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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Dichtungsanordnungen für Vakuumflansch-Rohrleitungsverbindungen
und ähnliche
Bauteile und insbesondere eine Positionier- und Halteeinrichtung
für einen
O-Ring für
Vakuumflansch-Rohrleitungen oder Bauteile des ISO-NW-Typs.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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O-Ring-Zentrierringe
für Vakuumflansche nach
dem Stand der Technik sind typischerweise aus Aluminium oder rostfreiem
Stahl aufgebaut und sind so konstruiert, dass sie einen Elastomer-O-Ring während der
Montage und der Verwendung von ISO-NW-Vakuumdichtflanschen für Rohrleitungsverbindungen
in seiner Position halten. Derartige Zentrierringe habe nur die
Funktion, den O-Ring
in Position zur Abdichtung der flachen Dichtflächen der Flansche zu halten
und zu verhindern, dass sich der O-Ring nach innen bewegt, wenn
der Gasdruck innerhalb der Rohrleitung niedriger ist als der Gasdruck außerhalb
der Rohrleitung. Typische Konstruktionen nach dem Stand der Technik
sind beispielsweise in der US-A-5839765 und der EP-A-0042168 beschrieben.
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Bei
den Zentrierringkonstruktionen nach dem Stand der Technik treten
zwei wesentliche Nachteile auf. Der Nachteil hat damit zu tun, dass
der Durchmesser der inneren Oberfläche des Zentrierrings nicht
zu dem Durchmesser der inneren Oberfläche einer typischen Vakuumrohrleitung
und ähnlicher Bauteile
mit ISO-NW-Vakuumflanschverbindungen passt. Dieser Nachteil führt zu einer
abgestuften inneren Oberfläche
an dem Rohrleitungsanschluss bzw. dem Bauteilanschluss. Diese abgestufte
innere Oberfläche
führt zu
dem Effekt eines turbulenten Gasstroms, bekannt als plötzliche
Expansion und/oder plötzliche
Kontraktion (Strahleinschnürung).
Der viskose Strom von Gasen durch diese Art einer Rohrleitungsverbindung
führt zu
einem turbulenten Strom mit Wirbelströmen und Gesamtverlusten des
Gasstroms. Dieser Nachteil kann Gasphasenreaktionen, Kondensation
und eine frühzeitige Blockierung
in einigen Typen von Gasrohrleitungen in Maschinen verursachen.
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Der
andere Nachteil, der bei Zentrierringkonstruktionen nach dem Stand
der Technik auftritt, betrifft die Gestaltung ihrer äußeren Oberfläche mit "gerader Kante". Die äußeren ringförmigen Seitenoberflächen der
gegenwärtigen
Zentrierringe sind zu den ringförmigen
Stirnflächen
des Ringes senkrecht. Dies führt
zu einer Ringschulter mit 90 Grad, die sich mit dem Einsenkungsbereich
des Dichtflansches verbindet. Die 90-Grad-Ringschulter bei den Zentrierringkonstruktionen
nach dem Stand der Technik erfordert, dass die Dichtflächen der
Dichtflansche nahezu parallel zueinander ausgerichtet werden, wenn
der Zentrierring und die Vakuumrohrleitung zusammengebaut werden,
um eine Bindung zu verhindern.
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Demgemäß besteht
Bedarf für
einen verbesserten O-Ring-Zentrierring für Vakuumflansche, der im wesentlichen
einen turbulenten Gasstrom und Bindungsprobleme von O-Ring-Zentrierringkonstruktionen
für Vakuumflansche
nach dem Stand der Technik beseitigt. Diese Probleme werden durch
eine in Anspruch 1 dargelegte Kombination gelöst. Weitere Aspekte sind in
den Unteransprüchen
definiert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Zur
Erläuterung
der vorliegenden Erfindung sei auf die folgenden Zeichnungen Bezug
genommen.
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines O-Ring-Zentrierrings für Vakuumflansche
gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine Draufsicht des O-Ring-Zentrierrings aus 1;
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3A ist
eine seitliche Querschnittsansicht entlang der Linie 3A-3A des O-Ring-Zentrierrings
aus 2;
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3B zeigt
den O-Ring-Zentrierring aus 3A mit
einem aufgesetzten O-Ring;
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4A ist
eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht, die eine beispielhafte
Anwendung des O-Ring-Zentrierrings gemäß vorliegender Erfindung an
einer Vakuumrohrleitungsanordnung zeigt;
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4B ist
eine perspektivische Ansicht der Vakuumrohrleitungsanordnung aus 4A in
vollständig
zusammengebautem Zustand;
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5A ist
eine seitliche Querschnittsansicht entlang der Linie 5A-5A der Vakuumrohrleitungsanordnung
aus 4B; und
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5B erläutert den
Selbstausrichtungsaspekt der Kombination gemäß vorliegender Erfindung in
ihrer Anwendung an den in 5A zusammengebaut
dargestellten Bauelementen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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In 1, 2 und 3A ist
allgemein ein O-Ring-Zentrierring für Vakuumflansche gemäß der Kombination
der vorliegenden Erfindung gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
gezeigt und allgemein mit Bezugszeichen 10 bezeichnet.
