BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Preßdichtung mit Radial-Dichtlippe, vorzugsweise in Metall-Metall Ausführung, die für Ultrahochvakuum (UHV) bis Hochdruck vielseitig einsetzbar ist, die mit geringem radial wirkenden Preßdruck zum Er¬ zielen der Dichtigkeit auskommt und bei geeigneter Wahl der Materialien von Dichtlippe und Gegenfläche eine häufige Wiederverwendung erlaubt und bei großen Temperaturänderungen beständig dicht bleibt.

Vakuum- und Druckdichtungen werden bisher durch Verschweißen, Verlöten oder durch axiales oder kombiniertes axial-radiales Pressen mit oder ohne Bei¬ lage eines Dichtringes erreicht.

Bei den bekannten Conflat-Flanschen ^R (eingetragenes Warenzeichen der Fa. Varian) werden z.B. axiale Schneidkanten, die je eine in zwei sich gegenüber¬ liegenden Flanschen angeformt ist, in einen zwischengelegten Kupferdichtring mit hoher Preßkraft 0,2 bis 0,5 mm tief axial eingepreßt. Die Flansche sind sehr massiv ausgeführt, und der Dichtring muß nach jedem Lösen der Dichtung er¬ setzt werden. Conflat- Flansche sind nur bis Nennwerte NW 150 standardisiert und für NW 250 nur in Sonderanfertigung lieferbar.

Durch Beilage von dünnen (0 = 1. ..1, 5mm) Edelmetall-O-Ringen in die pas¬ sende Nut, welche einseitig in einen gepaarten Flachflansch eingestochen ist, kann durch hohe axiale Preßkraft eine UHV-Dichtung auch für Nennweiten NW > 250 erzielt werden.

Andere bekannte Metall-Metall Dichtungen verwenden axiales An- -oder Ein¬ pressen von Kegelmantelfiächen verschiedener Anstiegswinkel. Bekannt ist auch eine axiale Schneidring-Dichtung, die durch axiales Einpressen des separaten, konischen Schneidrings in den Führungskonus einer Rohrmuffe zum dichten Verbinden oder Anschließen von Rohren verwendet wird, wobei zwei getrennte Dichtflächen entstehen, die eine zwischen Rohr und Schneidring und die zweite zwischen Schneidring und Führungskonus. In diesen Fällen kommt es durch den vornehmlich axialen Preßvorgang zu einem λ^erschieben der Dichtflächen und meistens zu einem Ab- oder Aufschälen von Material, wodurch oft erst die Dichtwirkung erzielt wird. Dadurch ist eine Wiederverwendbarkeit oder Aus¬ tauschbarkeit eingeschränkt.

Druckdichtigkeit kann auch durch festgezogene konische Gewinde, wobei die Gewindelänge größer ist als der Gewindedurchmesser, meist unter Beilage stop¬ fender oder fließender Zusatzdichtmittel erreicht werden. Vakuumdichte Verbin¬ dungen sind damit in der Regel aber nicht zu erzielen.

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Durch axiales Zusammenpressen zweier polierter Kalottenflächen mit unter¬ schiedlichen Radien läßt sich auch Hochvakuum- und Druckdichtigkeit errei¬ chen. In diesem Falle ist die Bearbeitung der Oberflächen der massiven Kalot¬ tenkörper sehr aufwendig, und dadurch die Art der Verbindung kostspielig. Die polierten Oberflächen sind sehr empfindlich, auch gegenüber Verdrehen gegen¬ einander, und der zum Dichten benötigte Anpreßdruck ist hoch.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstige, sichere Hochvakuum- als auch Druckdichtung, vorzugsweise in Metall-Metall Ausführung mit geringem Material- und Bearbeitungsaufwand und geringem bis mäßigem Anpreßdruck zu erzielen, die gute Lösbarkeit und Wiederverwendbarkeit bzw. eine hohe Zahl von Wechselzyklen gewährleistet.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt bei der dichten Verbindung zweier Hohlzylin- derstücke, Rohre, Flansche, Behälter oder dgl. bzw. bei Verschlüssen oder Venti¬ len dadurch, daß ein Teil ein Dichtorgan A mit nach außen oder innen gerichteter rotationssymmetrischer Radial-Dichtlippe besitzt und das andere Teil ein Dicht¬ organ B mit zylindrischer, kegelförmiger, konkav oder konvex gekrüπimter Ge¬ genfläche aufweist, und die beiden Dichtorgane durch möglichst gleichmäßig ra¬ dial wirkende Anpressung unter Ausbildung einer schmalen, kreisHnienfδrmigen Dichtfläche zwischen Dichtlippe und Gegenfläche dicht miteinander verbunden sind.

