DE202014102818U1 - Magnetron endblock and vacuum rotary feedthrough - Google Patents

Abstract

Vakuumdrehdurchführung, umfassend einen an einem rotierenden Teil (1) befestigten, mit dem rotierenden Teil (1) synchron umlaufenden Rotorring (7) und einen ebenfalls mit dem rotierenden Teil (1) synchron umlaufenden Gleitdichtring (3), der durch eine erste Nebendichtung (5) gegenüber dem Rotorring (7) abgedichtet ist, so dass der Rotorring (7), die erste Nebendichtung (5) und der Gleitdichtring (3) mit dem rotierenden Teil (1) umlaufen, und einen in einem stationären Teil (2) stationär angeordneten, d.h. stillstehenden Statorring (8) und einen Gegendichtring (4), der durch eine zweite Nebendichtung (6) gegenüber dem Statorring (8) abgedichtet ist, so dass der Statorring (8), die zweite Nebendichtung (6) und der Gegendichtring (4) stillstehen, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitdichtring (3) und der Gegendichtring (4) aus technischer Keramik gefertigt sind.Vacuum rotary feedthrough, comprising a rotor ring (7) fastened to a rotating part (1) and rotating synchronously with the rotating part (1) and a sliding seal ring (3) also rotating synchronously with the rotating part (1), which is sealed by a first secondary seal (5 ) is sealed with respect to the rotor ring (7), so that the rotor ring (7), the first secondary seal (5) and the sliding seal ring (3) with the rotating part (1) revolve, and one arranged stationary in a stationary part (2) , ie stationary stator ring (8) and a counter sealing ring (4), which is sealed by a second secondary seal (6) from the stator ring (8), so that the stator ring (8), the second secondary seal (6) and the counter sealing ring (4) stand still , characterized in that the sliding sealing ring (3) and the counter sealing ring (4) are made of technical ceramics.

Description

Die Erfindung betrifft eine einstufige Vakuumdrehdurchführung, d.h. eine Rotationsdichtung, die besonders zur Trennung eines Vakuums vom Atmosphärendruck und damit zum Einsatz in kombinierten Dreh- und Stromdurchführungen geeignet ist, sowie einen Magnetron-Endblock, beispielsweise einen Medienendblock für eine Vakuumbeschichtungsanlage, mit einer derartigen Vakuumdrehdurchführung. The invention relates to a single-stage vacuum rotary feedthrough, i. a rotary seal, which is particularly suitable for the separation of a vacuum from the atmospheric pressure and thus for use in combined rotary and current feedthroughs, and a magnetron end block, for example a media end block for a vacuum coating system, with such a vacuum rotary feedthrough.

Laufwerkdichtungen im Allgemeinen trennen zwei Medien (z.B. Kühlwasser oder Öl gegen Schlamm von außen, üblicherweise bis zu einer Druckdifferenz von etwa 6 bar) in rauen Umgebungen. Standardanwendungen sind z.B. das Abdichten von Pumpen, Getrieben und Fahrwerkskomponenten von Land- und Baumaschinen. Laufwerkdichtungen sind generell sehr robuste einstufige Dichtungen ohne Zwischenabsaugung, Drainage oder ähnliche Verfahren. Zwei rotierend aufeinander gleitende Dichtringe werden dazu ihrerseits durch statische O-Ringe zum jeweiligen Gehäuseteil hin abgedichtet. Die Schmierstoffzufuhr geschieht durch Kapillarwirkung in einem Schmierspalt zwischen den Dichtflächen der beiden Dichtringe von der „sauberen“ Seite aus. Drive seals generally separate two media (e.g., cooling water or oil against mud from outside, usually up to a pressure differential of about 6 bar) in harsh environments. Standard applications are e.g. the sealing of pumps, gearboxes and chassis components of agricultural and construction machinery. Drive seals are generally very robust single-stage seals without intermediate suction, drainage or similar procedures. For this purpose, two sealing rings which rotate in rotation on one another are sealed by static O-rings to the respective housing part. The lubricant is supplied by capillary action in a lubrication gap between the sealing surfaces of the two sealing rings from the "clean" side.

