WO2014191473A1 - Vakuumdichte drehdurchführung für vakuumanwendungen - Google Patents

Vakuumdichte drehdurchführung für vakuumanwendungen Download PDF

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Michael Hentschel
Christoph Kaiser
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Von Ardenne Gmbh
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/56—Apparatus specially adapted for continuous coating; Arrangements for maintaining the vacuum, e.g. vacuum locks
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/34—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member
    • F16J15/3436—Pressing means
    • F16J15/344—Pressing means the pressing force being applied by means of an elastic ring supporting the slip-ring

Definitions

  • the invention relates to a vacuum-tight rotary feedthrough, as used for example in vacuum process plants for
  • Coating substrates finds application.
  • Rotating unions are required to rotating parts such as shafts, and hin malzu ⁇ conduct chamber walls like, if the driving machine element, Example ⁇ as a drive means is arranged on one side of the chamber wall and the driven machinery ⁇ element, for example a rotating hollow shaft , disposed on the other side of the chamber wall.
  • Example ⁇ as a drive means is arranged on one side of the chamber wall and the driven machinery ⁇ element, for example a rotating hollow shaft , disposed on the other side of the chamber wall.
  • a pressure difference must be maintained between the two sides of the chamber wall (eg atmospheric pressure on one side, high vacuum on the other side) or / and the atmospheres on both sides of the chamber wall are differently composed (eg air on one side, inert gas on the other side) or / and different media on both sides of the chamber wall
  • Rotary feedthroughs for vacuum systems can, for example, have two successive seals, one seal being arranged so that it seals to the atmosphere and the other seal is arranged such that it seals seals to the vacuum or to the process atmosphere. Between these two seals, for example, with a
  • Barrier medium i. a barrier gas or a barrier liquid
  • a complete separation of the media can be achieved.
  • a separation of atmosphere and process space can be achieved with an intermediate vacuum generated between the two seals.
  • Sealing elements of the sealing device may be provided for example with a sealing lip.
  • Such sealing lips can be produced, for example, by using a shaft sealing ring as the sealing element, the inner diameter of which is smaller than the outer diameter of the rotating shaft
  • ferrofluids can also be used as a sealing element that react to magnetic fields without solidifying.
  • Vacuum sealed rotary joints is that these
  • Temperatures are designed to about 80 ° C.
  • Rotary feedthrough to provide that can withstand temperatures in a wide range of -20 ° C to + 200 ° C.
  • a vacuum-tight Rotary feedthrough for receiving a rotating machine element solved, comprising a first flange and a second flange which are movable relative to each other, wherein the second flange is vacuum-tightly connected to the rotating machine element, and the two flanges are connected via each sealing element via a contact pressure ,
  • Movable relative to each other may mean, for example, that a first flange is fixed or movable and a second flange is designed to be movable. Furthermore, the first and the second flange in opposite directions and / or in the same direction of rotation, but with different
  • Angular speeds be designed to rotate.
  • the second flange is non-positively connected to the rotating machine element
  • Flange to be connected to the rotating machine element vacuum-tight over an O-ring.
  • first flange and the second flange are each a primary one
  • Sealing element and each a secondary sealing element connected to each other via a contact pressure In each case, the secondary sealing element fixes the primary sealing element.
  • the primary sealing element may be made of hardened and lapped carbon steel, for example
  • Temperatures of + 200 ° C are not critical.
  • the secondary sealing element is elastic.
  • a uniform axial contact pressure can be formed and, for example
  • Manufacturing tolerances of the male machine element can be compensated and ensures the vacuum tightness become .
  • the primary side in one embodiment of the invention, the primary
  • Sealing element as a metal slip ring and the secondary
  • Seal element may be formed as an O-ring.
  • the invention comprises a spring element, wherein the spring element on the atmosphere side of the machine element and the
  • movable flange is arranged.
  • the primary and secondary sealing element can be used for temperatures of at least -20 ° C to at least + 150 ° C.
  • the primary and secondary sealing elements may be exposed to the atmosphere with a vacuum grease over one
  • Lubricating nipples are lubricated. There will be a
  • the contact pressure is formed by the differential pressure between atmospheric pressure and the pressure generated by the spring force of the spring element on the one hand and the vacuum in the vacuum process plant on the other hand, for example, at
  • Vacuum process plant prevails, the contact pressure is formed by the spring force of the spring element.
  • the invention is based on a
  • Drawing shows an embodiment of the invention Vacuum-tight rotary union with a movable flange and a fixed flange, whereby the seal is ensured by a drive seal.
  • the vacuum-tightness is generated by a drive seal 41, 42, which consists of two metal sliding rings 10 and two
  • the round seals 11 are formed as O-rings, so that an angular offset and an axial offset can be compensated to a small extent and the rotary feedthrough remains vacuum-tight.
  • Rotary feedthrough is used in a vacuum process plant.
  • the spring element 6 is mounted on the hollow shaft 3 on the atmosphere side A, for example a cooling roller of a vacuum coating system, and is connected to the movable flange 2.
  • the atmosphere side A for example a cooling roller of a vacuum coating system
  • Temperature range can be used, for example, between - 60 ° C to + 200 ° C, optionally lubricated.
  • Temperature stable so that the function of the rotary feedthrough is guaranteed even in coating processes at high temperatures. Temperature stable is in the sense of Temperature resistant understood, regardless of the temperatures at which the rotary feedthrough is used. In vacuum process plants, different temperatures prevail, depending on the vacuum process carried out. Relative to a rotary feedthrough, this means that the
  • Process-related temperatures can be baked without being negatively influenced in their mode of action (vacuum tightness, reliability).
  • This rotary feedthrough can be used for speeds of up to 150 rpm.
  • machine element e.g. a hollow shaft