Die radial gleichmäßige Anpressung, gegebenenfalls unter reversibler oder irre¬ versibler Querschnittsaufweitung oder -Verengung, wird vorteilhafterweise durch ein geeignetes mechanisches Hilfsmittel bewirkt, wie einen axial konzentrisch auf- oder eingezogenen Preßkonus, einen peripher nach innen oder außen wirkenden Preßgürtel aus einzelnen Glie¬ dern oder einen Spann- oder Preßring, einen axialen Anschlag oder eine Anschlagsplatte zur Querschnittsaufweitung oder -Verengung von Schalen oder Schalenzonen mit endseitigen Radial-Dicht- lippen, ein Einroll- oder radial wirkendes Preßwerkzeug, wie eine Einrollzange oder eine Rollkette, oder auch durch einen Eilfsprozeß, der durch Temperaturänderung, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme eines sepa¬ raten ringförmigen Hohlkörpers, eines Bimetall-Ringes oder einer Scheibe, eine Ein- bzw. Aufschrumpfung bewirkt.

Vorzugsweise Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen auf¬ geführt.

Die besonderen Vorteile der Erfindung liegen darin, daß

1) bei der Montage der Dichtung eine Trennung stattfindet zwischen dem Schließvorgang, d.h. der meist axialen Zusammenführung und konzentri¬ schen Vorjustierung der Dichtorgane und -teile, und dem Dichtvorgang durch die radial wirkende Anpressung; dies führt

2) zu einer automatischen Selbstzentrierung bei zylindrischen, konischen und sphärischen Gegenflächen und

3) durch die gleichmäßig radial wirkende Anpressung zur Ausbildung einer axial stationären, geschlossenen, schmalen kreislinienförmigen Dichtfläche zwischen Radial-Dichtlippe und Gegenfläche.

Die Radial-Dichtlippe wird durch eine Fläche oder durch das Aufeinandertreffen von mindestens zwei Flächen gebildet, die z.B. konvex oder konkav gekrümmte Schalen- oder Kugelzonenflächen, konzentrische Kegelmantel-, Ring- oder Zy¬ linderflächen sind oder aus einer Kombination dieser Flächen bestehen. Die Radial-Dichtlippe kann vorteilhafterweise entweder mehr scharfkantig als Radial-Schneidkante oder mehr ballig, gegebenenfalls mit einem Radius r abge¬ rundet ausgebildet sein, je nach

Material, Duktilität und Oberflächenbescha_fenheit, sowie nach Wandstärke und Elastizität der mit der Dichtlippe und der Gegenfläche ver¬ bundenen Dichtbauteile.

Somit kommt es schon bei geringen bis mäßigen Preßdrucken, bezogen auf den Radius der Radial-Dichtlippe, zu sicherer Hochvakuum- und Druckdichtigkeit auch bei gleichem Material, z.B. Edelstahl, von Schneidkante und Gegenfläche. Dies wird erreicht durch einen stationären Fließpreßvorgang des Materials der Dichtlippe und/oder des Materials der Gegenfläche, wodurch sich die Mikro- strukturen der beiden Oberflächen auf der schmalen KreisHniendichtfläche op¬ timal anpassen.

Bei einer Steigerung des Anpreßdruckes oder durch Beaufschlagung mit Medien¬ druck wird die Dichtlippe fester und eine dahinterliegende Hohlzylinderkante und -fläche ebenfalls an oder in die Gegenfläche gepreßt, wodurch eine zweite Hochctruckdichtung entsteht. Daraus resultiert eine Steigerung der Druckfestig¬ keit, die durch eine ansteigende Wandstärke des Hohlzylinders noch unterstützt wird.

Bei Verwendung von gleichem Material oder Material mit annähernd gleichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten für Dichtlippe und Gegenfläche ist die Dichtigkeit auch bei großer Temperaturänderung gegeben; z.B. blieb bei Ver¬ wendung von Edelstahl (Werkstoff Nr.1.4571) für die Ausführungsbeispiele, die in Fig.2 bis Fig.4 dargestellt sind, Hochvakuum— (He) Dichtigkeit erhalten, auch nach mehrmaligem Abkühlen auf T = — 193° C (flüssige Stickstofftemperatur) und mehrmaligem Ausheizen auf T = 450°C. Die Radial-Preßdichtung ist also auch für den Ultrahochvakuum-Einsatz bestens geeignet.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand von 19 Ausführungsbeispielen, die in 17 Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert werden, aus denen sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung entnehmen lassen. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 (a) ein Dichtorgan A mit Radial-Dichtlippe und ein Dichtorgan B mit rotationssymmetrischer zylindrischer ( — ) bzw. (—-"* ) konischer Gegenfläche, (b) ein Dichtorgan A mit balliger Radial-Dichtlippe und ein Dichtorgan B mit zylindrischer (— ), konkav ( — ) bzw. konvex (*"-*") gekrümmter Gegenfläche

Fig.2 einen Anschlußstutzen für Behälter mit kombinierter Rohranschlußmuffe jeweils mit integrierter Radial-Dichtlippe

