DE3000397A1 - Hochvakuumventil mit metallischer abdichtung - Google Patents
Hochvakuumventil mit metallischer abdichtungInfo
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Description
Hochvakuumventil mit metallischer Abdichtung
Die Erfindung'hat eine metallische Dichtvorrichtung für ein Vakuumventil
zum Gegenstand, bei der zwei konzentrische konische Federelemente zusammenwirken.
Hochvakuumventile mit metallischer Abdichtung mit tellerartigen Absperrorganen
sind bekannt, wobei früher vorzugsweise eine relativ harte Schneide mit einem weicheren Dichtpartner kombiniert wurde.
Ein Beispiel ist im US-Patent 310 8780 dargestellt. Hierbei muss, um die Dichtung bei wiederholtem Schliessen sicherzustellen, die Dichtkraft
bei jeder Schliessung etwas erhöht werden, d.h. die Tellerfeder, an deren Peripherie sich die Dichtkante befindet, muss immer mehr gespreizt
werden. Dies geht bis zu einer gewissen Grenze, bei der dann der weichere Dichtpartner ausgewechselt oder, wie im obigen US-Patent
beschrieben, die Dichtkante verschoben werden muss, bis wieder eine jungfräuliche Dichtfläche zur Verfugung steht.
Diesen Nachteil suchen die z.B. in den deutschen Offenlegungsschriften
26 23 906 und 25 23 152 beschriebenen Hochvakuumventile mit tellerartigem
Absperrorgan dadurch zu umgehen, dass nur relativ harte Dichtpartner eingesetzt werden und ein konischer Dichtsitz zugleich als
Anschlag verwendet wird. Es wird dabei angenommen, dass sich die Tellerfeder, die an einem axial beweglichen Stempel befestigt ist,
an ihrem Rand im konischen Dichtpartner, der zweckmässig einen Teil
des Ventil gehäuses bildet, selbsttätig zentriert und bei allseitiger
Berührung bei Weiterbewegung des Ventilstempels durch die Spreizung
eine im wesentlichen elastische Verformung der beiden Dichtpartner, also keine bleibende Formänderung der Dichtflächen eintritt.
Nur bei sehr genauer Konzentrizität von Tellerfeder und Konus ist jedoch
zu erwarten, dass ausser einem Abwälzvorgang an der Dichtfläche keine weitere Relativbewegung, insbesondere parallel zu dichtenden
Oberfläche auftritt, die eine Veränderung derselben bewirken würde.
In Wirklichkeit ist schon beim ersten Schliessvorgang bei den vorgeschlagenen
Materialpaarungen mit bleibenden Verformungen und einer
Relativbewegung parallel zur Oberfläche an den Dichtstellen zu rechnen. Es sind vor allem die von der maschinellen Bearbeitung der
Dichtflächen herrührenden Mikrorillen und andere Unebenheiten, die während der axialen Verschiebung in einem Anpassungsvorgang ausgeglichen
werden.
Diese Bewegung parallel zur Oberfläche der Dichtungsflächen wiiderst
dann zum Stillstand kommen, wenn die Reibungskraft grosser als die
Schubkraft wird. Erst dann beginnt die Spreizung der Tellerfeder, die zu einer weiteren plastischen Deformation führt bis die Anpassung der
Oberflächen so weit fortgeschritten ist, dass die Berührungsfläche gross genug ist, um eine weitere Steigerung der Anpresskraft elastisch
aufnehmen zu können.
Der wahrscheinliche Ablauf des Abdichtungsvorgangs am Rande der Tellerfeder
bei einem bekannten Ventil mit Konussitz, wie es Fig. 1 zeigt, ist in Fig. 2 dargestellt. Letztere zeigt stark vergrössert einen
Ausschnitt aus der Dichtzone, in der sich in Fig. 1 Tellerfeder 1 und Konus 2 berühren. Es wurde hier angenommen, dass Tellerfeder und Konus
aus Edelstahl z.B. nicht rostendem Stahl bestehen.
Die gestrichelten Konturen 3 und 4 in Fig. 2 zeigen die Geometrie des
Ventilsitzes bei einem Ventil, das bereits einmal geschlossen wurde, kurz vor Beginn der Spreizung. Die ausgezogenen Konturen 5 und 6 entsprechen
dem Zustand bei voller Belastung. 7 ist der Vektor der Schliesskraft und 8 der Vektor der Anpresskraft am Umfang der Dichtscheibe.
Die axiale Verschiebung bei diesem Vorgang entspricht der Distanz von Punkt 9 zu Punkt 10. Sie führt zwangsläufig zu einer Beschädigung
der Dichtflächen, die ihre Dichtungsfunktion beeinträchtigt.
Wählt man härtere Dichtpartner von der Qualität eines gehärteten
Kugellagerstahls und versucht nun, den Anpressvorgang durch eine
ideale Oberflächengeometrie und Hochglanzpolitur zu vermeiden, so
kommt das Problem, dass Verunreinigungen an der Oberfläche nur noch zerquetscht, also nicht mehr im Dichtungsmaterial eingebettet werden
und somit die Abdichtung wieder in Frage gestellt ist.
