DE1475716A1

DE1475716A1 - Vakuumdichtung

Info

Publication number: DE1475716A1
Application number: DE19651475716
Authority: DE
Inventors: Hall Charles L
Original assignee: HALL CHARLES L
Current assignee: HALL CHARLES L
Priority date: 1964-06-29
Filing date: 1965-06-23
Publication date: 1972-02-10
Also published as: GB1113477A; US3305250A

Description

ipL-ZJtiq. St?. J/larsch _JM sd^mtH^stt..den 22.6.1965

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Beschreibung zum Patentgesuch

des Herrn Charles L. Hall, 3425 Cowper Street, PaIo Alto, California / U.S.A.

betreffend:

"Vakuumdi ehtung"

■ Die Erfindung betrifft Dichtungskonstruktionen und insbesondere lösbare Hoch-Vakuum-Dichtungsverbindungen, die dazu geeignet sind, hohen Aufheiz-Temperaturen standzuhalten.

Die Vakuumtechnik gewinnt als Zweig der modernen Technik zunehmend an Bedeutung. Seit vielen Jahren sind bereits Hochvakuumsysteme bei der Herstellung von Elektronenröhren angewendet worden. In letzterer Zeit sind viele neue Anwendungsarten entwickelt worden, wie z.B. Vakuumschneiden, -schweißen, Herstellung seltener Metalle unter Vakuum und die Nachahmung von Bedingungen, mit denen im Weltraum gerechnet werden muß. Diese und andere Verwendungsgebiete für Vakuumsysteme erfordern von einer Vakuumdichtungsverbindung hinsichtlich der Verbindung zwischen den verschiedenen Teilen des Vakuumsystems normalerweise die gleichen wesentlichen Eigenschaften. Insbesondere ist eine Vakuumdichtungsverbindung erwünscht, die leicht zusammenzufügen und zu lösen ist und trotzdem so ausgebildet ist, daß sie auch unter einem hohen Vakuum hohen Temperaturen standhalten kann,

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Zahlreiche Konstruktionen .sind "bereits für Yakuuruuichtu:n_osvsrbindun^en geschaffen worden, und einige sind so veit entv/iekelt worden, daß sie auch käuflich zu erwerben sind und für die Herstellung vakuumdichter Verbindungen verwendet werden können.

Alle Dichtungskonstruktionen, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung von Interesse sind, umfassen zwei üblicherweise in Form von Flanschen mit einander gegenüberliegenden Dichtungsflächen ausgebildete Verbindungsteile und Mittel zum Zusammenhalten der Flansche, um eine ringförmige Dichtungsscheibe zwischen diesen zusammenzudrücken.

Bei weitem die meisten der weitverbreiteten älteren Konstruktionen haben an jedem Flansch eine Art Rand oder

orsprung, der in die angrenzende flache Oberfläche des Dichtungsringes eingreift. Eine andere vorgeschlagene Bauweise sieht nicht bänder bzw. Kanten oder Vorsprünge vor, die in den Dichtungsring eindringen, sondern hält den Dichtungsring mit schrägen Wandungen, die den Ring halten und ihn sowohl mit einer radialen als auch einer axialen Kraftkomponente zusammendrücken. Diese letztere Bauart weist außerdem eine axiale Wandung auf, die den inneren oder äußeren Rand des Ringes, der dem durch die geneigten Wandungsteile berührten Rand gegenüberliegt, festhält. Weiterhin sind zahlreiche Konstruktionen von Dichtungsringen vorgeschlagen worden, die statt des üblichen rechteckigen Querschnittes irgendeine besondere Querschnittsform haben, normalerweise in Verbindung mit einer besonders geformten Ringnut in jedem der gegenüberliegenden Flansche.

Die soeben erwähnte Art von Dichtungskonstruktionen mit Vorsprüngen oder Rändern, die in die flachen Stirnflächen des Dichtungsringes eingreifen, bringt eine Anzahl eigener Probleme mit sich. Eine solche Schwierigkeit ergibt sich aus der Tatsache, daß die Stirnflächen des Dichtungsringes