Fig.3 einen Anschlußstutzen für Behälter mit in der Bohrung integrierter Radial- Dichtlippe und kombinierter Rohranschlußmuffe mit beigelegtem Radial-Doppel- dichtlippen-Ring

Fig.4. eine Verbindungsdichtung zweier Rohre, eines mit integrierter Radial- Dichtlippe und eines mit konischer Gegenfläche

Fig. 5 (a) eine Rohrverbindungsdichtung mit Radial-Dichtlippe,

(b) nach Querschnittsverengung durch Einrollen,

(c) eine Hohlzylinderverbindungsdichtung mit Radial-Dichtlippen und Quer¬ schnittsaufweitung durch einen Innenpreßkonus

Fig.6 ein Ultrahochvakuum- Ventil mit Radial-DichtHppen- Ventilsitz

Fig. 7 Flanschverbindungsdichtungen mit Radial-Dichtlippen und

(a) einem zylindrischen Außendichtring,

(b) einem V-förmigen Außendichtring aus Kugelschalenzonen mit radial wir¬ kendem Preßgürtel

Fig.8 (a) ein schalenförmiges Dichtorgan A mit Radial-Dichtlippe und ein Dichtorgan B mit axialem Anschlag und zylindrischer ( — ) bzw. konischer ( — ) Gegenfläche,

(b) und (c) Flanschverbindungsdichtungen mit axialen Anschlägen und Zwi- schendichtringen mit endseits angeformten Radial-Dichtlippen, die im Quer¬ schnitt V-förmig (b) bzw. schrägliegend stab- und X-fδrmig sind (c)

Fig.9 einen Ventilverschluß, bestehend aus einem schalenföπnigen Teller mit Radial-Dichtlippe,

(a) mit axialem Anschlag und zylindrischer Sitzfläche,

(b) mit separater Anschlagsplatte und konischer Sitzfläche

Fig.10 ein UHV-Schmetterlingsventil, bestehend aus einem scheibenförmigen Teller mit Radial-Dichtlippe und einer dünnwandigen Kugelschalenzone als Ven¬ tilsitz.

Figur l(a) zeigt schematisch und als Ausschnitt ein Dichtorgan A mit einer Radial-Dichtlippe 1, die als Schneidkante ausgebildet ist, und einen Hohlkörper 5' als Dichtorgan B mit zylindrischer 4 bzw. konischer 2 Gegenfiäche.

Figur l(b) zeigt ein Dichtorgan A mit einer Radial-Dichtlippe l', die mit einem Radius r ballig abgerundet ist, und einen Hohlkörper 5' als Dichtor¬ gan B mit konkaver 3 bzw. konvexer 3' Gegenfläche. Die dichte Verbindimg der Dichtorgane A und B erfolgt durch Anpressen der Dichtlippen 1, l' an die Gegenflächen 2, 3, 3', 4 oder vice versa mit Hilfe eines peripher gleichmäßig ra¬ dial wirkenden Druckes p _r bzw. p _r , gegebenenfalls unter Querschnittsverengung bzw. -aufweitung der Dichtorgane.

In Figur 2 ist ein Anschlußstutzen 9 dargestellt, der mit einem kurzen Hohl- zylinderstück 5 mit baulich integrierter Radial- Außendichtlippe 1 als Dichtor¬ gan A passend in eine Bohrung 10 einer Behälterwand 8 als Dichtorgan B eines zu evakuierenden oder mit Hochdruck zu beaufschlagenden Behältnisses ein¬ gesetzt ist. Durch ein Preßkonusstück 12, z.B. mit Innengewinde, das in das Hohlzylinderstück 5 in axialer Richtung eingepreßt ist, wird die Dichtlippe 1 axial stationär, konzentrisch radial an oder in die Bohrungswand 4 gepreßt. Das Preßkonusstück 12 kann nach der Montage bzw. nach erfolgtem Preß Vorgang der als Schneidkante ausgebildeten Dichtlippe 1 in die Fläche 4 der Bohrung 10 grundsätzlich auch wieder entfernt werden.

Der Anschlußstutzen 9 in Figur 2 ist kombiniert mit einer Rohranschlußmuffe, in deren Hohlzylinderstück 5' mit Außengewinde und baulich integrierter Radial- Innendichtlippe l' als Dichtorgan A' ein Rohr 7 als Dichtorgan B' passend eingesetzt ist. Die An- oder Einpressung der Radial-Dichtlippe l' erfolgt durch Aufschrauben einer Überwurfmutter 6 mit angeformtem Außenpreßkonus.

Figur 3 zeigt einen Anschlußstutzen 58, der in eine Bohrung 20 einer Behälterwand 18 mit integrierter Radial-Dichtlippe 11 als Dichtorgan A einge¬ setzt ist, und dessen angeformtes Hohlzylinderstück 15 als Dichtorgan B mittels eines Preßkonusstückes 22 an die Dichtlippe 11 zur dichten und festen Verbin¬ dung gepreßt ist.

