DE4135566A1

DE4135566A1 - High-vacuum metal seal - has expanding washer integral with dish-portion and flush with its beaded edge

Info

Publication number: DE4135566A1
Application number: DE19914135566
Authority: DE
Inventors: Siegfried Haag Ch Schertler
Original assignee: VAT Holding AG
Current assignee: VAT Holding AG
Priority date: 1991-10-29
Filing date: 1991-10-29
Publication date: 1993-05-06

Abstract

The high-vacuum metal seal comprises a sealing face against which the edge of a dish-shaped plug bears. An actuator moves the plug between the open and shut positions, and between it and the plug is an expanding cone washer, slotted if necessary. The washer(3) is integral with the plug(2), whose edge(7) is beaded and of rounded section. This edge is in a common plane with the washer. ADVANTAGE - Allows repeated opening and shutting.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine aus Metall bestehende Dichtvorrichtung an einem Hochvakuumverschluß mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patent anspruches.The invention relates to a sealing device made of metal on a high vacuum closure with the features of the preamble of the patent claim.

Eine solche Dichtvorrichtung ist bekannt aus der EU-OS 3 64 407. Die gehäuse seitige Dichtfläche ist hier als Zylinderfläche ausgebildet, an welche ein nach innen vorspringender Absatz anschließt. Das Verschlußglied ist als flache Schale ausgebildet mit einem zylindrischen Wandteil, der eine gegen über dem Durchmesser der Schale geringe Höhe besitzt, wobei der obere Rand dieses Wandteiles einen radial auskragenden Wulst aufweist. An der Innen seite der Wand der Schale im Bereich des erwähnten wulstartigen Randes liegt der äußere Rand eines gegebenenfalls geschlitzten, tellerfederartigen Spreizgliedes an, dessen innerer Rand mit einem axial beweglichen Stell glied zusammenwirkt. Am Boden der flachen Schale, und zwar auf deren Innen seite ist noch ein Ring vorgesehen, dessen Durchmesser jenem des Stell gliedes entspricht und der als Anschlag für das Stellglied dient. Der äußere Durchmesser des auskragenden Wulstes und der Durchmesser der gehäuse seitigen zylindrischen Dichtfläche unterscheiden sich nur durch ein geringes Maß. Das Spreizglied hat einen rechteckigen Querschnitt und kragt mit seinem inneren Rand in eine Nut am Stellglied ein. Für Hochvakuumanlagen ist eine Dichtvorrichtung dieser Art aus mehreren Gründen ungeeignet: Wird das Verschlußglied in den Dichtsitz eingefahren, so stößt vorerst einmal der auskragende Rand des schalenartigen Verschlußgliedes an den Absatz der gehäuseseitigen Dichtfläche an und stoppt somit die Einfahrbewegung. Das Spreizglied ist vorerst entlastet. Um nun den auskragenden Wulst an die für ihn vorgesehene zylindrische Dichtfläche zu drücken, wird das Verstell glied nun gegen das feststehende schalenartige Verschlußglied gedrückt, wobei das tellerfederartige Spreizglied verformt wird und dabei den rand seitigen, auskragenden Wulst gegen die zylindrische Dichtfläche am Gehäuse drückt. Wenn auch das Ausmaß dieser Bewegungen gering ist, so läßt sich doch eine Relativbewegung zwischen dem Absatz an der gehäuseseitigen Dicht fläche und dem an diesem Absatz unter hohem Druck anliegenden Wulst nicht vermeiden. In Vakuumanlagen dürfen und können keine Schmiermittel verwendet werden mit der Folge, daß die mit hohem Druck aneinanderliegenden blanken Metallflächen, die sich relativ zueinander, wenn auch in geringem Ausmaß bewegen, verschweißen, und in der Folge die Dichtvorrichtung unbrauchbar machen. Selbst wenn dieses Verschweißen vermeidbar wäre, wird bei wieder holtem Öffnen und Schließen der Dichtvorrichtung der auskragende Wulst des schalenartigen Verschlußgliedes stets mit derselben Stelle der gehäusesei tigen, zylindrischen Dichtfläche zusammenwirken. Nach einigen Schließvor gängen ist eine solche Art des Zusammenwirkens von Dichtpartnern im Vakuum bereich nicht mehr verläßlich dicht zu erhalten, was die Erfahrung hin reichend bescheinigt. Auch die kantenartigen Ränder des Spreizgliedes, sowohl an der Außen- wie auch an der Innenseite, sind für den Einsatz in Vakuumanlagen nicht geeignet, da sich diese Ränder mit den sie aufnehmenden Nuten infolge der außerordentlich hohen Druckkräfte die zwischen den gepaar ten Teilen beim Schließen der Dichtvorrichtung auftreten, unweigerlich ver schweißen, da hier blanke Metallteile ohne