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine vakuumdichte Drehdurchführung, wie sie beispielsweise in Vakuumprozessanlagen zur Beschichtung von Substraten Anwendung findet. Die Aufgabe der Erfindung, eine geeignete robuste Drehdurchführung zur Verfügung zu stellen, die Temperaturen in einem weiten Bereich von -20°C bis +200°C standhalten können, wird mit einer vakuumdichten Drehdurchführung zur Aufnahme eines rotierenden Maschinenelementes, umfassend einen feststehenden oder beweglichen ersten Flansch und einen beweglichen zweiten Flansch, wobei der bewegliche zweite Flansch mit dem rotierenden Maschinenelemente vakuumdicht verbunden ist und die beiden Flansche über je ein Dichtelement über einen Anpressdruck miteinander verbunden sind, gelöst.

Description

Vakuumdichte Drehdurchführung für Vakuumanwendungen
Die Erfindung betrifft eine vakuumdichte Drehdurchführung, wie sie beispielsweise in Vakuumprozessanlagen zur
Beschichtung von Substraten Anwendung findet.
Drehdurchführungen werden benötigt, um rotierende Teile, wie z.B. Wellen, durch Kammerwände und ähnliches hindurchzu¬ führen, wenn das antreibende Maschinenelement, beispiels¬ weise eine Antriebseinrichtung, auf der einen Seite der Kammerwand angeordnet ist und das anzutreibende Maschinen¬ element, beispielsweise eine rotierende Hohlwelle, auf der anderen Seite der Kammerwand angeordnet ist. Ein
Anwendungsbeispiel für eine Drehdurchführung zur Aufnahme einer drehbar gelagerten Welle ist beispielsweise aus der DE 10 2012 202 715 AI bekannt.
Wenn zwischen den beiden Seiten der Kammerwand eine Druckdifferenz aufrechterhalten werden muss (z.B. atmosphärischer Druck auf der einen Seite, Hochvakuum auf der anderen Seite) oder/und die Atmosphären auf beiden Seiten der Kammerwand unterschiedlich zusammengesetzt sind (z.B. Luft auf der einen Seite, Inertgas auf der anderen Seite) oder/und sich verschiedene Medien auf beiden Seiten der Kammerwand
befinden (z.B. Wasser auf der einen Seite, Vakuum auf der anderen Seite) , dann ist es erforderlich, die
Drehdurchführung so zu gestalten, dass ein ungewollter
Druckausgleich bzw. ein Gasaustausch zwischen beiden Seiten der Kammerwand, die durch Leckagen der Drehdurchführung verursacht werden, verhindert werden.
Drehdurchführungen für Vakuumanlagen können beispielsweise zwei hintereinander wirkende Dichtungen aufweisen, wobei eine Dichtung so angeordnet ist, dass sie zur Atmosphäre hin dichtet und die andere Dichtung so angeordnet ist, dass sie zum Vakuum oder zur Prozessatmosphäre hin dichtet. Zwischen diesen beiden Dichtungen kann beispielsweise mit einem
Sperrmedium, d.h. einem Sperrgas oder einer Sperrflüssigkeit, eine vollständige Trennung der Medien erreicht werden. Alternativ kann mit einem zwischen beiden Dichtungen erzeugten Zwischenvakuum eine Trennung von Atmosphäre und Prozessraum erreicht werden.
Um eine ausreichende Dichtwirkung zu erreichen, können
Dichtelemente der Dichtungseinrichtung beispielsweise mit einer Dichtlippe versehen sein. Solche Dichtlippen können beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass als Dichtelement ein Wellendichtring verwendet wird, dessen Innendurchmesser geringer ist als der Außendurchmesser des rotierenden
Maschinenelements, das durch die Drehdurchführung
hindurchragt. Dabei entsteht ein unter Eigenspannung
stehender Dichtspalt zwischen der Dichtlippe und dem rotie¬ renden Maschinenelement.
Beispielsweise können auch Ferrofluide als Dichtelement eingesetzt werden, die auf magnetische Felder reagieren, ohne zu verfestigen.