Die Radial-Dichtlippen (1, 11) in Figur 2 und 3 werden vorteilhafterweise an demjenigen Verbindungsteil angefoπnt, das aus dem härteren Material besteht.

Die Anformung der scharfkantigen Radial-Dichtlippe in der Bohrung kann von außerhalb des Behälters erfolgen, z.B. mit Hilfe eines Stufenbohrers und eines Rückwärtsentgrat- Werkzeuges.

Die Anschlußstutzen 9 und 58 in Figur 2 bzw. 3 können baugleich ebenso in die Bohrung eines Rohrendes oder in Bohrungen in einer Hohlzylinderwand vakuum- und druckdicht eingesetzt werden. Die Bearbeitung der Bohrung, das Einsetzen des Anschlußstutzens und der Dichtvorgang können vorteilhafterweise alle von außerhalb des Behälters oder Rohres erfolgen, so daß ein nachträglicher Einbau in eine bestehende Apparatur möglich ist.

Bei großen mechanischen Beanspruchungen können die Hohlzylinderstücke 5 und 15 in Figur 2 bzw. 3 und/oder die Bohrungen 10 bzw. 20 oberhalb der Radial-Schneidkanten 1 bzw. 11 mit einer Riffelung oder mit Gewinde versehen werden, die beim Schließ Vorgang, vor und unabhängig von dem Dichtvorgang durch Einziehen der Preßkonusstücke 12 bzw. 22, eine mechanisch feste Verbin¬ dung ergeben.

Zwei weitere Vorteile der Radial-Preßdichtung von Anschlußstutzen bestehen darin, daß diese in einfache Bohrungen von verhältnismäßig dünnwandigen Behältern oder dgl., z.B. im Vergleich mit konischen Gewindedichtungen, eingesetzt wer¬ den können, und daß zwei Teile aus sehr unterschiedlichen, z.B. nicht verschweißbaren Ma¬ terialien, dicht und mechanisch fest miteinander verbunden werden können.

Nach Einschneiden der als Radial-Schneidkante ausgebildeten Dichtlippe in die Gegenfläche durch stärkeres axiales Einziehen des Preßkonus bleibt auch nach dessen Entfernung die Verbindung dicht und mechanisch fest.

In Figur 3 ist in der oberen Hälfte ähnlich wie in Figur 2 eine Rohrverbin¬ dungsmuffe 58 dargestellt, hier jedoch mit beigelegte separaten Dichtring 52 mit zwei gegenüberliegenden Radial-Schneidkanten-Dichthppen 51 und 51'. Die Dichtung erfolgt durch radiales Einpressen des Radial-Doppel-Schneidkanten- Ringes 52 sowohl in die Mantelfläche des eingesteckten Rohres 57 als auch in das Hohlzylinderstück 55 der Rohrmuffe 58 mittels einer Überwurfmutter 56 mit an¬ geformten Preßkonus, wobei sich zwei geschlossene, schmale kreishnienfδrmige Dichtflächen ausbilden.

Dichtigkeit und gleichzeitig mechanisch feste Verbindung wird in allen Fällen bei mäßigem Preßdruck erreicht, wenn die Radial-Dichtlippe und die Gegenfläche fein bedreht, die Bohrung mit Hartmetallbohrern aufgebohrt und bei Durch¬ messern > 15 mm, z.B. mit einer Reibahle, nachgerieben oder fein ausgedreht

ist (nach DIN 3141: geschlichtet). Eine Nachbearbeitung von Rohrwandungen 4' ist bei handelsüblichen Qualitäten in der Regel nicht nötig.

In Figur 4 ist eine hochdichte Verbindung zweier Rohre 28 und 29 darge¬ stellt. Dem Rohr 25 ist endseits ein Hohlzylinderstück 25 mit innenliegender Radial-Dichtlippe angeformt, die mittels eines Außenpreßkonusflansches 32 an die endsei tige konische konkave oder konvexe Verjüngung 27 des zweiten Hohlzy- linderstückes 28 konzentrisch radial gepreßt ist. Die radiale Preßdichtung erfolgt durch axiales Zusammenziehen des beweglichen Flansches 32 mit Außenpreßkonus und des auf dem Rohr 29 befestigten unbeweglichen Flansches 33 mit Hilfe einer (geteilten) Klemme 34, die auf die abgeschrägten Außenstege der Flansche 32 und 33 aufgezogen wird und diese aufeinander zu bewegt.

Gegebenenfalls kann auch ein Rohrstück mit endseitiger Aufweitung auf ein zweites mit endseitig angeformter Radial- Außendichtlippe in analoger Weise, wie oben und in Figur 4 dargestellt, aufgepreßt und mit diesem dicht verbun¬ den werden.