Schmierung und unter hohem Druck aneinander anliegen und relativ zueinander Schubbewegungen ausführen. Schlußendlich ist das radiale Spiel zwischen dem auskragenden Wulst und der zylindrischen, gehäuseseitigen Dichtfläche notwendigerweise sehr klein zu halten mit der Folge, daß das Verschlußglied in den Dichtsitz nur mit einer hochpräzisen Führung eingefahren werden kann, da vermieden werden muß, daß die zu paarenden Teile aneinanderstoßen, da dadurch die für die Dichtung vorgesehenen Flächen allzuleicht zerkratzt werden können. In Vakuumanlagen können metallische Flächen mit Kratzern nicht mehr dicht aneinandergefügt werden. Aus all diesen Gründen ist diese vorbekannte Kon struktion für wiederholtes Öffnen und Schließen in Vakuumanlagen nicht geeignet.Such a sealing device is known from EU-OS 3 64 407. The housing side sealing surface is formed here as a cylindrical surface to which a inwardly projecting paragraph connects. The closure member is as flat bowl formed with a cylindrical wall part, one against has a small height over the diameter of the bowl, with the upper edge this wall part has a radially projecting bead. On the inside side of the wall of the bowl in the area of the aforementioned bead-like edge lies the outer edge of a possibly slotted, plate spring-like Spreading member, whose inner edge with an axially movable actuator member interacts. At the bottom of the flat bowl, on the inside Another ring is provided, the diameter of which that of the Stell member corresponds and which serves as a stop for the actuator. The outer diameter of the projecting bead and the diameter of the housing side cylindrical sealing surface differ only by a small Measure. The spreader has a rectangular cross-section and also cantilevered its inner edge into a groove on the actuator. For high vacuum systems a sealing device of this type is unsuitable for several reasons: Will the closure member is retracted into the sealing seat, so it comes first the cantilevered edge of the cup-like closure member to the paragraph of sealing surface on the housing and thus stops the retracting movement. The Spreading member is relieved for the time being. Now around the cantilevered bead on the to press the intended cylindrical sealing surface, the adjustment now pressed against the fixed cup-like closure member, wherein the plate spring-like expansion member is deformed and the edge cantilevered bead against the cylindrical sealing surface on the housing presses. Although the extent of these movements is small, it can be but a relative movement between the shoulder on the housing-side seal surface and the bead on this shoulder under high pressure avoid. Lubricants must not and cannot be used in vacuum systems with the result that the bare with high pressure bare Metal surfaces that are relative to each other, albeit to a small extent move, weld, and as a result, the sealing device unusable do. Even if this welding could be avoided, at will Holt opening and closing of the sealing device of the projecting bead of the shell-like closure member always with the same location of the housing egg interact, cylindrical sealing surface. After some closing corridors is such a way of cooperation between sealing partners in a vacuum area no longer reliably get dense, which is the experience sufficiently certified. Even the edge-like edges of the spreader, both on the outside and on the inside, are for use in Vacuum systems are not suitable because these edges coincide with those that receive them Grooves due to the extremely high pressure forces between the pair parts when closing the sealing device, inevitably ver weld, since there are bare metal parts without lubrication and under high pressure abut each other and make pushing movements relative to each other. In the end there is the radial play between the projecting bead and the cylindrical, housing-side sealing surface necessarily very small to keep with the result that the closure member in the sealing seat only with a high-precision guide can be retracted, as can be avoided must be that the parts to be mated come together, as this means that for the Seal provided surfaces can be scratched too easily. In Vacuum systems can no longer seal metallic surfaces with scratches be joined together. For all these reasons, this known con structure for repeated opening and closing in vacuum systems suitable.