Ein Nachteil der bisher verwendeten Materialien in
vakuumdichten Drehdurchführungen ist, dass diese
grundsätzlich nicht wärmestabil sind, sondern nur für
Temperaturen bis etwa 80°C ausgelegt sind.
Bei vielen Anwendungen müssen diese Drehdurchführungen prozessbedingt großen Temperaturschwankungen zuverlässig standhalten und vakuumdicht bleiben. Es ist daher eine
Aufgabe der Erfindung, eine geeignete robuste
Drehdurchführung zur Verfügung zu stellen, die Temperaturen in einem weiten Bereich von -20°C bis +200°C standhalten kann .
Die Aufgabe der Erfindung wird mit einer vakuumdichten Drehdurchführung zur Aufnahme eines rotierenden Maschinenelementes gelöst, die einen ersten Flansch und einen zweiten Flansch, die relativ zueinander beweglich sind, umfasst, wobei der zweite Flansch mit dem rotierenden Maschinenelement vakuumdicht verbunden ist, und die beiden Flansche über je Dichtelement über einen Anpressdruck miteinander verbunden sind.
Relativ zueinander beweglich kann beispielsweise bedeuten, dass ein erster Flansch feststehend oder beweglich und ein zweiten Flansch beweglich ausgebildet ist. Weiterhin können der erste und der zweite Flansch gegenläufig oder / und im gleiche Drehsinn, aber mit unterschiedlichen
Winkelgeschwindigkeiten rotierend ausgebildet sein.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite Flansch kraftschlüssig mit dem rotierenden Maschinenelement
verbunden. Alternativ oder zusätzlich kann der zweite
Flansch mit dem rotierenden Maschinenelement vakuumdicht über einen O-Ring verbunden sein.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind der erste Flansch und der zweite Flansch über je ein primäres
Dichtelement und je ein sekundäres Dichtelement über einen Anpressdruck miteinander verbunden. Dabei fixiert jeweils das sekundäre Dichtelement das primäre Dichtelement .
Das primäre Dichtelement kann beispielsweise aus gehärtetem und geläpptem Kohlenstoffstahl bestehen, wodurch hohe
Temperaturen von +200°C unkritisch sind.
Um einen Winkel- sowie axialen Versatz in geringen Maßen ausgleichen zu können ist das sekundäre Dichtelement elastisch ausgebildet. Damit kann eine einheitliche axiale Anpressung ausgebildet werden und beispielsweise
Fertigungstoleranzen des aufzunehmenden Maschinenelementes können ausgeglichen und die Vakuumdichtheit gewährleistet werden .
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann das primäre
Dichtelement als ein Metallgleitring und das sekundäre
Dichtelement als ein O-Ring ausgebildet sein.
Zur Erzeugung eines permanenten axialen Anpressdrucks weist die Erfindung ein Federelement auf, wobei das Federelement atmosphärenseitig an dem Maschinenelement und dem
beweglichen Flansch angeordnet ist.
Das primäre und sekundäre Dichtelement sind für Temperaturen von wenigstens -20°C bis mindestens +150°C einsetzbar.
Optional können das primäre und sekundäre Dichtelement atmosphärenseitig mit einem Vakuumfett über einen
Schmiernippel geschmiert werden. Dabei wird eine
Dichtscheibe zwischen beweglichem und feststehendem Flansch derart angeordnet, dass atmosphärenseitig ein Austritt von Vakuumfett verhindert wird.
Wird die Drehdurchführung in einer Kammerwand einer
Vakuumprozessanlage angebracht, so ist der bewegliche
Flansch atmosphärenseitig und der feststehende Flansch vakuumseitig an der Kammerwand angeordnet. Während des Betriebes der Vakuumprozessanlage, d.h. bei herrschendem Vakuum in der Vakuumprozessanlage, wird der Anpressdruck durch den Differenzdruck zwischen Atmosphärendruck und dem durch die Federkraft des Federelementes erzeugten Druck einerseits und dem Vakuum in der Vakuumprozessanlage andererseits gebildet, wohingegen beispielsweise bei