Dieser Typ von Laufwerkdichtungen wird allgemein auch als Gleitringdichtung (englisch: Mechanical Face Seal) bezeichnet. Es handelt sich dabei um ein Maschinenelement zur Abdichtung der Durchtrittsstelle eines rotierenden Teiles (zumeist eine Welle) durch eine Wand (zumeist ein Maschinengehäuse). Kennzeichen der Gleitringdichtung sind zwei aufeinander gleitende – zumeist rechtwinklig zur Rotationsachse angeordnete – Flächen, die durch axiale Kräfte gegeneinander gedrückt werden. Zwischen den Gleitflächen befindet sich ein flüssiger oder gasförmiger Schmierfilm. This type of drive seal is also commonly referred to as a mechanical seal. It is a machine element for sealing the passage of a rotating part (usually a shaft) through a wall (usually a machine housing). Characteristics of the mechanical seal are two successive sliding surfaces - usually arranged at right angles to the axis of rotation - which are pressed against each other by axial forces. Between the sliding surfaces is a liquid or gaseous lubricating film.

Die immer auftretende thermische Belastung durch die Rotationsbewegung der beiden Dichtflächen aufeinander wird bei Standardanwendungen beherrscht. Bei Ölschmierung oder Einsatz als Wasserdichtung wird die Reibungswärme effektiv abgeführt. Beim Einsatz von Fett als Schmiermittel treten unter Umständen höhere Temperaturen auf, die einen beständigeren statischen Dichtring notwendig machen. Im Allgemeinen ist die auftretende Reibungswärme jedoch unproblematisch. The always occurring thermal load by the rotational movement of the two sealing surfaces on each other is mastered in standard applications. When oil lubrication or use as a water seal, the frictional heat is effectively dissipated. When using grease as a lubricant, higher temperatures may occur, necessitating a more durable static seal. In general, however, the frictional heat occurring is unproblematic.

Das Ziel der Erfindung ist nun die Erweiterung der Einsatzgrenzen einer Gleitringdichtung als Vakuumdichtung auch unter hohen thermischen Lasten. Diese können entweder von außen eingeleitet werden oder durch Induktion in den in Umfangsrichtung geschlossenen Metallringen (d.h. den thermisch vom Gehäuse isolierten Dichtringen) entstehen. The aim of the invention is now the extension of the application limits of a mechanical seal as a vacuum seal even under high thermal loads. These may either be introduced from the outside or created by induction in the circumferentially closed metal rings (i.e., the sealing rings thermally insulated from the housing).

Zur Lösung dieser Aufgabe wurde in DE 20 2014 100 496 U1 ein Magnetron-Endblock vorgeschlagen, umfassend ein Gehäuse und eine in einer Gehäusewand in einem Wälzlager gelagerte Tragwelle für ein rotierendes Targetrohr, wobei das Wälzlager durch eine Vakuumdrehdurchführung abgedichtet ist, die eine Gleitringdichtung umfasst mit einem mit der Welle synchron umlaufenden Gleitdichtring, einem Rotorring, der an der Welle befestigt und gegenüber dem Gleitdichtring durch eine erste Nebendichtung abgedichtet ist, einen an der Gehäusewand stationär angeordneten Statorring, der gegenüber dem Gegendichtring durch eine zweite Nebendichtung abgedichtet ist, und eine Befederung zur Erzeugung einer zwischen Gleitdichtring und Gegendichtring wirkenden Axialkraft, wobei einander berührende Dichtungsflächen von Gleitdichtring und Gegendichtring relativ zueinander rotieren und einen primären Dichtspalt bilden, wobei der Gleitdichtring mit dem Rotorring sowie der Gegendichtring mit dem Statorring wärmeleitend verbunden sind. To solve this problem has been in DE 20 2014 100 496 U1 a magnetron end block proposed, comprising a housing and mounted in a housing wall in a rolling bearing support shaft for a rotating target tube, the rolling bearing is sealed by a vacuum rotary feedthrough comprising a mechanical seal with a shaft synchronously revolving Gleitdichtring, a rotor ring, the attached to the shaft and sealed from the sliding seal by a first secondary seal, a stationary on the housing wall arranged stator ring which is sealed against the counter-seal by a second secondary seal, and a Federeder to produce a force acting between Gleitdichtring and counter-sealing axial force, wherein touching each other Rotate sealing surfaces of Gleitdichtring and counter-sealing ring relative to each other and form a primary sealing gap, wherein the Gleitdichtring with the rotor ring and the counter-sealing ring with the stator ring are thermally conductively connected.

Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine Drehdurchführung mit einem erweiterten Einsatzbereich auch unter noch höheren thermischen Lasten zur Verfügung zu stellen. Insbesondere soll eine einfach aufgebaute, kostengünstige und vakuumdichte Drehdurchführung für einen Medienendblock eines Sputtermagnetrons in Vakuumbeschichtungsanlagen angegeben werden, die zusätzlich als Stromdurchführung zur Stromversorgung der Sputterkathode dient. Based on this prior art, an object of the invention is to provide a rotary feedthrough with an extended range of application even under even higher thermal loads available. In particular, a simply constructed, cost-effective and vacuum-tight rotary feedthrough for a media end block of a sputtering magnetron is to be specified in vacuum coating systems, which additionally serves as a current feedthrough for the power supply of the sputtering cathode.

Hierzu wird bei einer Vakuumdrehdurchführung, die einen an einem rotierenden Teil (beispielsweise einer Welle) befestigten, mit der Welle synchron umlaufenden Rotorring und einen ebenfalls mit der Welle synchron umlaufenden Gleitdichtring umfassen, der durch eine erste Nebendichtung gegenüber dem Rotorring abgedichtet ist, so dass der Rotorring, die erste Nebendichtung und der Gleitdichtring mit der Welle umlaufen, und weiterhin einen in einem stationären Teil (beispielsweise einer Gehäusewand) stationär angeordneten, d.h. stillstehenden Statorring und einen Gegendichtring, der durch eine zweite Nebendichtung gegenüber dem Statorring abgedichtet ist, so dass der Statorring, die zweite Nebendichtung und der Gegendichtring stillstehen, vorgeschlagen, dass der Gleitdichtring und der Gegendichtring aus technischer Keramik gefertigt sind. For this purpose, in a vacuum rotary feedthrough comprising a on a rotating part (such as a shaft), synchronously rotating with the shaft rotating ring and also synchronously with the shaft encircling Gleitdichtring sealed by a first secondary seal against the rotor ring, so that the Rotor ring, the first side seal and the sliding seal with the shaft rotate, and further arranged in a stationary part (for example, a housing wall) stationary, ie stationary stator ring and a counter-seal, which is sealed by a second secondary seal against the stator so that the stator, the second side seal and the counter-seal rest, suggested that the sliding seal and the counter-seal are made of engineering ceramics.

Bei bisherigen Vakuumdrehdurchführungen der genannten Art ist nur bekannt, den Gleitdichtring und der Gegendichtring aus diversen metallischen Materialien herzustellen. Der Vorteil der Verwendung keramischer Dichtringe besteht einerseits in der elektrischen Isolationswirkung zwischen den rotierenden Teilen gegenüber den stillstehenden Teilen, und andererseits aufgrund der nichtmagnetischen Eigenschaften der technischen Keramik in der Vermeidung des Auftretens induzierter Wirbelströme, die maßgeblich zur Erwärmung der betroffenen Teile beitragen, so dass auf eine zusätzliche Kühlung der Dichtungskomponenten verzichtet werden kann. In previous vacuum rotary feedthroughs of the type mentioned is only known to produce the Gleitdichtring and the counter-sealing ring of various metallic materials. The advantage of using ceramic sealing rings is on the one hand in the electrical insulation effect between the rotating parts relative to the stationary parts, and on the other hand due to the non-magnetic properties of technical ceramics in the prevention the occurrence of induced eddy currents, which contribute significantly to the heating of the affected parts, so that can be dispensed with an additional cooling of the gasket components.

Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von siliciuminfiltriertem Siliciumcarbid (SiSiC) erwiesen. SiSiC besteht zu ca. 85 bis 94 % aus SiC und entsprechend aus 15 bis 6 % metallischem Silicium. SiSiC besitzt praktisch keine Restporosität. Dies wird erreicht, indem ein Formkörper aus Siliciumcarbid und Kohlenstoff mit metallischem Silicium infiltriert wird. Die Reaktion zwischen flüssigem Silicium und dem Kohlenstoff führt zu einer SiC-Bindungsmatrix, der restliche Porenraum wird mit metallischem Silicium aufgefüllt. Vorteil dieser Herstellungstechnik ist, dass im Gegensatz zu den Pulversintertechniken die Bauteile während des Silicierungsprozesses keine Schwindung erfahren. Daher können außerordentlich große Bauteile mit präzisen Abmessungen hergestellt werden. Der thermische Einsatzbereich von SiSiC reicht bis ca. 1400 °C. Bis zu diesem Temperaturbereich weist SiSiC hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit, verbunden mit guter Temperaturwechselbeständigkeit und Verschleißbeständigkeit auf. The use of silicon-infiltrated silicon carbide (SiSiC) has proved particularly advantageous. SiSiC consists of about 85 to 94% SiC and correspondingly 15 to 6% metallic silicon. SiSiC has virtually no residual porosity. This is accomplished by infiltrating a silicon carbide and carbon mold with metallic silicon. The reaction between liquid silicon and the carbon leads to a SiC bond matrix, the remaining pore space is filled up with metallic silicon. The advantage of this production technique is that, in contrast to the powder sintering techniques, the components do not shrink during the siliconizing process. Therefore, extremely large components with precise dimensions can be produced. The thermal application range of SiSiC extends to approx. 1400 ° C. Up to this temperature range, SiSiC has high strength and corrosion resistance, combined with good thermal shock resistance and wear resistance.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen The invention will be explained in more detail with reference to two embodiments and the accompanying drawings. Show

1 einen Magnetron-Endblock mit einer erfindungsgemäßen Vakuumdrehdurchführung und 1 a magnetron end block with a vacuum rotary feedthrough according to the invention and

2 eine alternative Gestaltung der Vakuumdrehdurchführung. 2 an alternative design of the vacuum rotary feedthrough.

1 zeigt eine Vakuumdrehdurchführung innerhalb eines Magnetron-Endblockes für die Trennung zwischen subatmosphärischem (Vakuum) und atmosphärischem Druck. 1 shows a vacuum rotary feedthrough within a magnetron endblock for the separation between subatmospheric (vacuum) and atmospheric pressure.

Diese Vakuumdrehdurchführung umfasst einen mit einer in einem Wälzlager 11 gelagerten Tragwelle 1 synchron umlaufenden Gleitdichtring 3, einen Rotorring 7, der an der Tragwelle 1 befestigt und gegenüber dem Gleitdichtring 3 durch eine erste Nebendichtung 5 abgedichtet ist, einen an der Gehäusewand 2 stationär angeordneten Statorring 8, der gegenüber dem Gegendichtring 4 durch eine zweite Nebendichtung 6 abgedichtet ist, wobei einander berührende Dichtungsflächen von Gleitdichtring 3 und Gegendichtring 4 relativ zueinander rotieren und einen primären Dichtspalt bilden, wobei der Gleitdichtring 3 und der Gegendichtring 4 aus technischer Keramik gefertigt sind. This vacuum rotary feedthrough includes one with a in a rolling bearing 11 mounted support shaft 1 synchronously rotating sliding seal 3 , a rotor ring 7 that is attached to the support shaft 1 attached and opposite the sliding seal 3 through a first secondary seal 5 is sealed, one on the housing wall 2 Stationarily arranged stator ring 8th which faces the counter-seal 4 through a second secondary seal 6 is sealed, wherein contacting sealing surfaces of Gleitdichtring 3 and counter sealing ring 4 rotate relative to each other and form a primary sealing gap, wherein the sliding seal 3 and the counter sealing ring 4 made of technical ceramics.