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normalerweise während des erforderlichen Herstellungsprozesaes von der Bildung des plattenförmigen Ausgangsmaterials an bis zu dem Zeitpunkt, an dem sie durch entsprechende Werkzeuge ihre Form als dichtungsring erhalten, zahlreiche Kerben und Schrammen erhalten können. Außerdem ist es bei der in den Dichtungsring eingreifenden Dichtungskonstruktion normalerweise verhältnismäßig schwierig, den Dichtungsring nach einer starken Aufheizung zu entfernen, da irgendeiner der vorspringenden Ränder in den Dichtungsring eingedrückt ist. Weiterhin erfordert die Konstruktion mit einer hervorspringenden Kante, daß die Linie, an der die Eindrückkraft angreift, radial ziemlich weit von den Zusammendrückmitteln, die normalerweise mehrere auf einem Lochkreis angeordnete Schraubbolzen sind, entfernt ist, Eine solche Verlagerung der Dichtungslinie von den Zusammendruckmivteln weg führt zu einer merklichen Biegung, und dadurch wird die eine vakuumdichte Verbindung erzeugende Zusammendrückkomponente verringert.

Die soeben erwähnte Bauart von Dichtungsverbindungen mit geneigten Druckflächen und einer axialen Stützwand leidet unter der Schwierigkeit, daß die Dimensionierung der axialen V/· nctun^ und der angrenzenden Seite des Dichtungsringes sehr sorgfältig ausgeführt werden muß, damit die Dichtung festgehalten wird. Auch ist es, nachdem die Dichtung einmal hergestellt worden ist»wegen der zylindrischen Berührungsfläche zwischen dem Dichtungsring und der axialen Halterungsfläche schwierig, den Dichtungsring zu entfernen.

Die vorstehend erwähnte ^ichtun^skonstruktion, die einen Dichtungsring von besonderer im Querschnitt nicht rechteckiger Form erfordert, wirft eine Vielzahl von Problemen auf, die auf der besonderen in Betracht kommenden Querschnittsform beruhen· Außerdem leiden alle Konstruktionen unter der Schwierigkeit, daß besondez's geformte Dichtungsringe hergestellt und vertrieben werden müssen.

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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vakuumdichtungskonstruktion zu schaffen, die von den den soeben erwähnten älteren Arten von Vakuumdichtungen anhaftenden Problemen frei ist. Insbesondere soll die Vakuumdichtungskonstruktion dazu geeignet sein, einen hohen einheitlichen Dichtungsdruck auf den Dichtungsring auszuüben, und gleichzeitig eine verhältnismäßig leichte Entfernung des Dichtungsringes gestatten, wenn die Verbindung gelöst wird.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Vakuumdichtungskonstruktion, die die vorstehend genannten Ziele mittels eines Dichtungsringes mit einer einfachen rechteckigen Querschnittsform erreicht. Damit ist das Ziel verbunden, eine Dichtungskonstruktion zu schaffen, bei der der Dichtungskontakt mit dem Dichtungsring nicht mit den leicht zu beschädigenden flachen Teilen des Ringes hergestellt wird·

Ein zusätzliches Ziel der Erfindung ist es, eine Vakuumdichtungskonstruktion zu schaffen mit einer größtmöglichen Einspannung für den Dichtungsring, um den Ring nach einem gewissen Zeitablauf oder der Anwendung beträchtlicher Hitze am Nachgeben oder Fließen zu hindern. Wenn das nicht geschieht, wird nämlich durch das Nachgeben oder fließen des Ringes der Dichtungsdruck aufgehoben und die Verbindung zum Undichtwerden gebracht. Außerdem soll durch die erfindungsgemäße Dichtungsverbindung die Bildung von sogenannten Gastaschen innerhalb der Dichtungsverbindung vermieden werden. Auch soll der den Dichtungskontakt erzeugende Ring mit seinen an den Planschteilen anliegenden Dichtungsstellen ganz dicht neben den Mitteln zum Zusammenhalten der Dichtungsflansche angeordnet sein.

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Schließlich ist es ein Ziel der Erfindung, eine Vakuumdichtungskonstruktion zu schaffen, bei der der Dichtungsring schnell in die besondere Lage gebracht werden kann, die er zwischen den Dichtungsflanschen einnehmen soll.

