1 eine Flanschplatte 9 eingelegt, an welcher ein die Spindel umschließender Metallbalg 10 dicht befestigt ist, dessen unteres Ende mit dem Träger 5 dicht verbunden ist. Zwischen der Platte 9 und dem Gehäuse 1 ist in einem ringförmigen Absatz ein Dichtring 11 eingelegt.

Die im Gehäuse 1 vorgesehene Dichtfläche 12 ist hier als Kegelfläche ausgebildet. Dieser Kegelfläche 12 liegt nun eine ringförmige Scheibe (Ringscheibe) als Dichtkörper 13 frei auf, deren Ränder 14—14' gerundet sind. Diese Ringscheibe ist konisch, tellerfederartig ausgestaltet. Um zu verhindern, daß dieser frei aufliegende Dichtkörper 13 eventuell von der Kegelfläche abgehoben wird, ist am oberen Rand der Dichtfläche 12 am Gehäuse 1 ein gegen den Dichtkörper 13 vorspringender und an diesem anliegender Halter 15 befestigt. Dieser Halter kann einstückig ausgebildet sein oder aber auch aus mehreren fingerartigen Teilen bestehen. Innseitig liegen die Halter 15 an der Oberseite des Dichtkörpers 13 an. Die Halter 15 sind federelastisch ausgebildet. Ihre inneren Enden können mit dem Dichtkörper 13 verschraubt, verschweißt oder anderweitig verbunden sein.

Der Dichtkörper 13 ist in den Fi g. 2 und 3 in gegenüber F i g. 1 stark vergrößertem Maßstab dargestellt. Er besteht aus einer konischen, tellerfederartigen Scheibe mit abgerundeten Rändern 14—14'. Dabei ist wesentlich, daß der innere Rand 14, wie deutlich aus F i g. 2 erkennbar, einen erheblich größeren Krümmungsradius besitzt als der äußere Rand 14'. Bei den in diesem Ausführungsbeispiel gezeigten Krümmungen der Ränder 14—14' handelt es sich um Kreisbogenkrümmungen, wie sie sich im Querschnitt durch den Dichtkörper 13 darstellen. Räumlich gesehen sind es Torus-Teilflächen. Die im Querschnitt durch den Dichtkörper 13 sich als Kreisbogenlinien darstellenden Krümmungslinien liegen hier im wesentlichen symmetrisch zur Querschnittsmittelachse.

Es ist im Rahmen der Erfindung denkbar, an den Rändern 14—14' Krümmungslinien vorzusehen, die keine Kreisbogenkrümmungen sind, wobei die Krümmungslinien am äußeren und am inneren Rand bezogen auf die Querschnittsmittelachse des Dichtkörpers 13 unsymmetrisch liegen. Eine solche Ausführung ist schematisch in F i g. 4 dargestellt, wobei gleiche Teile wie in den F i g. 1 bis 3 mit gleichen Hinweisziffern ausgestattet wurden. Aber auch in einem solchen Fall wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig.4, ist die Krümmung am äußeren Rand 14' des Dichtkörpers 13 kleiner als die Krümmung am inneren Rand 14. Die Fig.4 veranschaulicht jenen Augenblick, zu welchem sich beim Schließen des Ventils die Dichtteile gegenseitig berühren. Es ist aus dieser Darstellung nach F i g. 4 auch erkennbar, daß die Verbindungslinie 23 der Berührungspunkte 20 und 21 gegenüber den äußeren Begrenzungsflächen 24 und 25 des Dichtkörpers 13 schräg liegt.