Zum einfachen, konzentrischen Einsetzen und Lösen ist vorteilhafterweise eine passende Führung 26 an beide zu verbindenden Rohrstücke angedreht.

In Figur 5(a) ist eine Verbindung zweier ineinandergesteckter Rohrstücke 38 und 39 dargestellt, von denen eines (39) mindestens eine als Radial- Schneid¬ kante ausgebildete Dichtlippe 31 aufweist und das andere (38) glatt ausgebildet ist. Durch nachträgliche Querschnittsverengung des äußeren Rohres 39, z.B. durch Einrollen im Bereich der Radial-Schneidkante 31 mit mehreren symme¬ trisch radial drückenden Rollen einer Einrollzange, siehe Figur 5(b), sind die beiden Rohre dicht und mechanisch fest miteinander verbunden, wobei die Quer¬ schnittsverengung zur Verdeutlichung übergroß gezeichnet ist.

Figur 5(c) zeigt eine Verbindung zweier Hohlzylinder oder Rohrstücke 68 und 69, die, wie in Figur 5(a) und oben dargestellt, beschaffen sind und durch Querschnittsaufweitung 67, z.B. mittels eines nachträglich durchgezogenen In- nenpreßkonusstückes 65, dicht und mechanisch fest miteinander verbunden sind.

Bei den beiden letztgenannten Dichtungsverbindungen besteht vorteilhafter¬ weise mindestens eines der Rohre aus einem leicht kaltverformbaren Material, wie z.B. Kupfer.

Vorzugsweise bei Kupfer können darüber hinaus die Radial-Schneidkanten (teil¬ weise oder ganz) durch Einrollen unter gleichzeitiger Oberflächenhärtung mit Hilfe eines schräg nach innen in die entsprechenden Zylinderfiächen eingreifen¬ den rotationssymmetrischen Werkzeugs angeformt werden. Die Querschnittsverengung bzw. -aufweitung kann mit einfachen Werkzeugen vor Ort an einer Apparatur oder Baustelle, auch bei einer Reparatur durch-

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-S- geführt werden.

Figur 6 zeigt ein Eckventil in Ultrahochvakuum-Ausführung, dessen Ven¬ tilsitz ein kurzes Hohlzylinderstück 45 mit integrierter innenliegender Radial- Dichtlippe 41 einheitlicher Beständteil des Ventilgehäuses 49 ist. In geschlosse¬ nem Zustand ist der kegelstumpfförmige Ventilteller 44, z.B. durch eine Schrau- bendruckfeder 46, an die Radial-Schneidkante 41 angelegt, die wiederum durch axiales Aufdrücken eines Außenpreßkonus 42 konzentrisch radial an die Ke¬ gelmantelfläche des Ventiltellers 44 angepreßt ist. Die axiale Bewegung zum Schließen und Offnen des Ventils wird durch ein mit dem Preßkonus 42 inte¬ griertes Druckstück 43 und den eingesetzten Gewindestift 47 mit Druckzapfen ermöglicht. Ein metallischer Wellbalg 48, der mit dem Druckstück 43 und dem Ventilgehäuse 49 verschweißt ist, gewährleistet die Ultrahochvakuumdichtigkeit nach außen.

In Ganz-EdelstaH- Ausführung sind sehr hohe Schließ- und Offhungszyklen des Ventils und ein Ausheizen bei geschlossenem Zustand ohne Beeinträchtigung der Dichtfunktion möglich.

In allen beschriebenen Dichtungsverbindungen kann es je nach Material und Größe der zu verbindenden Teile von Vorteil sein, die an einem Teil bau¬ lich integrierte Radial-Schneidkante durch einen separat beigelegten Mehrfach- Radial-DichtHppen-Ring zu ersetzen. Die Vorteile können durch die freie Wahl eines geeigneten Ringmaterials, vorzugsweise härter als das Material der zu dich¬ tenden Teile, größer sein als der Nachteil der mindestens zweifachen Dichtfiäche.

In Figur 7(a) und (b) sind zwei Flansche 79, 79' mit Radial-Dichtlippen 71, 71' bzw. 1, l' in einem Abstand d bzw. d' gezeigt, gegen die ein dünnwandiger Zwischenring 72, 72' mit Breite b von außen gleichmäßig radial dichtend gepreßt ist mit Hilfe eines Preßgürtels 70, 77 aus einzelnen, miteinander verbundenen Gliedern oder eines Spannringes.