In diesem Zusammenhang ist auch noch die DE-OS 25 23 152 (Fig. 4) zu nennen, die eine zur vorstehend erläuterten bekannten Konstruktion vergleichbare Maßnahme zeigt. Der gehäuseseitige Dichtsitz ist hier konisch ausgebildet, der Rand des schalenartigen Verschlußgliedes weist eine dazu korrespondie rende Form auf. Ist das Verschlußglied in den gehäuseseitigen Dichtsitz eingefahren, so liegt die erwähnte Randfläche des schalenartigen Verschluß gliedes am Dichtsitz flächig an. Für untergeordnete Dichtaufgaben mag eine solche Dichtung ausreichend sein, nicht jedoch für Vakuumanlagen, bei wel chen erfahrungsgemäß durch plan aneinander liegende, gepaarte Flächen keine Dichtung mit vertretbaren Kräften erzielbar ist. Die Gründe dafür lassen sich anhand eines Modellversuches anschaulich zeigen: Werden in eine aus gewalkte, plane Schichte aus verformbarem Material, beispielsweise aus Plastilin, einige Kratzer eingeritzt, wird dann auf die so verbereitete Fläche aus leicht verformbarem Material eine plane Metallplatte aufgelegt, so ist es selbst unter Aufbringung außerordentlich hoher Druckkräfte nicht möglich, die geritzte und zerkratzte Oberfläche dieser Schichte aus verform barem Material wieder plan zu erhalten, diese Ritze und Kratzer mit einer metallischen Platte sozusagen wieder plan zu drücken. Durchaus vergleich bare Verhältnisse bestehen zwischen den bei geschlossener Dichtvorrichtung gepaarten Kegelflächen der vorbekannten Konstruktion.In this context, DE-OS 25 23 152 ( FIG. 4) should also be mentioned, which shows a measure comparable to the known construction described above. The housing-side sealing seat is conical here, the edge of the shell-like closure member has a shape corresponding to it. If the closure member is retracted into the sealing seat on the housing side, the edge surface of the shell-like closure member mentioned lies flat against the sealing seat. Such a seal may be sufficient for subordinate sealing tasks, but not for vacuum systems, in which experience has shown that no seal with acceptable forces can be achieved by paired surfaces lying flat against one another. The reasons for this can be clearly demonstrated using a model test: If a few scratches are carved into a rolled, flat layer made of deformable material, for example made of plasticine, then a flat metal plate is placed on the surface made of easily deformable material, so it is Even with the application of extremely high compressive forces, it is not possible to keep the scratched and scratched surface of this layer of deformable material flat, to press these scratches and scratches flat with a metallic plate, so to speak. Quite comparable conditions exist between the paired conical surfaces of the known construction when the sealing device is closed.

Um nun die zumindest theoretischen Vorteile dieser bekannten Konstruktionen auch für die Praxis nutzen zu können, schlägt die Erfindung jene Maßnahmen vor, die Gegenstand und Inhalt des Patentanspruches sind. Anhand eines Aus führungsbeispieles und der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert und die aus ihr ableitbaren Vorteile erklärt. Es zeigen:Now to the at least theoretical advantages of these known constructions To be able to use it also in practice, the invention proposes those measures before, the subject and content of the claim. Based on an out exemplary embodiment and the drawing, the invention is explained in more detail and explains the advantages that can be derived from it. Show it:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein Vakuumventil; Figure 1 is a schematic longitudinal section through a vacuum valve.

