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Die Erfindung richtet sich auf ein Verbindungselement zur gasdichten Verbindung mit einem weiteren Bauteil eines Rohrleitungssystems sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Für gasdichte Verbindungen (Leckraten < 10–6 mbar·l/s He) sind an lösbaren Verbindungsstellen Dichtungen aus Metall notwendig. Da zum Erreichen von Drücken kleiner 10–9 mbar ein Erwärmen der Bauteile nötig ist, müssen die Verbindungen ausheizbar sein. Typische Flanschsysteme sind Conflat-Flansche (CF-Flansche) nach ISO/TS 3669-2:2007. Diese Flansche sind für Vakuumanwendungen bei Temperaturen bis 450°C ausgelegt. Bei Rohrleitungen für tiefe Temperaturen (4 K), hohe Temperaturen (300°C) und/oder hohe Drücke (bis 500 bar) bis typischerweise 1'' (25,4 mm) Durchmesser kommen z. B. VCR® Verbindungen mit metallischen Dichtscheiben zum Einsatz. Dichtungen aus Elastomer oder Kunststoff können bei diesen Anwendungen nicht verwendet werden (tiefe Temperaturen: Keine zuverlässige Abdichtung, hohe Temperaturen: Zerstörung der Dichtung, hoher Druck: Nicht stabil genug, generell: Gaspermeabilität zu hoch). Auch bei hochreinen Gasversorgungen werden metallische Dichtungen eingesetzt.
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Als Dichtmaterial werden Dichtungen aus Kupfer, Nickel und Edelstahl eingesetzt. Um die notwendige Festigkeit im Bereich der Dichtung zu erhalten, müssen Flansche und Verbindungsstelle eine höhere Festigkeit als das Dichtmaterial besitzen. So werden dauerhafte Verformungen auf Seite der Flansche vermieden. Diese Flansche sind typischerweise aus Stahl, Edelstahl und Titan gefertigt.
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Für viele Anwendungen ist der Gebrauch von Flanschen und Rohren aus Aluminium und Aluminium-Legierungen vorteilhaft. Aluminium ist leicht bearbeitbar, unmagnetisch, lässt sich extrudieren, hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit und wird durch radioaktive Strahlung nur wenig aktiviert. Außerdem gast Aluminium bei niedrigen Drücken weniger aus als Stahl und „verunreinigt” weniger das Vakuum.
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In der Kälte- und Klimatechnik werden vorwiegend Rohrleitungen aus Aluminium und Kupfer verwendet. Da geeignete lösbare Verbindungselemente für die gewünschten kleinen Leckraten fehlen, werden die Komponenten in der Regel miteinander verlötet, was Wartung und Service verteuert.
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Um lösbare Verbindungen zwischen Aluminium Bauteilen zu erreichen, kommen im Wesentlichen zwei Verfahren zum Einsatz. Zum einen werden Flansche eingesetzt, die eine harte Seite typischerweise aus Edelstahl aufweisen und zum größten Teil aus Aluminium bestehen (
US 5836623 ). Dieses System ist schwierig herzustellen (z. B. mittels Sprengplattierung) und daher kostenintensiv.
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Zum anderen werden Flansche aus Aluminium verwendet, die eine Dichtfläche aufweisen, die mittels Ionenimplantation gehärtet wird (
DE 29918170 ). Zusätzlich kann die Dichtfläche mit diamantartigem Kohlenstoff beschichtet werden. Nachteile dieser Methode sind hohe Herstellungskosten, geringe Verschleißfestigkeit aufgrund der geringen Schichtdicke, die geringe Temperaturstabilität von 150°C und die für üblicherweise eingesetzte Kupferdichtungen zu geringe Härte.
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Die aus dem Stand der Technik bisher bekannten lösbaren Verbindungen und deren Herstellungsverfahren haben gemeinsam, dass sie aufwändig und daher kostenintensiv herzustellen sind. Außerdem genügen Temperaturstabilität und Verschleißfestigkeit der bisher bekannten Verbindungen teilweise nicht den Anforderungen an ein Ultra-Hoch-Vakuum.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verbindungselement bereitzustellen, das zu geringeren Kosten zudem bessere thermische und mechanische Eigenschaften aufweist als bisher eingesetzte Verfahren.