Der O-Ring-Zentrierring 10 enthält einen ringförmigen Körper 12,
der eine zylindrische Innenfläche 26 und eine
erste und eine zweite abgefaste äußere Umfangsfläche 14, 16 enthält, die
zu einem nach außen sich
erstreckenden ringförmigen
O-Ring-Positionierflansch 18 führen bzw. in diesen übergehen.
Der O-Ring-Positionierflansch 18 bildet ein Paar von im wesentlichen
flachen ringförmigen
Stoppflächen 22, 24 und
eine ringförmige
konkave O-Ring-Sitzfläche 20,
die sich zwischen diesen erstreckt. Der ringförmige Körper 12 bildet ferner
eine erste und eine zweite ringförmige
Stirnfläche 28, 30,
die sich jeweils zwischen der ersten bzw. der zweiten abgefasten äußeren Umfangsfläche 14, 16 und
der zylindrischen Innenfläche 26 erstrecken.
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Der
O-Ring-Zentrierring 10 wird aus einem beliebigen geeigneten
Material für
die vorgesehene Anwendung im Kontakt mit Gas hergestellt, wie z.
B. Aluminium oder rostfreiem Stahl. Die in 1, 2 und 3A gezeigte
beispielhafte Ausführungsform hat
eine Größe von 40
Millimetern für
NW-40-Flansche. Demgemäss
hat der Zentrierring 10 einen an dem Übergang, an dem die erste oder
die zweite abgefaste äußere ringförmige Oberfläche 14, 16 in
den O-Ring- Positionierflansch 18 übergehen,
gemessenen Außendurchmesser 36 von
annähernd
41 mm (1,614 Zoll). Der O-Ring-Positionierflansch bildet einen Außendurchmesser 34 von
annähernd
44 mm (1,730 Zoll) und die zylindrische Innenfläche 26 des Zentrierrings 10 bildet
einen Innendurchmesser 38 von annähernd 35 mm (1,370 Zoll). Der
Zentrierring 10 hat eine Höhe oder Dicke 32 von
annähernd
8,2 mm (0,324 Zoll), gemessen zwischen der ersten und der zweiten
ringförmigen
Stirnfläche 28, 39,
und die erste und die zweite ringförmige Stirnfläche haben
jeweils eine Breite 40 von annähernd 2,75 mm (0,108 Zoll).
Die erste und die zweite abgefaste äußere Umfangsfläche 14, 16 haben
jeweils eine Höhe 42 von annähernd 2,16
mm (0,085 Zoll) und sind mit einem Winkel 44 von annähernd 10
Grad geneigt, gemessen von einer Bezugslinie 45, die senkrecht
zu den ringförmigen
Stoppflächen 22, 24 des
O-Ring-Positionierflansches 18 ist. Der O-Ring-Sitz 20 hat
eine Breite 46 von annähernd
3,9 mm (0,154 Zoll) und einen Radius von annähernd 2,64 mm (0,104 Zoll).
Damit kann der O-Ring-Sitz 20 einen
Elastomer-O-Ring 50 mit einem Durchmesser 51 von
annähernd
5,3 mm (0,210 Zoll) aufnehmen, wie 3B zeigt.
Der auf den Zentrierring 10 gemäß vorliegender Erfindung aufgesetzte
O-Ring 50 kann in Abhängigkeit von
der Betriebstemperatur, dem verwendeten Gas und dem Vakuum des Systems
aus Silikon oder jedem anderen geeigneten Elastomermaterial hergestellt
sein.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend angegebenen Abmessungen nur zum
Zweck der Erläuterung
dienen und dass der O-Ring-Zentrierring gemäß vorliegender Erfindung auf
alle ISO-NW-Größen erweitert
werden kann, indem die hier gezeigte und beschriebene 40-mm-Konstruktion
proportional dimensioniert wird.