Besonders vorteilhaft ist die Zusammensetzung des V-förmigen Dichtringes 72' aus zwei gegeneinander gestellten Kugelzonenschalen 76, 76', welche die Dich¬ tung innerhalb des Kugelzonenbereiches 73, 73' weitgehend unabhängig von Verkantungen der beiden Flanschachsen gegeneinander macht. Radiale Ellip- tizitäten und Ungleichheiten des äußeren Dichtlippen-Umfanges können durch ein elastisches Nachgeben der dünnwandigen Hohlzylinderstücke 75, 75' beim radialen Anpressen der Dichtringe 72, 72' ausgeglichen werden. Die beiden Dichtlippen 71, 7l' können auch axial gegeneinander gestellt (Ab¬ stand d = 0) werden, wodurch sich bei radialem Anpressen des Ringes 72 und scharfkantig ausgeführten Dichtlippen 71, 71' zwei sehr nahe beieinanderlie¬ gende, kreisHnienförmige Dichtflächen ergeben.

Durch axiales Zusammenpresse 'n3- der Radial-Dichtlippen 71, 71' im Abstand d = 0, oder über einen separaten oder einen am Zwischenring 72 baulich in¬ tegrierten Anschlagsring 66, wird eine Transformation der axial angesetzten Preßkraft in eine radiale Anpressung bewirkt. Bei weitgehend elastischer Ver¬ formbarkeit der Radial-Dichtlippen 71, 71' kommt es zu einer reversiblen Auf¬ weitung des Anlagekreises mit Querschnittsfläche Q der Dichtlippen 71, 71' an den Zwischenring 72 und somit zu einem radialen, axial weitgehend stationären An- und gegebenenfalls Einpressen der Dichtlippen in den Zwischenring 72, was in diesem Fall das radiale Zusammenpressen des Zwischenringes 72 ersetzt, siehe unten und Dichtungen in den Figuren 8 und 9.

Figur 8(a) zeigt schematisch und als Ausschnitt ein schalenförmiges 109 Dichtorgan A mit endseitiger Radial-Dichtlippe 101. die mit einem Radius r abgerundet ist. Das Dichtorgan A ist durch axiale Anpressung im Bereich der Dichtlippe 101 mit Druck p _a an einen axialen Anschlag 106, der mit dem Dicht¬ organ B verbunden ist oder von diesem getrennt sein kann, im Radius RQ sei¬ ner größten Querschnittsfläche so aufgeweitet, daß die Radial-Dichtlippe 101 radial und dicht an die zylindrische 4 bzw. kegelmantelförmige 2 Gegenfläche des Dichtorgans B gepreßt ist.

Ein Einstich 103 (93 in Figur 9(a)) in das Dichtorgan B zwischen axialem An¬ schlag 106 (96) und Gegenfläche 4, 2 verlängert den dünnwandigen Ring (98), -steg 108 und ermöglicht ein leichteres elastisches Anpassen der Gegenfläche 4, 2 an die Radial-DichtHppe 101 (1') unter dem radialen Anpreßdruck p _r zum Ausgleich etwaiger radialer Elliptizitäten, axialer Unebenheiten der Schalen¬ oberkante 107 und/oder des Anschlages 106 (96) sowie etwaiger Verkantun¬ gen der Achsen beider Dichtorgane gegeneinander. Eine elastische Scherung und/oder Verwindung der Dichtorgane A (92, 102, 104', 94, 94' in den Figuren 8(b,c) und 9(a,b)) mit Radial-Dichtlippen kann den gleichen Zweck erfüllen bzw. zu diesem beitragen.

In Figur 8(b) und (c) sind Flansche dargestellt, die axiale Anschläge 96, 96', 106, 106' aufweisen, zwischen denen Dichtringe 92, 102, 104' mit endseitigen Ra¬ dial-Dichtlippen 91,91', 101 bis 101'" zusammengepreßt sind. Im Querschnitt sind die Dichtringe nach außen oder innen V-förmig geöffnet (92), schrägliegend stab-(104') bzw. X-föπnig (102). Die axiale Anpressung an die Anschläge 96, 96', 106, 106' bewirkt eine Verkleinerung bzw. Vergrößerung der Querschnittsfiäche Q, Q' der Dichtlippen und somit eine radiale, dichte Anpressung an die zylin¬ drischen Gegenflächen 4,4' unter Ausbildung von axial weitgehend stationären, schmalen kreislinienfδrmigen Dichtflächen.

Leicht konvex oder konkav gekrümmte oder konisch gegen die Flanschachsen geneigte Gegenflächen können bei entsprechend abgerundeten Dichtlippen von Vorteil sein.

Mit den in Figur 4, 7 und 8(b) und (c) angegebenen Flanschverbindungs¬ dichtungen können Kleinflansche bis Nennweite NW 50 mit den Außenmaßen nach DIN 28403 als gepaarte bzw. ungepaarte Flansche UHV-tauglich einge¬ setzt werden. Durch entsprechende Anordnung der Radial-Dichtlippen und Ge¬ genflächen an den Flanschteilen bleibt die Möglichkeit erhalten, mit den bekann¬ ten O-Ringen aus Elastomeren, z.B. für Testzwecke, Hochvakuumdichtigkeit zu erreichen.