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Die Aufgabe wird das durch in Anspruch 1 beschriebene Verbindungselement und durch das in Anspruch 13 beschriebene Verfahren zu seiner Herstellung gelöst.
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Erfindungsgemäß wird eine gasdichte Verbindung zwischen einem Verbindungselement und einem weiteren Bauteil eines Rohrleitungssystems hergestellt. Dabei besteht das Verbindungselement aus Leichtmetall oder aus einer Leichmetalllegierung. Im Rahmen dieser Erfindung ist das Leichtmetall Aluminium oder eine Aluminiumlegierung. Die Kontaktfläche mit dem zu verbindenden Bauteil des Rohrleitungssystems ist zugleich Dichtfläche und verbindet gasdicht (Leckraten < 10–6 mbar·l/s He) beide Bauteile mittels einer metallischen Dichtung miteinander. Die Dichtfläche des Verbindungselements weist eine metallisch harte Beschichtung auf. Die Härte der Beschichtung ist größer als 120 HV. Dies hat gegenüber dem bisherigen Stand der Technik den Vorteil, dass die Verbindung zwischen Verbindungselement und Bauteil des Rohrleitungssystems einfacher und damit kostengünstiger herzustellen ist. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Verbindung eine lösbare Verbindung.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Verbindungselement ein Flansch. Gasdichte Rohr-Flansch-Verbindungen werden in der Vakuum-Technik für viele Anwendungen eingesetzt. In der Ultra-Hoch-Vakuum-Technik werden diese Verbindungen lösbar mittels einer metallischen Dichtung verbunden, damit die Rohr-Flansch-Verbindung bis 200°C ausgeheizt werden kann. Die Dichtfläche des Verbindungselements muss daher härter als die metallische Dichtung sein und über die maximale Einsatztemperatur beständig sein.
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Der Flansch besteht erfindungsgemäß aus einer Aluminiumlegierung mit einem Aluminium-Gehalt von mindestens 50%, bevorzugt mindestens 60% und besonders bevorzugt mindestens 80%. Flansche aus diesem Material sind einfacher und damit kostengünstiger herzustellen als ihre Herstellung z. B. aus Stahl. Aluminium weist eine geringere spezifische Dichte auf als Stahl und ist somit leichter zu handhaben. Außerdem besitzt es eine hohe Wärmeleitfähigkeit (wichtig, wenn das System auf bis zu 200°C erhitzt wird oder eine hohe Wärmeübertragung von Vorteil ist). Die Ausgasungsrate unter Ultra-Hoch-Vakuum-Bedingungen ist zudem geringer als die von Stahl, das Vakuum wird also weniger „verunreinigt”.
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Um eine hohe Verschleißfestigkeit der Dichtfläche Verbindungselement-Rohrleitungsbauteil zu erreichen, wird diese auf Seite des Verbindungselements mit einer harten Schicht versehen. In einer weiteren Ausführungsform ist diese Beschichtung erfindungsgemäß eine auf Nickel basierende Beschichtung. Beschichtungen auf Nickel-Basis sind korrosionsbeständig und weisen eine Härte von bis zu 1100 HV 0,1 auf. Die Beschichtungen können auf unterschiedliche Art und Weise aufgetragen werden.
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In einer weiterführenden Ausgestaltung der Erfindung weist die Nickel-Basis-Beschichtung keine ferromagnetischen Eigenschaften auf. Diese Nickel-Beschichtung kann einen Phosphor-Anteil aufweisen. Ab einem Phosphor-Gehalt von 9–10 Gew.-% verliert die Nickel-Basis-Beschichtung ihre ferromagnetischen Eigenschaften.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltungsform kann die Nickel-Basis-Beschichtung aus mehreren Einzelschichten aufgebaut sein. Die Schichten können sowohl galvanisch wie chemisch aufgebracht werden und durch die genaue Kontrolle des Schichtaufbaus können Eigenschaften wie Härte, Oberflächengenauigkeit und Verschleißfestigkeit gezielt variiert werden. Durch die Einlagerung weiterer Elemente in die Schicht, insbesondere durch den Phosphorgehalt können zusätzlich zur Härte auch die magnetischen Eigenschaften der Beschichtung gesteuert werden. Mit zunehmendem Phosphor-Anteil sinkt die Härte der Beschichtung. So weist eine Nickel-Basis-Beschichtung mit einen Phosphor-Gehalt von 5 Gew.-% eine Härte von 600 HV 0,1 auf, eine mit 13 Gew.-% Phosphor nur noch eine Härte von 500 HV 0,1.