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In 4A ist
der O-Ring-Zentrierring 10 der Kombination gemäß vorliegender
Erfindung zwischen einem ersten und einem zweiten Vakuumrohrleitungsabschnitt 52, 56 mit
einem jeweiligen ersten und zweiten ISO-MW-Vakuumflansch 50, 58 eingebaut
dargestellt, die durch eine Spannringanordnung 60 zusammengepresst
werden, die aus einem geteilten Spannring 62 und einer
Spannring-Befestigungsschraube 64 besteht. Der O-Ring-Zentrierring 10 positioniert
und hält
den O-Ring 50 an seiner Position zwischen den jeweiligen
Dichtflächen 66, 68 des
ersten und des zweiten ISO-NW-Vakuumflansches 54, 58.
Die Vakuumrohrleitungsabschnitte 52, 56 sind in 4B vollständig zusammengebaut
gezeigt.
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In 5A ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie 5A-5A der vollständig zusammengebauten
Vakuumrohrleitungsabschnitte 52, 56 aus 4B gezeigt.
Wie zu erkennen ist, ist die ringförmige Innenfläche 26 des
Zentrierrings 10 so konstruiert, dass sie bündig mit
den Innenflächen 70, 72 der Rohrleitungsabschnitte 52, 56 mit
ISO-NW-Flanschen ist, um einen glatten Übergang des Leitungsquerschnitts über die
Verbindung zu schaffen. Demgemäss
löst der
O-Ring-Zentrierring 10 gemäß vorliegender Erfindung das
Problem der plötzlichen
Expansions- und/oder plötzlichen
Kontraktionseffekte, die in Gasrohrleitungssystemen häufig auftreten,
die an diesen Verbindungen Zentrierringe nach dem Stand der Technik
verwenden.
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Ferner
verhindern die erste und die zweite abgefaste äußere Umfangsfläche 14, 16 im
wesentlichen eine Bindung des Zentrierrings 10, wenn er
in die Einsenkungen 74, 76 eingesetzt wird, die
in den ISO-NW-Flanschen 54, 58 gebildet sind.
Genauer ausgedrückt
wirken die an dem Zentrierring 10 an seinem Berührungspunkt
mit den Einsenkungen 74, 76 vorgesehenen abgefasten
ringförmigen äußeren Flächen 14, 16 so,
dass sie den Zentrierring 10 während der Montage selbsttätig in eine
zentrale Position in Bezug zu den Einsenkungen 74, 76 ausrichten, auch
wenn die Flansche 54, 58 anfänglich nicht parallel ausgerichtet
sind, wie in 5B gezeigt. Jede der Einsenkungen
besteht aus einer zylindrischen Einsenkungsfläche, die mit einem der abgefasten Oberflächenabschnitte
des Zentrierrings in Eingriff kommt, und einer ringförmigen Einsenkungsfläche, die
senkrecht zu der zylindrischen Einsenkungsfläche ist und die eine der beabstandeten
ringförmigen Oberflächen des
Zentrierrings berührt.
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Wie 5A zeigt,
kommen die ringförmigen Stoppflächen 22, 24 des
O-Ring-Flansches 18 mit den
Dichtflächen 66, 68 der
Flansche 54, 58 in Eingriff, um zu verhindern,
dass der O-Ring 50 übermäßig zusammengepresst
wird, wenn er an die Dichtflächen 66, 68 angepasst
wird, um eine dichte Abdichtung zwischen diesen zu schaffen. Wie
auch bei den Konstruktionen nach dem Stand der Technik, hat auch
der Zentrierring 10 gemäß vorliegender
Erfindung die Funktion, zu verhindern, dass der O-Ring 50 sich
nach innen bewegt, wenn der Gasdruck innerhalb der Rohrleitung niedriger
ist als der Gasdruck außerhalb
der Rohrleitung.
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Der
O-Ring-Zentrierring 10 der Kombination gemäß vorliegender
Erfindung kann für
alle Rohrleitungen oder Bauteile mit Vakuumflanschen des ISO-MW-Typs ohne Modifikationen
des Flansches verwendet werden. Dies schließt jegliche Vakuum- oder Gasstromsysteme
ein, die Flanschverbindungen des ISO-MW-Typs verwenden. Beispiele
für derartige
Systeme ohne Beschränkung
auf Geräte
zur Halbleiterverarbeitung sind chemische Ätzsysteme, Plasma- oder reaktive
Ionenätzsysteme,
Epitaxiesysteme und Systeme zur chemischen Dünnfilm-Dampfabscheidung sowie
Medium-Vakuumverarbeitungsgeräte.