Zwischen dem Gleitdichtring 3 und dem Rotorring 7 sowie dem Gegendichtring 4 und dem Statorring 8 ist je ein ringförmiges Wärmeleitelement 9 angeordnet, das aus dauerelastischem Flachmaterial besteht und selbstklebend beschichtet ist. Mittels des Wärmeleitelements 9 lässt sich durch dessen Klebwirkung die Verbindung zwischen dem Gleitdichtring 3 und dem Rotorring 7 und/oder zwischen dem Gegendichtring 4 und dem Statorring 8 derart verbessern, dass ein Verstellen oder Verrutschen des Gleitdichtrings 3 gegenüber dem Rotorring 7 und/oder des Gegendichtrings 4 gegenüber dem Statorring 8 bei größeren Drehmomenten erschwert und bestenfalls vermieden wird. Between the sliding seal 3 and the rotor ring 7 as well as the counter sealing ring 4 and the stator ring 8th is ever an annular heat conducting element 9 arranged, which consists of permanently elastic flat material and is coated self-adhesive. By means of the heat-conducting element 9 can be connected by the adhesive effect, the connection between the Gleitdichtring 3 and the rotor ring 7 and / or between the mating ring 4 and the stator ring 8th improve such that an adjustment or slipping of the Gleitdichtrings 3 opposite the rotor ring 7 and / or the counter sealing ring 4 opposite the stator ring 8th At higher torques difficult and best avoided.

An dem Rotorring 7 ist ein Targetrohr 10 eines Sputtermagnetrons befestigt. Der Statorring 8 ist gegenüber der Gehäusewand 2 durch eine statische Dichtung 13 abgedichtet und durch einen Axialsicherungsring 12 fixiert. On the rotor ring 7 is a target tube 10 attached to a sputtering magnetron. The stator ring 8th is opposite the housing wall 2 through a static seal 13 sealed and by an axial securing ring 12 fixed.

Die Tragwelle 1 ist eine Hohlwelle, in der ein Magnetsystemträger 14 angeordnet ist, welcher ein nicht dargestelltes Magnetsystem trägt, das sich außerhalb des Endblocks durch das Targetrohr 10 erstreckt. The support shaft 1 is a hollow shaft in which a magnet system carrier 14 is arranged, which carries a magnetic system, not shown, which extends outside the end block through the target tube 10 extends.

In der alternativen Ausgestaltung der Vakuumdrehdurchführung gemäß 2 ist die Tragwelle 1 als Wellenstummel ausgebildet, der an den Rotorring 7 angeflanscht ist. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind der Gleitdichtring 3 und der Gegendichtring 4 aus technischer Keramik gefertigt, so dass induzierte Wirbelströme vermieden werden. Gleichzeitig sind der Gleitdichtring 3 und der Gegendichtring 4 durch die Verwendung technischer Keramik weit über die bekannten Metallausführungen hinaus temperaturbeständig. In the alternative embodiment of the vacuum rotary feedthrough according to 2 is the support shaft 1 designed as a stub shaft, which is connected to the rotor ring 7 is flanged. Also in this embodiment, the sliding seal 3 and the counter sealing ring 4 Made of technical ceramic, so that induced eddy currents are avoided. At the same time, the sliding seal 3 and the counter sealing ring 4 due to the use of technical ceramics far beyond the known metal designs temperature resistant.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1

Tragwelle, rotierendes Teil Support shaft, rotating part

2 2

Gehäusewand, stationäres Teil Housing wall, stationary part

3 3

Gleitdichtring sliding sealing ring

4 4

Gegendichtring Against sealing ring

5 5

erste Nebendichtung first secondary seal

6 6

zweite Nebendichtung second secondary seal

7 7

Rotorring rotor ring

8 8th

Statorring stator

9 9

Wärmeleitelement thermally conductive element

10 10

Targetrohr target tube

11 11

Wälzlager roller bearing

12 12

Axialsicherungsring axial securing

13 13

statische Dichtung static seal

14 14

Magnetsystemträger Magnet system carrier

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• DE 202014100496 U1 [0006] DE 202014100496 U1 [0006]