Wartungsarbeiten, wenn kein Vakuum in der
Vakuumprozessanlage vorherrscht, der Anpressdruck durch die Federkraft des Federelementes gebildet wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die nachfolgende
Zeichnung zeigt eine Ausführung der erfindungsgemäßen vakuumdichten Drehdurchführung mit einem beweglichen Flansch und einem feststehenden Flansch, wobei die Dichtung durch eine Laufwerksdichtung gewährleistet wird.
In einer Ausführung der erfindungsgemäßen Drehdurchführung wird die Vakuumdichtheit durch eine Laufwerksdichtung 41, 42 erzeugt, die aus zwei Metallgleitringen 10 und zwei
Runddichtungen 11 besteht, wobei die Runddichtungen 11 die Metallgleitringe 10 fixieren und eine statische Dichtheit zu den Flanschen (1, 2) herstellen. Die Runddichtungen 11 sind als O-Ringe ausgebildet, so dass ein Winkelversatz sowie ein axialer Versatz in geringem Maße ausgeglichen werden können und die Drehdurchführung vakuumdicht bleibt. Die
Drehdurchführung kommt in einer Vakuumprozessanlage zum Einsatz. Dabei wird der Anpressdruck durch den
Differenzdruck zwischen Atmosphäre A und Vakuum V erzeugt. Bei Wartung der Anlage wird der minimal notwendige
Anpressdruck durch ein Federelement 6 zur Verfügung
gestellt. Das Federelement 6 ist dabei atmosphärenseitig A auf der Hohlwelle 3, beispielsweise einer Kühlwalze einer Vakuumbeschichtungsanlage angebracht und mit dem beweglichen Flansch 2 verbunden. Atmosphärenseitig A kann die
Laufwerksdichtung 41, 42 über einen Schmiernippel 8 oder ähnliches mit Vakuumfett, welches in einem weiten
Temperaturbereich einsetzbar ist, beispielsweise zwischen - 60°C bis +200°C, optional geschmiert werden. Die
Gleitflächen der Laufwerksdichtung 41, 42 bestehen aus
Werkzeugstahl mit gehärteten und geläppten Kohlenstoffstahl- Kontaktflächen . Diese Kontaktflächen sollen allein die
Vakuumdichtheit der Drehdurchführung gewährleisten. Durch Verwendung der Metalldichtringe 10 und temperaturstabiler Elastomere für die Runddichtungen 11 ist die
Drehdurchführung ausheizbar und bis zu 200°C
temperaturstabil, so dass die Funktion der Drehdurchführung auch bei Beschichtungsprozessen bei hohen Temperaturen gewährleistet ist. Temperaturstabil wird im Sinne von temperaturbeständig verstanden, unabhängig davon, bei welchen Temperaturen die Drehdurchführung eingesetzt wird. In Vakuumprozessanlagen herrschen, je nach durchgeführtem Vakuumprozess , unterschiedliche Temperaturen vor. Bezogen auf eine Drehdurchführung bedeutet das, dass die
Drehdurchführung unabhängig von dem gefahrenen Prozess in der Vakuumprozessanlage und den damit verbundenen
prozessbedingten großen Temperaturschwankungen, jeder prozessbedingten Temperatur zuverlässig standhält und vakuumdicht bleibt. Die Temperaturstabilität wird auch dahin verstanden, dass die Drehdurchführung bis zu den
prozessbedingten Temperaturen ausgeheizt werden kann, ohne in ihrer Wirkungsweise (Vakuumdichtheit, Zuverlässigkeit) negativ beeinflusst zu werden. Diese Drehdurchführung ist für Drehzahlen von bis zu 150 U/min einsetzbar.
Vakuumdichte Drehdurchführung für Vakuumanwendungen
Bezugszeichenliste
1 feststehender Flansch
2 beweglicher Flansch
3 Maschinenelement, z.B. eine Hohlwelle
41 erste Teillaufwerksdichtung
42 zweite Teillaufwerksdichtung
5 Dichtscheibe, z.B. NILOS-Ring
6 Federelement
7 O-Ring
8 Schmiernippel
9 Verschlussschraube
10 primäres Dichtelement
11 sekundäres Dichtelement
12 Kammerwand
A atmosphärenseitig
V vakuumseitig