Die Dichtflächen 4 und 12 sind bei den gezeigten Ausführungsbeispielen als Kegelflächen ausgebildet, wobei der mittlere Durchmesser D der im Gehäuse 1 vorgesehenen Dichtfläche dem Außendurchmesser des konischen Dichtkörpers 13 entspricht, so daß dieser konische Dichtkörper 13 frei auf dieser Dichtfläche 12 aufliegt. Wird die zweite Dichtfläche 4 durch Betätigung der Ventilspindel 6 eingefahren (Pfeil 16), so stößt diese Dichtfläche 4 mit ihrer mittleren Zone auf den inneren Rand 14 des Dichtkörpers 13. Der mittlere Durchmesser der Kegelfläche der Dichtfläche 4 entspricht etwa dem Innendurchmesser d des Dichtkörpers 13. Die erste Berührung dieser Teile miteinander beim Schließen der Dichteinrichtung zeigen die F i g. 2 und 4. Die Dichtflächen 4 und 12 sind hier zueinander im wesentlichen parallel.

Wird nun in der Folge ein entsprechend hoher Schließdruck über die Spindel 6 aufgebracht, so wandert die Dichtfläche 4 weiter in Richtung des Pfeiles 16, wobei die aneinanderliegenden Flächen oberflächlich im elastischen Bereich verformt werden, bedingt durch den hohen Druck, mit dem diese Teile gegeneinander gepreßt werden. Aufgrund der gewählten Anordnung wird die über die Spindel 6 aufgebrachte Kraft in einem hohen Übersetzungsverhältnis vergrößert, wobei dieses Übersetzungsverhältnis primär bestimmt wird durch den Winkel λ, der dem Öffnungswinkel der Kegelflächen entspricht und der in F i g. 3 eingetragen ist. Dabei rollt der scheibenartige Dichtkörper 13, und zwar mit seinen beiden Rändern 14—14' an den jeweiligen Dichtflächen 4 und 12 ab. Der Dichtkörper 13 kann sich dabei auch mehr oder weniger in seiner Gesamtheit verformen. Das Ausmaß einer solchen Verformung hängt unter anderem ab von seiner Stärke. Wenn hier von Relativbewegungen und von Abrollen und dgl. die Rede ist, so ist darauf hinzuweisen, daß diese Bewegungen und Abrollwege sehr klein sind, da ja sowohl die Dichtflächen 4 und 12 wie aus der Dichtkörper 13 aus nicht

duktilen metallischen Werkstoffen bestehen.

Es ist aus den F i g. 2 und 3 erkennbar, daß die Berührungslinie zwischen Dichtfläche 4 und dem inneren Rand 14 aufgrund der großen Krümmung dieses Randes erheblich größer ist als die Berührungslinie zwischen der Dichtfläche 12 und dem äußeren Rand 14' des Dichtkörpers 13. Da entlang der beiden Berührungslinien dieselbe Dichtkraft herrschen muß, ist dank der erfindungsgemäßen Maßnahme die spezifische Material- beziehungsweise Flächenbelastung trotz der unterschiedlichen Längen der Berührungslinien im wesentlichen gleich. Die Krümmungen können dabei so aufeinander abgestimmt werden, daß die spezifische Material- bzw. spezifische Flächenbelastung entlang der äußeren und entlang der inneren Berührungslinie zumindest in der gleichen Größenordnung liegen. Wenn hier von Berührungslinien die Rede ist, so sei in diesem Zusammenhang ausdrücklich vermerkt, daß es sich hier nicht um Linien im streng geometrischen Sinne handelt. Vielmehr handelt es sich hier um Dichtzonen von kreisförmiger Gestalt mit einer endlichen Breite, wenngleich diese Breite bezogen auf die Umfangslänge doch sehr klein ist.

Es ist aus F i g. 2 erkennbar, daß selbst relativ große axiale Bewegungen zwischen den Dichtflächen 4 und 12, die beispielsweise durch Temperaturdehnungen oder Temperaturdifferenzen bedingt sein können, ohne weiteres von dieser Dichteinrichtung aufgenommen werden können, da in einem solchen Fall der Dichtkörper 13 beidseitig auf den Dichtflächen etwas abrollt, ohne daß dadurch die Dichtfähigkeit beeinträchtigt wird, denn die über die Spindel 6 aufgebrachten großen Dichtkräfte lassen solche Differenzen ohne weiteres zu.