Bei Nennweiten NW > 50 mm erfolgt das Zusammenziehen entsprechender Flansch- bauteϊle vorteilhafterweise mittels einer unterteilten Klemmvorrichtimg mit meh¬ reren tangential gleichmäßig am Umfang verteilten Verschraubungen oder durch gleichmäßiges Zusammenziehen zweier Flansche, z.B. mit den Außenmaßen der Klammerflansche nach DIN 28404 mit Hilfe separater Pratzen.

In Figur 9(a)und (b) sind Ventil-, Rohr- oder Bohrungsverschlüsse dar¬ gestellt, deren Verschlußteller aus rotationssymmetrischen Schalen 94, 94' mit am Rande angeformten Dichthppen l' bestehen, die in eine zylindrische 4 bzw. konische 2 Gegenfläche des Verschlußsitzes 98, 98' eingesetzt sind. Die Quer¬ schnittsflächen Q, Q' der Dichthppen 1, l' werden durch axiales Anpressen der Schale 94 gegen einen mit dem Sitz 98 verbundenen oder separaten axialen An¬ schlag 96 und der Schale 94' gegen eine separate, axial gegen den Schalenboden 100' bewegte Platte 90 elastisch so aufgeweitet, daß die Dichthppen l' radial und dicht an die Gegenflächen 4, 2 gepreßt sind. Eine Verringerung der Scha¬ lenwandstärken an den Böden 100, 100' erleichtert die elastische Aufweitung. Ein Einstich 93 hinter dem axialen Anschlag 96 verlängert vorteilhafterweise die dünne Wandstärke des Verschlußsitzes 98 und ermöglicht so eine verbes¬ serte elastische Anpassung der Gegenfläche 4 an die Radial-Dichtlippe l'. Durch radiale Löcher 93' werden nicht evakuierbare Taschen zwischen Dichtlippe 1, Gegenfläche 4 und Anschlag 96 vermieden.

Um ein leichteres Bearbeiten, gegebenenfalls Polieren der Gegenflächen 4, 2, 3, 3' zu ermöglichen, können die axialen Anschläge 96, 106, 106' als separate, z.B. ein¬ gelegte Ringe ausgebildet werden.

Im Folgenden werden für die Dichtungen in den Figuren 7(a), 8(a— ) und 9(a,b) die maßgebenden Kräfte und Drucke und die daraus resultierenden Schlußfol¬ gerungen angegeben, sowie ein Vergleich der Dichtung mit und ohne axialen Anschlag angestellt. Dazu wird das Zusammensetzen der Dichtorgane in einen Schließ- I und einen Dichtvorgang II aufgeteilt.

In Figur 8(a) ist schematisch die primär axial aufgebrachte Anpreßkraft F _c eingezeichnet, mit F _Q = p _a • TΓ(R -Γ) ² m p _a • πR _ß für RQ • r.

Die Kräfte F' _Q , Fj. und F^, die auf eine Kegelmantel- Gegenfläche 2 ohne axialen

Anschlag wirken, sind gestrichelt (--) in Figur 8(a) eingezeichnet. Die Schalenzone 104 habe einen Anstiegswinkel φ und der Kegelmantel 2 sei ebenfalls um den Winkel ψ' = ψ gegen die Achse C geneigt. Eine Durchführung der folgenden Überlegungen ist ohne weiteres auch für ψ' ψ oder sphärische Gegenflächen möglich und führt mit etwas komplexeren Gleichungen zu den im Prinzip gleichen Ergebnissen.

I'. Schließvorgang ohne axialen Anschlag

Die primäre axiale Kraft T?' ₀ läßt sich vektoriell aufteilen in eine senkrecht auf die Gegenfläche 2 wirkende Komponente F _j _ = Fj. sin φ, die allein als Dichtkraft wirksam wird, und in eine Hangabtriebs-Komponente Ff. = Fj, cos φ > F'x für <,0 < 45 ^O , welche tangential an der Dichtlippe 101 angreift und eine Reib- bzw. Gleitbewegimg — je nach Oberflächenbeschaffenheit — entlang der Anlagefläche zwischen Lippe 101 und Gegenfläche bewirkt.

Beim Schließvorgang kommt es durch radiale Elhptizitäten von Lippe und Ge¬

S hl d d b h ten, werden sehr kleine Fertigungs-, insbesondere Schließbewegungstoleranzen, eine Feinst-Bearbeitung (Politur) der beteiligten Flächen und eine Aufbringung einer Gleitschicht auf mindestens eine der beteiligten Flächen benötigt.

I. Schließvorgang mit axialem Anschlag

Die Hangabtriebs-Kraftkomponente ist hier null und es kommt, durch eine vor¬ teilhafterweise gleitende, axiale Bewegung der abgerundeten Oberkante 107 des Dichtorgans A an dem Anschlag 106, zur Umsetzung der primären axialen Kraft F ₀ in eine radiale Anpreßkraft F ₉ 0 = F ₀ sin φ cos ψ mit F90 « F ₀ sin φ = ^~ Fj_ für y> < /2, siehe Figur 8(a).