Fig. 2 eine Detailansicht des Spreizgliedes. Fig. 2 is a detailed view of the expansion member.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Hochvakuumventil mit einem Ven tilgehäuse 10 und einen dieses Gehäuse verschließenden Ventildeckel 11, durch welchen eine Ventilstange 9 axial verschiebbar und abgedichtet ge führt ist. Im Ventilgehäuse 10 mit den beiden Durchlaßöffnungen 12 und 13 ist ein Ventilsitz 1 vorgesehen mit einer konischen Dichtfläche 5, deren Anstellwinkel ca. 12° beträgt. Ein schalenartiges Verschlußglied 2 mit einem hochragenden Wandteil 8 weist einen außenseitigen wulstartigen, eine bogenförmige Querschnittskontur aufweisenden Dichtrand 7 auf, der bei geschlossenem Ventil an der Dichtfläche 5 anliegt, wie die Fig. 1 zeigt. Mit diesem schalenartigen Verschlußglied 2 ist nun eine tellerfederartige, konische Ringscheibe 3 als Spreizglied einstückig ausgebildet, wobei diese Ringscheibe 3 zweckmäßigerweise radial geschlitzt ist, wie Fig. 2 in Drauf sicht und im Detail zeigt. Der Innenrand 14 dieses als Ringscheibe 3 aus gebildeten Spreizgliedes, das mit dem schalenartigen Verschlußglied ein stückig ausgebildet ist, ist ebenfalls wulstartig gestaltet und besitzt im Querschnitt eine vorzugsweise kreisbogenförmige Kontur, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist. Dieser Innenrand der Ringscheibe 3 liegt an einem gekehl ten Spreizkonus 6 des mit der Ventilstange 9 verbundenen Betätigungsorganes 4 an. Fig. 1 shows a longitudinal section through a high vacuum valve with a Ven valve housing 10 and a valve cover 11 closing this housing, through which a valve rod 9 is axially displaceable and sealed GE leads. In the valve housing 10 with the two passage openings 12 and 13 , a valve seat 1 is provided with a conical sealing surface 5 , the angle of attack of which is approximately 12 °. A shell-like closure member 2 with a protruding wall part 8 has an outside bead-like sealing edge 7 which has an arcuate cross-sectional contour and which bears against the sealing surface 5 when the valve is closed, as shown in FIG. 1. With this cup-like closure member 2 , a plate spring-like, conical washer 3 is now integrally formed as an expansion member, this washer 3 is expediently slotted radially, as shown in FIG. 2 in plan view and in detail. The inner edge 14 of this as an annular disk 3 made of expansion member, which is formed in one piece with the shell-like closure member, is also bulge-shaped and has a preferably circular arc shape in cross section, as can be seen in FIG. 1. This inner edge of the washer 3 rests on a throat expansion cone 6 of the actuator 4 connected to the valve rod 9 .

Es ist aus Fig. 1 auch erkennbar, daß der wulstartige, äußere Dichtrand 7 des schalenartigen Verschlußgliedes 2 in einer Ebene mit der Ringscheibe 3 liegt.It can also be seen from FIG. 1 that the bead-like, outer sealing edge 7 of the shell-like closure member 2 lies in one plane with the ring disk 3 .

Zwischen dem Ventildeckel 11 und dem Betätigungsorgan 4 kann noch ein elastisch verformbarer Metallbalg vorgesehen sein, wie dies bei Vakuum ventilen üblich ist.Between the valve cover 11 and the actuator 4 , an elastically deformable metal bellows can be provided, as is common in vacuum valves.

