Vorrichtung zum Dichten von Zuführungen in Vakuumbehälter
Soll ein Vakuumbehälter vakuumdicht verschlossen, oder eine Rohrleitung oder sonstige Zuführung - beispielsweise für Speisungen oder Signalverbindungen vakuumdicht mit einem solchen Behälter verbunden werden, so werden in der Technik allgemein ringförmige Dichtungen aus elastisch oder plastisch deformierbaren Baustoffen verwendet, wie z. B. Kautschuk, Neopren, Kunststoffe, Aluminium, Kupfer, Gold. Solche Ringe mit verschiedenen bekannten Querschnitten werden allgemein zwischen zwei hiefür besonders ausgebildeten Dichtflächen eingelegt und so axial oder radial geklemmt, dass ein den jeweiligen Ansprüchen genügender dichter Verschluss des Vakuumsystems gegen über der Aussenluft entsteht.
Die Kraft auf die vakuumdicht zu verbindenden Bauteile wird allgemein auf der Luftseite der Bauteile durch Schrauben oder Überwurfmuttern erzeugt.
Bei ausheizbaren Hochvakuumsystemen, insbesondere solchen, die zur Erreichung von Drucken von 10-8 Torr und darunter ausgelegt sind, gelangen, des thermoplastischen und Dampfdruck-Verhaltens wegen von Dichtungen aus organischen Baustoffen, meist nur plastisch deformierbare Metalldichtungen zur Anwendung.
Um die zumeist grossen Kräfte, die zur Deformation der Metalldichtungen notwendig sind, aufzubringen, wird der Kraftschluss über Flanschverbindungen erzeugt, wie z. B. aus den US Patenten 3 208 758 und 3 263 025 bekannt ist. Soll ein Bauteil, der sich im Vakuumbehälter befindet, von aussen gespeist werden, so verlangt die Einführung des Bauteils in den Behälter oft eine viel grössere Öffnung in der Behälterwand, als dies für die Verbindung nötig wäre und damit auch grössere Dichtungen und Flansche. Bei komplexen Systemen führt dies oft zu Platzmangel an den für Zuführungen vorgesehenen Teilen des Systems. Die Verwendung von Überwurfmutteru - wie z. B. im US Patent 3 214 200 - verlangt, dass die Anpresskräfte durch Umlenkung um 900 erzielt werden, was zu hohen Reibungsverlusten und Spannungen und damit Rissgefahr bei der Montage führt.
Um die grossen Axialkräfte aufzubringen, müssen solche Überwuifmuttem sehr kräftig dimensioniert sein. Bei grossen Öffnungen kommen Dichtverbindungen mit Überwurfmuttem der grossen Kräfte und hohen Drehmomente wegen nicht in Frage.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Zuführungen zu Bauteilen, die sich in einem Vakuum-Behälter befinden, nur kleinstmögliche Öffnungen in der Behälterwandung anzubringen, dergestalt, dass auch die Abmessungen der Dichtungsvorrichtungen so klein werden, dass durch eine einzige Schraubverbindung der notwendige Anpressdruck erzielt wird.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass sich die Dichtung vakuumseits zwischen einem Dichtsitz in der Behälterwandung und einer Zone mit anwachsendem Durchmesser der Zuführung befindet, wobei die Anpresskraft auf die Dichtung von der Luftseite des Behälters als Zug aufgebracht wird und der Kraftfluss sich von der Zuführung, die durch eine Bohrung gesteckt ist, über die Dichtung und die Behälterwandung schliesst. Zwischen der Bohrung in der Behälterwand und dem durchgesteckten Rohr sitzt beispielsweise die rohrförmig ausgebildete Dichtung, die, durch geeignete Formgebung des vakuumseitigen Endes des durchgesteckten Rohres z. B. kugelig oder bombiert nach aussen gewölbt, gegen eine Dichtungskante an der Behälterinnenwand gepresst wird, wenn von aussen auf das durchgesteckte Rohr ein Zug ausgeübt wird.
Da das Rohr von der Vakuumseite her eingeführt wird, kann die Bohrung in der Behälterwand kleiner ausgeführt werden, als der mit dem Rohr verbundene Bauteil. Da Vakuumanlagen im allgemeinen einen grossen Hauptflansch besitzen, ist damit z. B. der Zugang zum Einbringen des Bauteils gegeben.