Claims (5)

Vakuumdrehdurchführung, umfassend einen an einem rotierenden Teil (1) befestigten, mit dem rotierenden Teil (1) synchron umlaufenden Rotorring (7) und einen ebenfalls mit dem rotierenden Teil (1) synchron umlaufenden Gleitdichtring (3), der durch eine erste Nebendichtung (5) gegenüber dem Rotorring (7) abgedichtet ist, so dass der Rotorring (7), die erste Nebendichtung (5) und der Gleitdichtring (3) mit dem rotierenden Teil (1) umlaufen, und einen in einem stationären Teil (2) stationär angeordneten, d.h. stillstehenden Statorring (8) und einen Gegendichtring (4), der durch eine zweite Nebendichtung (6) gegenüber dem Statorring (8) abgedichtet ist, so dass der Statorring (8), die zweite Nebendichtung (6) und der Gegendichtring (4) stillstehen, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitdichtring (3) und der Gegendichtring (4) aus technischer Keramik gefertigt sind. Vacuum rotary feedthrough, comprising one on a rotating part ( 1 ), with the rotating part ( 1 ) synchronously rotating rotor ring ( 7 ) and also with the rotating part ( 1 ) synchronously rotating sliding seal ( 3 ), which is protected by a first secondary seal ( 5 ) opposite the rotor ring ( 7 ) is sealed so that the rotor ring ( 7 ), the first secondary seal ( 5 ) and the sliding seal ( 3 ) with the rotating part ( 1 ), and one in a stationary part ( 2 ) stationary, ie stationary stator ring ( 8th ) and a counter-sealing ring ( 4 ), which by a second secondary seal ( 6 ) relative to the stator ring ( 8th ) is sealed so that the stator ring ( 8th ), the second secondary seal ( 6 ) and the counter-sealing ring ( 4 ), characterized in that the sliding seal ( 3 ) and the counter-sealing ring ( 4 ) are made of technical ceramics. Vakuumdrehdurchführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die technische Keramik siliciuminfiltriertes Siliciumcarbid ist. Vacuum rotary feedthrough according to claim 1, characterized in that the technical ceramic is silicon-infiltrated silicon carbide. Vakuumdrehdurchführung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gleitdichtring (3) und dem Rotorring (7) sowie dem Gegendichtring (4) und dem Statorring (8) je ein ringförmiges Wärmeleitelement (9) angeordnet ist. Vacuum rotary feedthrough according to claim 1 or 2, characterized in that between the sliding seal ( 3 ) and the rotor ring ( 7 ) as well as the counter-sealing ring ( 4 ) and the stator ring ( 8th ) each have an annular heat conducting element ( 9 ) is arranged. Vakuumdrehdurchführung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement (9) aus dauerelastischem Flachmaterial besteht und selbstklebend beschichtet ist. Vacuum rotary feedthrough according to claim 1 or 2, characterized in that the heat-conducting element ( 9 ) consists of permanently elastic flat material and is self-adhesive coated. Magnetron-Endblock für ein rotierendes Magnetron, umfassend ein Gehäuse mit Gehäusewänden (2) und einer durch eine Gehäusewand (2) geführten, drehbar gelagerten Tragwelle (1) für ein Targetrohr (10), wobei die Gehäusewand (2) und die Tragwelle (1) gegeneinander durch eine Vakuumdrehdurchführung nach Anspruch 1 oder 2 abgedichtet sind. Magnetron end block for a rotating magnetron, comprising a housing with housing walls ( 2 ) and one through a housing wall ( 2 ) guided, rotatably mounted support shaft ( 1 ) for a target tube ( 10 ), wherein the housing wall ( 2 ) and the support shaft ( 1 ) are sealed against each other by a vacuum rotary feedthrough according to claim 1 or 2.

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