Günstiger sind die Bedingungen wenn der Konus aus einem härteren Material z.B. aus Stell it und die Federscheibe aus einem relativ
weicheren besteht, da dann die plastische Verformung auf die Tellerfeder beschränkt bleibt. Die Herstellung eines solchen Ventils ist
jedoch sehr kostspielig und auch hier muss trotzdem mindestens an einigen Stellen des Umfangs mit einem Gleitvorgang gerechnet werden,
bis die Dichtfläche am ganzen Umfang anliegt, z.B. wenn sich Verunreinigungen auf der Oberfläche befinden, schliesslich auch deswegen,
weil eine ideale Rundheit von Konus und Tellerfeder nicht erreicht werden kann.
Die vorliegende Erfindung hat sich nun zur Aufgabe gestellt, ein Hochvakuumventil mit einem teilerfederartigen Sperrorgan so auszubilden,
dass die beiden dichtenden Flächen sich beim Schliessvorgang
in Richtung der Flächennormalen aufeinander zu bewegen.
Das erfindungsgemässe Hochvakuumventil mit einem Ventilgehäuse,
darin beweglich angeordnetem teilerfederartigen Ansperrorgan mit einer
Dichtfläche an der Peripherie desselben und mit zugeordnetem Ventilsitz
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz sich auf einem mit der Tellerfeder des Absperrorganes konzentrischen konisch-ringförmigen
Federelement befindet.
Durch diese Lösung wird erreicht, dass eine Relativbewegung zwischen
den beiden Dichtflächen nach deren gegenseitiger Berührung nur noch in Richtung der Anpresskraft erfolgt. Gegenseitige Verschiebungen der
sich berührenden Dichtflächen parallel zueinander und auch Abrollbewegungen
sind ausgeschlossen. Dadurch werden die teuren Dichtflächen beim Gebrauch geschont und ihre Lebensdauer wird wesentlich verlängert.
Infolge der Kopplung der Tellerfedern erfolgt die Durchbiegung exakt
synchron. Bei dieser Lösung besteht auch die Möglichkeit relativ weiche Dichtpartner zu verwenden, wodurch eine sichere Abdichtung
auch bei verschmutztem Ventilsitz möglich wird.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch das erfindungsgemässe Ventil, links der Symmetrielinie im offenen, rechts davon im geschlossenen
Zustand. Die Federscheibe 11 ist (damit die Federhärte im elastisch
beanspruchten Bereich erhalten bleibt) an dem verschiebbaren Stempel 12, über einen Bund 13 angeschweisst. Die Gegenfeder 14 ist im Ventilgehäuse
15 in ähnlicher Weise eingeschweisst. Sie besitzt annähernd die gleiche Steifigkeit wie die Tellerfeder 11.
Damit keine hohen Ansprüche an die Präzision der Führung gestellt werden müssen, kann ein Führungskonus 16 aus einem weichen Material
z.B. Aluminium oder einem temperaturbeständigen Kunststoff z.B. aus einer Fluorkohlenstoffverbindung vorgesehen werden.
Die Tellerfeder 11 hat einen Anschlag 17, der beim Schliessen des Ventils als Mitnehmer für die Feder 14 wirkt. Beim SchiiessVorgang
ändertsich der Winkel <=C 1 nacheC 2. Dies führt zu einer Annäherung
der Dichtfläche an der Peripherie der beiden Federscheiben.
Dieser Vorgang ist in Fig. 4 in vergrössertem Massstab dargestellt.
Hierbei zeigen die gestrichtelten Konturen 18 und 19 der Tellerfeder
11 und der Feder 14 ihre Lage in dem Augenblick,.in dem der Anschlag
17 die Feder 14 gerade berührt. Die Dichtflächen 20 und 21 haben noch einen gewissen Abstand voneinander. Erst bei weiterer Vorwärtsbewegung
des Stempels 12 (Fig. 3) nähern sich die Dichtflächen infolge der Durchbiegung der beiden Federn in die Lage, die den ausgezogenen
Konturen 22 und 23 entspricht. Die Tellerfeder 11 hat sich dabei vom Führungskonus 16 angehoben.
Durch diese synchronisierte Bewegung ist gesichert, dass sich,wie gesagt,die
dichtenden Flächen beim Schliessen des Ventils genau in Richtung der Flächennormalen aufeinander zu bewegen und eine gegenseitige
Verschiebung parallel zur Dichtfläche ausgeschlossen ist. Auf diese Weise wird fast der ideale Anpressvorgang verwirklicht.
Dabei können auch wieder Materialpaarungen "hart gegen weich" in Betracht
gezogen werden. Fig. 5 zeigt eine solche Möglichkeit. Wieder ist die Dichtpartie in etwa 10x vergrössertem Massstab gezeichnet.