Mit wenigen Worten ausgedrückt, besteht eine bevorzugte Konstruktion zum Ausführen der Ziele der Erfindung aus Dichtung s teil en mi1/4inander gegenüberliegenden Oberflächen, in die je eine Ringnut eingeformt ist, wobei die Seitenwände einer jeden dieser Nuten Innenoberfläch'en besitzen, die zueinander geneigt sind, und ein Dichtungsring von rechteckiger Querschnittsform zwischen die Dichtteile einfügbar ist, wobei dieser Ring mit seinen vier Kanten in Berührung mit den ge~ neigten Oberflächen steht und wobei weiterhin in einer der Seitenwände jeder der Nuten ein Schlitz zum Entlüften der •dichtung und zum Entfernen des Dichtungsringes vorgesehen ist»

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. In der Zeichnung zeigt:

Pig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vakuumdichtungskonstruktion, wobei die einzelnen Teile in auseinandergezogenem Zustande dargestellt sind;

Pig, 2 eine Draufsicht auf die Oberseite des unteren der in Pig, 1 dargestellten Dichtungsteile;

Pig. 3 einen vergrößerten Querschnitt durch den Dichtungsring und örtlich begrenzte Teile der Dichtungskonstruktion, nachdem die Dichtungsteile gerade dicht genug zusammengebracht worden sind, um eine Anfangsberünrung mit dem Dichtungsring herzustellen, und

Pig. 4 einen Schnitt ähnlich dem in Pig. 3 dargestellten, wobei jedoch die Dichtungsanordnung in dem Zustand dargestellt ist, in dem sie sich befindet, nachdem die Diohtungsteile zur Bildung einer vakuumdichten Abdichtung zusammengedrückt worden sind«

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Wie aus der Zeichnung im einzelnen zu entnehmen ist, umfaßt die -^ichtungskonstruktion zwei Verbindungsteile oder -flansche 5 und 6. Die Flansche sind an ihren entsprechenden Teilen, die in einem vakuumdichten System zusammengefügt werden müssen, miteinander verbunden. In dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Flansche 5 und 6 an Rohrstücken 7 und 8 angebracht und an diesen durch Schweißnähte 9 und 10 dauerhaft abgedichtet befestigte

Die Flansche 5 und 6 haben einander gegenüberliegende flache ringförmige Stirnflächen 11 und 12, und außerdem sind Mittel vorgesehen, um diese Stirnflächen aufeinanderzuzudrücken. In dem in der Zeichnung dargestellten besonderen Ausführungsbeispiel sind diese Mittel Schraubbolzen 13 und Muttern 14, die durch auf einem Lochkreis an den Flanschen angeordnete Bolzenlöcher 15 hindurchgeführt werden.

Zur Bildung einer vakuumdichten Abdichtung - wenn die Flansche 5 und 6 durch Anziehen der Schraubbolzen gegeneinander gedrückt werden - ist .jede der Stirnflächen 11 und 12 mit einer Ringnut 18 versehen. Bei jeder der Nuten sind die Seitenwände 19 und 20 so geformt, daß die Innenflächen der Seitenwände aufeinander zu geneigt sind. In dem in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel haben die geneigten Wandungen die Form flacher schräger Oberflächen 21 und 22. Wie im folgenden im einzelnen näher erläutert, können jedoch die Oberflächen 21 und 22 gewisse Vorteile des Erfindungsgegenstandes mit anderen Formen, wie z.B. konkaven oder konvexen Oberflächen zustandebringen, solange wie sie aufeinander zu geneigte Abschnitte für die Berührung mit den Kanten eines im Querschnitt rechteckigen Dichtungsringes 25 besitzen. Zusätzlich zu den schrägen Abschnitten 21 und 22 hat jede Nut 18 einen flachen Bodenabschnitt 26 und einen Schulterteil 27, der parallel zu der Achse der Dichtxmgskonatruktion verläuft* Die Innenwandung 20 einer jeden Nut 18 w*iist ©Ine Ungleichmäßigkeit oder einen Schlitz 28 auf, die bzw» aer die Nut mit der eioh

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axial durch die Mitte der Dichtungskonstruktion erstreckenden Bohrung 29 verbindet♦

Die soeben beschriebene Dichtungskonstruktion wird auf folgende Weise verwendet: Der Dichtungsring 25 wird auf eine der gegenüberliegenden Stirnflächen 11,12 gelegt und durch Berührung mit der Schulter 27 ausgerichtet. Dabei ist die Schulter 27 nur dazu vorgesehen, den Dichtungsring während des anfänglichen Ausrichtens in die gewünschte Lage zu bringen, jedoch nicht dazu, den Dichtungsring festzuhalten) um ein Nachgeben oder Fließen der Dichtung zu.verhindern. Somit kann sich, wie in Fig. 4 gezeigt, die Dichtung in einem geringen Abstand von der Schulter 27 befinden, sogar nachdem die Zusammendrückung der Dichtung erfolgt ist. Mit anderen Worten ist die Schulter 27 nicht dazu erforderlich, eine vakuumdichte Abdichtung zu erhalten. Statt dessen ist Zweck der Schulter die Schaffung eines wirksamen Ausrichtwiderlagers, um beim Einbau den Dichtungsring anfänglich schnell und leicht ausrichten zu können. Sobald einmal die anfängliche Ausrichtung des Dichtungsteiles in den Nuten erreicht ist, wird die genaue Ausrichtung der Dichtung durch die Symmetrie der Nuten sichergestellt· Die Wirkung der Schulter 27 wird dadurch erhöht, daß die Oberflächen 11 und 12 an der Seite der Schulter 27 sich höher von dem Grund ihrer daneben liegenden Nut 18 erheben, als es auf der anderen Seite der Nut der Fall ist, so daß die Schulter schließlich einen Vorsprung bildet, um den der Dichtungsring leicht herumgelegt werden kann.

Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, besteht der Dichtungskontakt zwischen der Dichtung 25 und den Flanschen 5 und 6 allein an den Kanten des Dichtungsringes. Auf diese Weise wird der Bereich, auf den die durch die "Jolzen 13 erzeugte Zusammendrückkraft auf die Dichtung einwirkt, auf einem Kinimum gehalten, so daß der Dichtungsdruck der Dichtun^seinheit

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bei einem Maximum liegt. Es sei besonders festgestellt, daß die Dichtungsberührung nicht an den flachen Stirnflächen des Dichtungsringes 25 erfolgt. Im Zusanmenhang mit der Erfindung ist auch erkannt worden, daß die Oberflächen der Platte, aus der die Dichtungen schließlich gestanzt werden, von dem Zeitpunkt an, freigelegt sind, wo die Platte die Walzeinrichtung verläßt und normalerweise im Laufe der Zeit, bis die Platte die Dichtungsherstellungsstufe erreicht hat, übermäßig zerkratzt werden. Unmittelbar bevor die dichtungen ausgestanzt werden, werden deshalb die Oberflächen normalerweise mit einem an ihnen haftenden Papier überzogen. Die Dichtungen werden dann ausgestanzt und verpackt. Hierdurch sind sie vor Beschädigung ausreichend geschützt, und die Kanten bleiben in einem guten Zustand, um später vollkommen fehlerfreie Dichtungsflächen zu bilden.

Es sei darauf hingewiesen, daß der Dichtungsring durch die vier durch die Wandungen der zwei Nuten gebildeten geneigten Oberflächen vollständig eingespannt ist, um so einem Verschieben infolge der auf die Dichtung einwirkenden Kräfte standzuhalten. Gleichzeitig kann die Dichtung nach dem Zusammendrücken leicht entfernt werden, da keine axial verlaufende Halterungsfläche vorhanden ist, gegen die die Dichtung während des Zusammendrückens gepreßt worden ist. Außerdem ergibt die Tatsache, daß die Dichtung mit ihren Kanten dichtet, und zwischen ihren Stirnflächen und dem Grund der Nuten 18 keine Berührung eintritt, einen äußerst geringen Berührungsbereich zwischen der Dichtung und den Planschen, wodurch schließlich die Haftwirkung verringert wird.

Ein anderes wichtiges Merkmal der Erfindung ist in dem Schlitz oder der Ungleichmäßigkeit 28 in der Wandung 20 einer jeden der Nuten zu sehen, -^in Zweck und ein Vorteil des Schlitzes 28 ist es, das Gas aus dem Raum zwisdien dem Boden einer jeden Nut 18. und der zugehörigen Stirnseite der Dichtung 25 abzuführen«

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Grund zum Entlüften bzw. Entgasen der sogenannten Gastaschen ist, daß eine Abdichtwirkung sowohl entlang den inneren als auch den äußeren Kanten des Dichtungsringes 25 vorhanden ist. Da jedoch der Innenrand soviel weiter von den Zusammenhaltebolzen entfernt ist, ist an dieser Stelle normalerweise eine unvollständige und unzuverlässige Abdichtung vorhanden. Nichtsdestoweniger bilden jedoch die inneren Kanten der Dichtung eine ausreichende Abdichtung, um eine schnelle Evakuierung der in den Nuten gebildeten, Gastaschen zu verhindern» Wenn keine Schlitze bzw, Kerben 28 vorhanden wären, würde das Gas aus den Taschen langsam in das Vakuumsystem diffundieren und in diesem Schwierigkeiten hinsichtlich der verlangten Hochvakuumbedingungen bereiten. Die Schlitze bzw. Kerben ermöglichen es, die Taschen während der anfänglichen Evakuierung des Systems schnell auszupumpen. Außerdem würde auch die Biehtungsverbindung während einer Prüfung auf Undichtigkeit Ablesungsfehler ergeben, wenn die Schlitze bzw. Kerben 28 nicht vorhanden wären. Daher müßte, wenn an der ersten Abdichtungsstelle an dem Außenrand der Dichtung eine Undichtigkeit vorhanden wäre, das die Undichtigkeit anzeigende Gas zuerst von der Außenseite der Dichtung seinen Weg durch die undichte Stelle finden und dann durch enge Durchtritte entlang der Berührungslinie zwischen den Innenkanten des Dichtungsringes und den geneigten Innenflächen hindurchströmen. Die sich daraus ergebende Zeitverzögerung wäre jedoch so groß, daß die Undichtigkeit nicht entdeckt würde.