Um das schalenartige Verschlußglied 2 aus der nicht dargestellten Offen stellung in die aus Fig. 1 ersichtliche Schließstellung einzufahren, bedarf es keiner hochpräzisen Führung, da die konische Dichtfläche 5 einen hin reichend breiten Ringraum bietet, in den das Verschlußglied eingebracht werden kann. Sobald der Dichtrand 7 die Dichtfläche 5 berührt, ist die Ein fahrbewegung des schalenartigen Verschlußgliedes 2 gestoppt. Wird nun in der Folge das Betätigungsorgan 4 mittels der Ventilstange 9 weiter in das Ventilgehäuse eingefahren, so wird dadurch die Ringscheibe 3, die ja als Spreizelement dient, in sich verformt, durch die in ihrer Ebene wirkende Kraft, wobei dadurch der Dichtrand 7 nicht nur an die Dichtfläche 5 gepreßt wird, sondern aufgrund seiner Geometrie an dieser auch abrollt, wenn auch in geringem Ausmaß. Durch dieses Abrollen oder Abwälzen der entlang der Dichtlinie gepaarten Teile werden außerordentlich hohe Dichtleistungen erzielt, und zwar wiederholbar, da durch dieses Abrollen oder Abwälzen bei jedem Schließvorgang sozusagen immer wieder neues Material in diese Dicht vorgänge einbezogen wird. Die hier auftretenden mechanischen Abläufe sind durchaus vergleichbar mit jenen, die beispielsweise in folgenden Druck schriften gezeigt und beschrieben sind: DE-PS 29 47 585 und 29 51 150; CH- PS 6 00 223 und US-PS 46 27 599. Gegenüber den dort erläuterten Konstruk tionen bietet der erfindungsgemäße Vorschlag den Vorteil, daß bei gleicher Nennweite des Ventils die Dichtlinie nur etwas mehr als halb so groß ist, was von vorneherein die Beschädigungsgefahr der Dichtflächen und Dicht linien reduziert. Die Schließkraft, die über die Ventilstange 9 auf das Verschlußglied 2 aufgebracht wird, wird praktisch zur Gänze in Dichtkraft umgesetzt. Bei eventuellen hohen Temperaturdifferenzen zwischen der Außen seite des Ventiles und seiner Innenseite, wie sie beim Ausheizen solcher Ventile auftreten, stellt sich die erfindungsgemäße Konstruktion selbst tätig ein. Alle gegeneinander bewegten Konstruktionselemente und Konstruk tionsteile sowie -Flächen (Ringscheibe - Dichtkante - Dichtfläche - Spreiz konus) rollen während des Aufbringens der Dichtkraft aneinander ab, so daß Schubbewegungen zwischen diesen Teilen und die daraus resultierenden Nach teile vermieden werden.In order to retract the shell-like closure member 2 from the open position (not shown) into the closed position shown in FIG. 1, no high-precision guidance is required, since the conical sealing surface 5 offers a sufficiently wide annular space into which the closure member can be inserted. As soon as the sealing edge 7 touches the sealing surface 5 , the driving movement of the shell-like closure member 2 is stopped. If the actuating member 4 is subsequently moved further into the valve housing by means of the valve rod 9 , the annular disk 3 , which serves as a spreading element, is thereby deformed by the force acting in its plane, whereby the sealing edge 7 not only is pressed against the sealing surface 5 , but also rolls on it due to its geometry, albeit to a small extent. This rolling or rolling of the paired parts along the sealing line achieves extraordinarily high sealing performance, repeatably, since this rolling or rolling means that new material is always included in these sealing processes with each closing process. The mechanical processes occurring here are quite comparable to those shown and described, for example, in the following printed publications: DE-PS 29 47 585 and 29 51 150; CH-PS 6 00 223 and US-PS 46 27 599. Compared to the constructions explained there, the proposal according to the invention offers the advantage that, with the same nominal size of the valve, the sealing line is only slightly more than half as large, which is the risk of damage from the outset Sealing surfaces and sealing lines reduced. The closing force, which is applied to the closure member 2 via the valve rod 9 , is practically entirely converted into sealing force. In the event of high temperature differences between the outside of the valve and its inside, such as occur when such valves are baked out, the construction according to the invention automatically adjusts itself. All mutually moving construction elements and construction parts and surfaces (washer - sealing edge - sealing surface - expanding cone) roll off while the sealing force is being applied to one another, so that shear movements between these parts and the resulting parts are avoided.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel liegt die Ringscheibe 3, die einstückig mit dem schalenartigen Verschlußglied 2 ausgebildet ist und als Spreiz element dient, mit ihrem inneren Rand 14 am Spreizkonus 6 des Betätigungs organes 4 an. Grundsätzlich wäre es auch möglich, eine solche geschlitzte Ringscheibe 3 mit ihrem inneren Rand direkt und fest mit dem Betätigungs organ 4 zu verbinden. Ist der Querschnitt der gezeigten, als Spreizelement dienenden Ringscheibe 3 leicht konisch gestaltet, so ist es denkbar, daß diese als Spreizelement dienende Ringscheibe 3 in einer solchen Weise aus gestaltet wird, daß ihre obere und untere Querschnittskontur parallel zueinander verlaufen. Wie auch immer dieses Spreizelement hinsichtlich seiner Querschnittsgestaltung ausgebildet ist, wesentlich und wichtig ist es, daß dieses Spreizelement bzw. diese Ringscheibe 3 mit dem schalenar tigen Verschlußglied 2 einstückig gestaltet ist, so daß alle in dieses als Ringscheibe 3 ausgebildete Spreizelement eingeleiteten Kräfte und Verfor mungen direkt auf den Dichtrand 7 übertragen bzw. in diesen eingeleitet werden, ohne Zwischenschaltung von gelenkartigen Verbindungen, wie dies beispielsweise bei den einleitend erläuterten Konstruktionen zum Stand der Technik der Fall ist.In the embodiment shown, the washer 3 , which is integrally formed with the shell-like closure member 2 and serves as an expansion element, with its inner edge 14 on the expansion cone 6 of the actuating member 4 . In principle, it would also be possible to connect such a slotted washer 3 with its inner edge directly and firmly to the actuating member 4 . If the cross section of the ring disk 3 shown, which serves as an expansion element, is slightly conical, it is conceivable that this ring disk 3 , which serves as an expansion element, is designed in such a way that its upper and lower cross-sectional contours run parallel to one another. Anyway, this spreading element is formed of its cross-sectional configuration with respect to, essential and important it is that this expansion element and this annular disc, is designed integrally with the schalenar term closure member 2 3 so that provisions all introduced in this form of an annular disc 3 expanding element forces and Verfor be transferred directly to the sealing edge 7 or introduced into it, without the interposition of articulated connections, as is the case, for example, with the constructions of the prior art explained in the introduction.