Die Konusführung 24 ist als Aufnahme für eine 0,2 mm dicke Scheibe
25 aus einem weichen Material z.B. Kupfer oder Aluminium ausgebildet, die der Kontur der Tellerfederscheibe 26 angepasst ist. Sie kann jederzeit
nach Abschrauben der Konusführung leicht ausgewechselt werden, wenn ihre Deformation zu weit fortgeschritten ist.
Die erfindungsgemässe Ventil konstruktion hat den weiteren wichtigen
Vorteil, dass das Spiel zwischen den Dichtflächen vor dem Schliessen
doppelt so gross ist wie bei einem Ventil, bei dem sich die Tellerfeder gegen eine feste Wand z.B. gegen das Ventilgehäuse bewegt. Die Gefahr
einer vorzeitigen Berührung und Beschädigung der Dichtflächen vor dem eigentlichen Schliessvorgang wird dadurch verringert. Dies ist besonders
bei kleinem Ventildurchmesser wichtig, bei denen der Abstand der
dichtenden Flächen an der Peripherie entsprechend gering ist.
Um ein Kaltverschweissen (Diffusion) der Dichtpartner ineinander zu
vermeiden, ist es vorteilhaft, zumindest einen der Dichtpartner mit einem Hartstoff zu überziehen, der geringe Diffusionsneigung besitzt.
Es genügen dabei Schichtdicken von weniger als 1 yum z.B. aus Titannitrid,
das am besten mit einem Verfahren, bei dem der Federwerkstoff keiner thermischen Beanspruchung unterworfen werden muss, z.B. mittels
Ionplating aufgebracht und dabei gleichzeitig gut mit der Unterlage
verankert wird.
Eine zusätzliche Möglichkeit, die Diffusionsneigung zu unterbinden,
besteht darin, die Konusführung 16 in Fig 3 aus einem temperaturbeständigen Kunststoff mit niedrigem Dampfdruck z.B. aus einer Fluorkohlenstoff
verbindung herzustellen und, wie es in Fig. 6 dargestellt ist, die federnde Konusfläche so auszubilden, dass sie im Vergleich
zur Federscheibe 28 etwas Uebermass besitzt. Beim Schliessen des Ventils
tritt dann der Kunststoff mit der vorbei streifenden Dichtfläche der Federscheibe 28 in innigen Kontakt, so dass auf ihr ein dünner
Schmierfilm aufgebracht wird, der die Neigung der Dichtungslfäche zu verschweissen, herabsetzt.
Figur 6 zeigt die Ventildichtung in der Stellung unmittelbar vor dem
Beginn der Spreizung der Federelemente 27 und 28. Man sieht, dass die
3G00397
Lippe 29 des Führungskonus 30 einen Aussendurchmesser bestitzt.der
grosser ist als der Innendurchmesser des Federelementes 28. Dessen Dichtungsfläche 31 wird beim Schliessen mit dem Kunststoff benetzt
und eine Verschwelssung mit der Gegenfläche 32 wird dadurch verhindert.
Neben reinen temperaturbeständigen Kunststoffen können auch solche verwendet
werden, die zusätzlich mit einem festen Schmiermittel wie z.B. Molybdändisulfid imprägniert sind.
PR 7902
- Leerseite -
Claims (9)
- PATENTANSPRÜCHEη j Hochvakuumventil mit einem Ventilgehäuse, darin beweglich angeordnetem tellerfederartigen Absperrorgan mit einer Dichtfläche an der Peripherie desselben und mit zugeordnetem Ventilsitz, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz sich auf einem mit der Tellerfeder des Absperrorganes konzentrischen konisch-ringförmigen Federelement'befindet.
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtfläche des Ventilsitzes durch die Innenkante des konisch-ringförmigen Federelementes gebildet wird.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass die Biegesteifigkeit und die Länge des Hebelarmes der beiden Federelemente gleich sind.
- 4. Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente aus hochwarmfesten, federharten Werkstoffen hoher Festigkeit bestehen.
- 5. Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichn e t, dass mindestens eine der Dichtflächen der Federelemente mit einem Hartstoff geringer Schweiss- bzw. Diffusionsneigung belegt ist.
- 6. Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass eine der Dichtflächen mit einem dünnen Blech aus einem weichen Metall belegt ist, das auswechselbar ist.
- 7. Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass die Tellerfeder des Absperrorgans mit einem Führungskonus aus einem weichen Werkstoff verbunden ist.
- 8. Vorrichtung nach Anspruch 7,dadurch gekennzeichnet, dass der Führungskonus aus einem temperaturbeständigen Kunststoff mit niederem Dampfdruck besteht.
- 9. Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand des Konus federnd ausgebildet ist und einen grösseren Durchmesser besitzt als der Innendurchmesser des den Ventilsitz bildenden äusseren FederelementesPR 7902
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| 8141 | Disposal/no request for examination |