Es ist auch zu vermerken, daß der Halter 15 nicht am Gehäuse, sondern auch am beweglichen Teil angeordnet sein kann.

Beim gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Dichtflächen 4 und 12 als Kegelflächen ausgebildet. Die erfindungsgemäße Aufgabe ist auch dann lösbar, wenn diese Dichtflächen als Kugelflächenzonen ausgebildet werden, wobei dafür sowohl konkave wie auch konvexe Flächen in Frage kommen können. Auch die Verwendung von Kegelzonenflächen und Kugelzonenflächen als Dichtflächen bei einer Dichtvorrichtung ist denkbar, da ja diese Flächen beim Verschließen der Dichteinrichtung nicht unmittelbar miteinander in Wirkverbindung treten. Diese Flächen sind stets so ausgebildet, daß der Dichtkörper 13 beziehungsweise dessen Ränder 14—14' ungehindert an diesen Flächen abrollen können, wenn die Dichteinrichtung geöffnet beziehungsweise geschlossen wird. Wenn hier vom Abrollen die Rede ist, so sind die dabei jeweils zurückgelegten Wege und Verformungen sehr klein.

Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen nach den F i g. 1 bis 4 wurde vorausgesetzt, daß die aktiven Teile aus relativ harten, nicht duktilen Werkstoffen gefertigt sind, wobei durch die von außen aufzubringenden Kräfte der elastisch verformbare Bereich des Materials nicht überschritten wird. Dabei wurden jeweils Dichtkörper gezeigt und beschrieben, deren Krümmung am äußeren Rand kleiner ist als am inneren Rand. Bei Werkstoffpaarungen anderer Art, vor allem wenn im Zentralbereich des Ventils relativ weiche Werkstoffe im Sinne dieser Erfindung eingesetzt worden sind, kann sich auf Grund der vorgegebenen geometrischen Verhältnisse und der zusätzlich zu berücksichtigenden Werkstoffpaarungen die Notwendigkeit ergeben, den Dichtkörper so auszubilden, daß seine Krümmung am äußeren Rand größer ist als die Krümmung am inneren Rand. In allen Fällen handelt es sich um Krümmungen der Ränder, die in einer Querschnittsebene des Dichtkörpers liegt, die dessen zentrale Mittelachse enthält.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Dichtvorrichtung für den Verschluß eines aus Metall bestehenden Hochvakuumventils mit einer ersten als Rotationsfläche ausgebildeten Dichtfläche und einer ebenfalls als Rotationsfläche ausgebildeten, zu der ersten Dichtfläche koaxial liegenden zweiten Dichtfläche, wobei die beiden Dichtflächen gegeneinander in Richtung ihrer Achsen verstellbar sind und bei geschlossener Dichtvorrichtung die beiden Dichtflächen voneinander distanziert sind und zwischen den beiden Dichtflächen ein deren Abstand überbrückender, einen selbständigen Bauteil bildender, ringförmiger, vorzugsweise als konische Ringscheibe ausgebildeterer, vollwandiger Dichtkörper liegt, der im Querschnitt an beiden Seiten abgerundete Ränder aufweist, die sich an den Dichtflächen beim Schließvorgang anlegen und abwälzen, dadurch gekennzeichnet, daß die abgerundeten Ränder (14,14') des Dichtkörpers (13) am äußeren und am inneren Umfang unterschiedliche Krümmungen aufweisen.

2. Dichtvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung am äußeren Rand (14') des Dichtkörpers (13) kleiner ist als die Krümmung am inneren Rand (14).

3. Dichtvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungen am äußeren und inneren Rand bezogen auf die Mittelachse (E) einer Querschnittsfläche des Dichtkörpers (13) unsymmetrisch sind (F i g. 4).