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Die Funktion der Beschichtung ist die Erhöhung der Härte im Bereich der Dichtung und damit die Verteilung der Dichtkraft auf eine größere Fläche des weicheren Basismaterials des Verbindungselementes. Daher ist in einer Weiterbildung der Erfindung lediglich der Bereich der Dichtfläche beschichtet. Aus Fabrikationsgründen kann jedoch auch ein größerer Bereich beschichtet werden.
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Die metallisch harte Beschichtung weist erfindungsgemäß eine Schichtdicke von mindestens 25 μm auf. Bevorzugt weit die Beschichtung eine Dicke von 30 μm, besonders bevorzugt wird eine Schichtdicke von mindestens 50 μm. So ist eine hohe Verschleißfestigkeit und Härte der Beschichtung gewährleistet, damit diese durch Dichtungen aus z. B. Edelstahl nicht beschädigt werden.
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Das Verbindungselement weist erfindungsgemäß eine hohe thermische Stabilität auf. Ultra-Hoch-Vakuum-Systeme aus Aluminium werden bis zu 200°C ausgeheizt. Die Nickel-Basis-Beschichtung ist unter diesen Temperaturen langzeitstabil. Eine Interdiffusion oder Umkristallisation findet nicht statt.
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Ebenfalls besitzt das Verbindungselement erfindungsgemäß eine hohe mechanische Festigkeit (Zugfestigkeit Rm größer 150 MPa), damit es sich unter hoher Erwärmung nicht verformt. Die Festigkeit von Reinaluminium beträgt typischerweise ca. 70 MPa.
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Mittels der Erfindung wird eine gasdichte Verbindung (Leckraten < 10–6 mbar·l/s He) zwischen zwei Bauteilen hergestellt, von denen mindestens ein Bauteil aus Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung bestehen. In einer Weiterbildung der Erfindung sind die erzielten Leckraten kleiner 10–7 mbar l/s bevorzugt kleiner als 10–8 mbar l/s und besonders bevorzugt kleiner als 10–9 mbar l/s.
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Die metallisch harte Schicht kann auf das Verbindungselement erfindungsgemäß elektrochemisch aufgetragen werden. Weiterhin ist es möglich die Schicht auch galvanisch oder chemisch aufzutragen.
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Die metallisch harte Schicht kann ebenfalls durch ein Pulsabscheideverfahren aufgetragen werden. Die Spannung wird dabei gepulst, dadurch lässt sich der Aufbau der Schicht in weiten Bereichen steuern und die Hartschicht den gewünschten Werten hin anpassen.
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Auch das Happy-Plating-Rampart-Verfahren© kann eingesetzt werden. Bei diesem Pulsabscheideverfahren können komplexe Schichtsysteme aufgetragen werden. Außerdem ist die Schichtdicke auch an den Kanten gleichmäßig aufgetragen.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnungen, in der – beispielhaft – ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigt:
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1 Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Verbindung zweier Flansche mit Rohransatz
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2 Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Flanschverbindung von einem Flansch mit Rohransatz und einem Blindflansch
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Rohrverbindung von der Seite, die mittels einer Überwurfmutter und -schraube miteinander verbunden werden. Diese Verbindung wird typischerweise für Gasversorgungen und hochreine Gase eingesetzt (Markenbezeichnung VCR© der Firma Swagelock). Der Rohrdurchmesser beträgt bis zu 1'' (25,4 mm). Mit anderen Überwurf-Verbindern oder anders gestalteten Flanschen lassen sich größere Rohrdurchmesser realisieren.