Claims

Vakuumdichte Drehdurchführung für Vakuumanwendungen
Patentansprüche
Vakuumdichte Drehdurchführung zur Aufnahme eines rotierenden Maschinenelementes (3), umfassend einen ersten Flansch (1) und einen zweiten Flansch (2), die relativ zueinander beweglich sind, wobei der zweite Flansch (2) mit dem rotierenden Maschinenelement (3) vakuumdicht verbunden ist, und die beiden Flansche (1, 2) über mindestens je ein Dichtelement (10, 11) über einen Anpressdruck miteinander verbunden sind.
Drehdurchführung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der zweite Flansch kraftschlüssig mit dem rotierenden Maschinenelement (3) vakuumdicht über einen O-Ring (7) verbunden ist.
Drehdurchführung nach einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der erste Flansche (1) und der zweite Flansch (2) über je ein primäres Dichtelement (10) und ein sekundäres Dichtelement (11) verbunden sind.
Drehdurchführung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das sekundäre
Dichtelement (11) das primäre Dichtelement (10) fixiert .
Drehdurchführung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das primäre
Dichtelement (10) aus gehärtetem und geläpptem
Kohlenstoffstahl besteht.
6. Drehdurchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das sekundäre Dichtelement (11) elastisch ausgebildet ist, wobei eine einheitliche axiale Anpressung ausgebildet ist.
Drehdurchführung nach einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das primäre Dichtelement (10) als ein Metallgleitring und das sekundäre Dichtelement (11) als ein O-Ring ausgebildet ist.
Drehdurchführung nach einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass diese zur Erzeugung eines permanenten Anpressdrucks ein Federelement (6) aufweist.
Drehdurchführung nach einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das primäre (10) und sekundäre Dichtelement (11) bei Temperaturen von wenigstens -20°C bis mindestens +150 °C einsetzbar sind.
Drehdurchführung nach einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das primäre (10) und sekundäre Dichtelement (11) mit einem Vakuumfett über einen Schmiernippel (8)
geschmiert sind.
Drehdurchführung nach einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Dichtscheibe (5) zwischen beweglichem (2) und
feststehendem Flansch (1) derart angeordnet ist, dass ein Austritt von Vakuumfett verhindert ist.
Vakuumprozessanlage mit einer an einer Kammerwand (12) der Vakuumkammer angebrachten Drehdurchführung nach den vorherigen Ansprüchen, d a d u r c h
g e k e n n z e i c h n e t, dass der erste Flansch (1) vakuumseitig (V) und der zweite Flansch (2)
atmosphärenseitig (A) an der Kammerwand (12)
angeordnet .
Vakuumprozessanlage nach den vorherigen Ansprüchen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Federelement (6) zur Erzeugung eines permanenten axialen Anpressdrucks atmosphärenseitig (A) an dem Maschinenelement (3) und dem beweglichen Flansch (2) angeordnet ist.
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