Legende zu den Hinweisziffern:Legend for the reference numbers:

1 Ventilsitz
2 Schalenartiges Verschlußglied
3 Ringscheibe
4 Betätigungsorgan
5 Dichtfläche
6 Spreizkonus
7 Dichtrand
8 Wandteil
9 Ventilstange
10 Ventilgehäuse
11 Ventildeckel
12 Durchlaßöffnung
13 Durchlaßöffnung
14 Innerer Rand
15 Pfeil 1 valve seat
2 shell-like closure member
3 washer
4 actuator
5 sealing surface
6 expansion cone
7 sealing edge
8 wall part
9 valve rod
10 valve housing
11 valve cover
12 passage opening
13 passage opening
14 Inner margin
15 arrow

Claims

Metal sealing device on a high vacuum seal with a sealing surface on which the edge of a shell-like closure member rests when the sealing device is closed and the closure member is adjustable with an actuating member from a closed position to an open position raised from the sealing surface or vice versa and between the inside of the Sealing edge of the shell-like closure member and the actuating member, an expansion element in the form of a conical, tellerfederar term, optionally slotted washer is provided, characterized in that the washer ( 3 ) with the shell-like closure member ( 2 ) is integrally formed, that the edge ( 7 ) of the closure member ( 2 ) is bead-like with a rounded cross-section and that the sealing surface ( 5 ) is conical in a manner known per se, and that the bead-like edge ( 7 ) of the closure member ( 2 ) with the washer ( 3 ) in one plane lies.