Das durch die Behälterwandung verlaufende Rohr besteht vorzugsweise aus einem vakuumverträglichen, zugfesten Metall, beispielsweise Stahl 18/8. Für die zwischen Bohrung und durchgestecktem Zuleitungsrohr liegende rohrförmige Dichtung werden vorzugsweise plastisch deformierbare, vakuumtaugliche Metalle, wie Aluminium, Kupfer und Gold, verwendet.
In der beiliegenden Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 ein Detail des Ausführungsbeispiels.
Gemäss Fig. 1 ist ein Rohr 1 von der Vakuumseite 2 her in eine Bohrung 3 in der Wandung 4 des Vakuumbehälters eingeführt. Zwischen Rohr 1 und Bohrung 3 befindet sich die rohrförmig ausgebildete Dichtung 5. Vakuumseitig ist der Durchmesser des Rohres 1 vergrössert. Die äussere Übergangszone 6 zwischen kleinerem und grösserem Durchmesser ist hier sphärisch ausgebildet, dergestalt, dass der Krümmungsradius der Kugel etwa dem grösseren Rohrhalbmesser entspricht. Die vakuumseitige Kante 7 der Bohrung 3 wird scharf ausgebildet. Der im Behälter befindliche Bauteil (nicht gezeichnet) ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit dem vakuumseitigen Ende des Rohres 1 verbunden, beispielsweise durch eine Löt- oder Schweissverbindung.
Luftseitig weist das Rohr 1 im Ausführungsbeispiel ein Aussengewinde 8 auf, über welches eine Mutter 9 gedreht wird, ¯die beim Festziehen auf einer Unterlagsscheibe 10 aufzuliegen kommt. Dadurch wird auf das Rohr 1 ein Zug ausgeübt, der die Dichtung 5 zwischen sphärischer Zone 6 und Kante 7 klemmt und plastisch deformiert, wodurch eine temperaturbeständige hochvakuumdichte Verbindung des Rohres 1 mit der Behälterwand 4 erzielt wird. Da das Rohr 1 vorzugsweise aus dem gleichen Baustoffe wie die Behälterwand besteht, ist Lockerung der Verbindung durch thermische Ursachen im Betriebsbereiche von etwa 700 K bis etwa 9000 K nicht zu erwarten.
Im Ausschnitt gemäss Fig. 2 ist die Quetschung der Dichtung 5 zwischen sphärischem Rohrteil 6 und der Bohrungskante 7 deutlich sichtbar. Zur Erleichterung der Herstellung der sphärischen Geometrie wurde hier eine Kerbe 11 in das Rohr 1 eingedreht. Der Krümmungsradius des kugeligen Rohrteiles 6 wird vorzugsweise so gewählt, dass die Tangente an den sphärischen Teil 6 des Rohres im Berührungspunkte mit der Kante 7 einen Winkel a von etwa 450 aufweist.
Durch Verwendung dieser Dichtvorrichtung in den Anwendungsfällen, wo klein dimensionierte Zuleitungen dicht in Vakuumbehälter eingeführt werden müssen, insbesondere dann, wenn sie grösser dimeusionier- te Bauteile speisen oder sonstwie mit luftseitig 4#egen- den Vorrichtungen und Apparaten verbinden, ist dem Konstrukteur ein wirkungsvolles Mittel in die Hand gegeben, Hochvakuumanlagen einfacher und kleiner zu bauen. Durch die Kleinheit der Bohrung wird Platz frei, damit mehrere Zuleitungen unabhängig voneinander gedichtet werden können. Es erübrigen sich aufwendige Schweissarbeiten an Stutzen und ähnlichen Vorrichtungen. Da keine Sackgewinde in der Gefässwandung notwendig sind, können Wandstärken allenfalls reduziert werden. Die Montage ist einfach, sicher und schnell.
Device for sealing feeds in vacuum containers
If a vacuum container is to be closed vacuum-tight, or a pipeline or other supply - for example, for feeds or signal connections to be connected vacuum-tight with such a container, ring-shaped seals made of elastically or plastically deformable building materials are generally used in technology, such. B. rubber, neoprene, plastics, aluminum, copper, gold. Such rings with different known cross-sections are generally inserted between two sealing surfaces specially designed for this purpose and clamped axially or radially in such a way that a tight seal of the vacuum system against the outside air that meets the respective requirements is created.
The force on the components to be connected in a vacuum-tight manner is generally generated on the air side of the components by screws or union nuts.