Soweit es den Entlüftungszweck betrifft, könnte die Durchtrittsöffnung anders,als für den Schlitz angedeutet, angeordnet und geformt sein, solange wie sie die Tasche am Grunde der Nut 18 mit der Innenbohrung 29 verbindet. In seiner bevorzugten, in der Zeichnung dargestellten Anordnung dient der Schlitz 28 zusätzlich dazu, daß ein Schraubenzieher pder ein anderes Instrument unter die Dichtung geschoben werden kann, um eine verbrauchte Dichtung aus der Nut herauezuheben.

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Es ist außerdem wichtig festzustellen, daß die einfache Verwendung der geneigten Wandungen 21 und der Außenkanten der dichtung als Dichtflächen es ermöglicht, den die Dichtungsberührung herstellenden Ring dicht neben dem Lochkreis für die Bolzen oder andere geeignete Mittel zum Zusammendrücken der Plansche anzuordnen»

Obgleich die spezifischen Einzelheiten der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben worden sind, ist es selbstverständlich, daß Abänderungen gemacht werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen»

Patentansprüche :

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Claims

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Patentansprüche

1) Dichtungaverbindung mit zwei Verbindungsteilen mit einander gegenüberliegenden Stirnflächen und mit Mitteln zum Aufeinanderzudrücken dieser Stirnflächen, von denen jede eine Ringnut aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwandflächen (21,22) einer jeden dieser Nuten (18) aufeinander zu geneigt sind, und zwar derart, daß sie am Grund (26) der Nut (18) am dichtesten beieinander liegen, und daß ein Dichtungsring (25) mit einem rechteckigen Querschnitt so in die läiten (18) eingefügt i3t, daß die Kanten des Dichtungsringes (25) in Berührung mit den geneigten Wandflächen (21,22) stehen.

2) Dichtungsverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsteile ringförmig sind und so ausgerichtet sind, daß sie im Innern eine durchgehende Bohrung (29) freilassen·

3) Dichtungsverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (25) mindestens so breit wie dick ist.

4) Dichtungsverbindung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (11,12) mindestens eines der Verbindungsteile (5,6) sich an einer Seite der Nut (18) höher über deren Grund (26) erhebt als an der anderen Seite.

5) Dichtungsverbindung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Rand der Seitenwand an der genannten einen Seite der Nut (18) einen zylindrischen Teil (27) aufweist·

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t] Dichtun_o-sverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß eine Seitenwandoberflache mindestens einer der Nuten (18) neben der offenen Seite der Nut einen zylindrischen Teil (27) hat_e

7) Diehtungsverbindung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüten (18) hinreichend tief sind, so daß die Dichtung (25) auch dann nicht den " Grund der Nuten (18) berührt, wenn die genannten Teile zum Herstellen der Abdichtung zusammengedrückt werden₀

8) Dichtungsverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, da© jedes der Verbindungsteile (5,6) an seiner Nut (18) einen Entlüftungsdurchtritt (28) aufweist»

9} Dichtungsverbindung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Entlüftungsdurchtritt in jedem Verbindungsteil (5,6) durch eine Ungleichmäßigkeit (28) in einer der Seitenwandungen (21,22) der Nut (18) gebildet wird·

10) Dichtungsverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsteile (5,6) ringförmig sind und miteinander ausgerichtet sind, um durch die Dichtungskonstruktion hindurch eine Innenbohrung (29) freizulassen, und daß jedes der genannten Verbindungsteile eine Durchtrittsöffnung (28) aufweist, die den Grund der Nut (18) mit der Innenbohrung (29) verbindet»

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