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Der Grundkörper des Flansches mit Rohransatz 1, 1' besteht aus einer Aluminium-Legierung, z. B. AW-6060. Diese Legierung wird häufig für diese Anwendungen eingesetzt, sie ist sehr gut schweißbar mit einer Zugfestigkeit von 240 N/mm2. Die Dichtscheibe 3 besteht aus Aluminium oder Kupfer. Ihre Dicke beträgt abhängig vom Durchmesser 1 bis 2 mm.
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Die Nickel-Basis-Beschichtung 2, 2' ist auf den Bereichen aufgetragen, die mit der Dichtung in Berührung stehen. Die Beschichtung weist eine Dicke von 50 bis 60 μm auf und ist mit dem Happy-Plating-Rampart-Verfahren© aufgetragen. Dabei entsteht eine multikristalline Schicht mit einer Härte von 500 HV 0,1. Zur Vereinfachung des Beschichtungsprozesses können die Rohre vollständig oder über einen weiteren Bereich beschichtet werden, was einen zusätzlichen Schutz gegen Korrosion geben kann.
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In 2 ist die Verbindungsfläche ein erfindungsgemäßen Verbindungselements 1 zur Verbindung mit weiteren Bauteilen 1', 5 eine Rohrleitungssystems dargestellt. In dieser Ausführungsform erstreckt sich die Beschichtung 2 lediglich über den Kontaktbereich, der mit einer Dichtung 3 in Berührung kommt. Die Beschichtung 2 aus einer Ni-Basis-Legierung ist mit dem Happy-Plating-Rampart-Verfahren hergestellt
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Flansch-Verbindung im Querschnitt, wie sie in Ultra-Hoch-Vakuum-Anwendungen (Drücke kleiner 10–9 mbar) zum Einsatz kommt.
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Der Flansch 1 mit einem Rohransatz besteht aus der Aluminium-Legierung 6082-T6 mit einer Zugfestigkeit von mehr als 300 N/mm2. Flansch und Rohransatz können aus einem Stück gefertigt oder miteinander verschweißt sein. Der Rohransatz weist eine Dichtschneide für Metalldichtungen auf (nach ISO 3669-2).
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Der Flansch 5 ist in dieser Ausführungsform als Blindflansch ausgeführt. Die Metalldichtung 3 besteht typischerweise aus sauerstofffreiem Kupfer mit einer Härte von ca. 65 HB oder weichgeglühtem Kupfer (ca. 45 HB). Dichtungen aus Aluminium werden nur selten eingesetzt.
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Weiterhin sind in 3 die Querschnittsflächen des Flansches mit Rohransatz 11, des Blindflansches 51 und der Dichtung 31 zu sehen.
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Die Flansche 1 und 5 sind mindestens im Bereich der Schneidkante mit einer Nickel-Basis-Beschichtung versehen. Die Beschichtung in diesem Ausführungsbeispiel weist einen Phosphor-Gehalt von größer 9% auf und ist somit nicht ferromagnetisch. In einer weiterführenden Ausgestaltung kann zur weiteren Reduzierung der magnetischen Einflüsse die Beschichtung nur im Bereich der Schneidkante aufgetragen werden. Die Beschichtung ist dann ringförmig mit einer Breite von ca. 4 mm. Die Nickel-Basis-Beschichtung weist eine Dicke von 50 bis 100 μm auf und wurde mit dem Happy-Plating-Rampart-Verfahren© aufgetragen. Die Härte beträgt 500 HV 0,1. Die Beschichtung ist spannungs- und porenfrei und dichtet auch bei hohen Temperaturen von bis zu 200°C zuverlässig.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1'
- Flansch mit Rohransatz
- 2
- Beschichtung
- 3
- Dichtung
- 4, 4'
- Schneidkante
- 5
- Blindflansch
- 11
- Querschnittsfläche des Flansches mit Rohransatz
- 12
- Schneidkante
- 13
- Bohrung
- 31
- Querschittsfläche der Dichtung
- 41, 41'
- Seitenfläche der Beschichtung
- 51
- Querschnittsfläche des Blindflansches
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5836623 [0006]
- DE 29918170 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ISO/TS 3669-2:2007 [0002]
- ISO 3669-2 [0034]