In the case of heatable high vacuum systems, especially those that are designed to achieve pressures of 10-8 Torr and below, the thermoplastic and vapor pressure behavior due to seals made of organic building materials, mostly only plastically deformable metal seals are used.
In order to apply the mostly large forces that are necessary to deform the metal seals, the frictional connection is generated via flange connections, such as. From U.S. Patents 3,208,758 and 3,263,025. If a component that is located in the vacuum container is to be fed from the outside, the introduction of the component into the container often requires a much larger opening in the container wall than would be necessary for the connection and thus also larger seals and flanges. In the case of complex systems, this often leads to a lack of space in the parts of the system intended for feeders. The use of union nuts - such as B. in US Patent 3,214,200 - requires that the contact forces are achieved by deflection by 900, which leads to high friction losses and stresses and thus the risk of cracks during assembly.
In order to apply the large axial forces, such coupling nuts must be dimensioned very strong. In the case of large openings, sealing connections with union nuts are out of the question because of the large forces and high torques.
The invention is based on the object of making only the smallest possible openings in the container wall for feeds to components that are located in a vacuum container, in such a way that the dimensions of the sealing devices are so small that the necessary contact pressure is achieved with a single screw connection becomes.
According to the invention, this is achieved in that the seal is located on the vacuum side between a sealing seat in the container wall and a zone with increasing diameter of the feed, the contact pressure being applied to the seal from the air side of the container as a pull and the force flow from the feed, which is inserted through a hole, closes over the seal and the container wall. Between the bore in the container wall and the inserted pipe sits, for example, the tubular seal, which, by suitable shaping of the vacuum-side end of the inserted pipe z. B. spherically or cambered outwardly, is pressed against a sealing edge on the inner wall of the container when a train is exerted from the outside on the inserted pipe.
Since the pipe is introduced from the vacuum side, the bore in the container wall can be made smaller than the component connected to the pipe. Since vacuum systems generally have a large main flange, z. B. given access to the introduction of the component.
The tube running through the container wall is preferably made of a vacuum-compatible, tensile metal, for example 18/8 steel. For the tubular seal located between the bore and the inserted feed pipe, plastically deformable, vacuum-compatible metals such as aluminum, copper and gold are preferably used.
An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail in the accompanying drawing. Show it
1 shows a schematic section through an exemplary embodiment,
Fig. 2 shows a detail of the embodiment.
According to FIG. 1, a tube 1 is inserted from the vacuum side 2 into a bore 3 in the wall 4 of the vacuum container. The tubular seal 5 is located between the tube 1 and the bore 3. On the vacuum side, the diameter of the tube 1 is increased. The outer transition zone 6 between the smaller and larger diameter is spherical here, in such a way that the radius of curvature of the sphere corresponds approximately to the larger tube radius. The edge 7 of the hole 3 on the vacuum side is made sharp. The component located in the container (not shown) is connected in the present exemplary embodiment to the vacuum-side end of the tube 1, for example by a soldered or welded connection.
On the air side, the pipe 1 in the exemplary embodiment has an external thread 8 via which a nut 9 is rotated, which comes to rest on a washer 10 when it is tightened. As a result, a tension is exerted on the pipe 1, which clamps the seal 5 between the spherical zone 6 and the edge 7 and deforms it plastically, as a result of which a temperature-resistant, high-vacuum-tight connection of the pipe 1 to the container wall 4 is achieved. Since the pipe 1 is preferably made of the same building material as the container wall, loosening of the connection due to thermal causes in the operating range of approximately 700 K to approximately 9000 K is not to be expected.
In the detail according to FIG. 2, the pinching of the seal 5 between the spherical tube part 6 and the bore edge 7 is clearly visible. In order to facilitate the production of the spherical geometry, a notch 11 was screwed into the tube 1 here. The radius of curvature of the spherical pipe part 6 is preferably selected so that the tangent to the spherical part 6 of the pipe at the point of contact with the edge 7 has an angle α of approximately 450.
By using this sealing device in applications where small-dimensioned supply lines have to be inserted tightly into vacuum containers, especially when they feed larger components or otherwise connect with devices and apparatus on the air side, the designer is an effective means given in hand to build high vacuum systems easier and smaller. The small size of the hole frees up space so that several supply lines can be sealed independently of one another. There is no need for costly welding work on nozzles and similar devices. Since no blind threads are required in the vessel wall, wall thicknesses can at best be reduced. Installation is easy, safe and quick.