Dies führt zu einem axial weitgehend stationären (siehe II) Angleichen und Bei¬ legen von Radial-Dichthppe 101 und Gegenfläche 2. Für die Zylinder-Gegenfläche 4 baut sich erst nach vollständigem Anlegen ein gleichmäßiger radialer Anpreß- und Dichtdruck p _a auf.

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II. Dichtvorgang mit axialem Anschlag

Dazu wird die axiale Anpreßarbeit W _a = p _a - Q _a - ^H _a (1) betrachtet, die in radiale Dichtarbeit W _r = _Pr - Q _r . -_iR _Q (2) umgesetzt werden soll, für den Fall der zylindrischen Gegenfläche 4, mit Q _a PÜ 7ΓR _Q , der größten Querschnittsfläche der Radial-Dichtlippe 101 AΗ. _Ά = 1 cos ψ • Aψ, der axiale Verschiebungshub bei einer Winkeländerung — Aψ des Anstiegswinkels ψ der Schalenzone 104 mit Länge 1, sowie Q _r = 27ΓRQ • h, die kreishnienförmige Dichtfläche mit Radius RQ und Breite h zwischen Radial-Dichtlippe 101 und Gegenfläche 4, und

_ RQ = AΗ. _& • tan ψ, der radiale Aufweitungshub des Radius RQ durch elasti¬ sche Verformung der Schalenzone 104, des Gegenflächen-Ringsteges 108 und/oder durch elastische/plastische Verformung der Radial-Dichtlippe 101 und/oder Ge¬ genfläche 4.

Bei verhältnismäßig dünnwandiger Ausbildung der Schalenzone 104 im Ver¬ gleich zu ihrer Länge 1 kann die Arbeit ΔWψ =kφ ~F ₀ Λ-Aψ zur elastischen Verkleinerung Aψ des Winkels ψ, mit kφ = const., einer Konstanten, die von der Geometrie und dem. Material der Schale 109 abhängt, gegenüber der Dichtarbeit AW _T vernachlässigt werden. Es gilt dann

___W» « __ W _r , (3) und für den gesteigerten radialen Anpreßdruck p _r ergibt sich

Bei einer Nennweite NW 100 mm, RQ ÄS 50 mm für Winkel v? = 10° bis 25° und Dichtflächen Breiten h = 0,1 bis 0,5 min wird das Verhältnis von aufgewandtem axialen Druck p _a zu resultierendem radialen Dichtdruck p _r also p _r zu sehr hohen Werten gesteigert.

Mit p _a RS F _O /TΓRQ wird aus Gleichung (4) p _r « F _O /271-RQII tan ψ . (4')

Bei Vergrößerung der Nennweite NW, d.h. von RQ, muß für p _r = const. die axiale Preßkraft F _Q nur proportional RQ gesteigert werden.

Durch die axiale Preßbewegung mit Hub AΕ. _& kommt es zu einer Walkbewegung der mit Radius r abgerundeten Radial-Dichtlippe 101 auf der Gegenfläche 4 mit

Rotationshub r _Λ - . rcosω ___

ΔE _T « - • ΔE _a = ^γ A o . (5)

1 RQ tany? ^ '

Für ψ = 15°, RQ =50mm und ARQ = r/2 = 0,25 mm ergibt sich ein Walkhub von nur AR _r « 10 μm.

II'. Dichtvorgang ohne axialen Anschlag

Durch die Hangabtriebskraft Ff, = Fj _> • cos ψ überlagert sich der Walkbewe- gung mit Hub AΗ _T eine zusätzliche Gleit-Reib-Bewegung mit Hub ΔΗ'ή, wenn die radiale Aufweitung ZIRQ zum Teil durch elastische Verformung von Scha¬ lenzone 104 bzw. Ringsteg 108 erfolgt. Es gilt ARl^ = ΔRQ/ _Q • sin φ mit kg ≥ 1 einer Gleitreibungskonstanten, deren Wert nahe 1 hegt im Falle gerin¬ gen Gleitreibungswiderstandes, wie er für die unvermeidliche Walkbewegung vorteilhafterweise durch Aufbringung einer Gleitschicht gewählt wird. Das Verhältnis AΗ.γ/Δ!Αm tu RQ/ _ß • r wird dann Werte deutlich größer 1 an¬ nehmen.

Aus diesen Ausführungen, insbesondere den Gleichungen (4) und (5), ergibt sich für die Dichtungen in den Figuren 7(a), 8 und 9 folgende vorteilhafte Wahl a. für die Geometrie

— Anstiegswinkel ψ und Neigungswinkel ψ' klein (ZylinderτGegenfiäche!)

— Verhältnis r/1 klein, und b. für die Materialien

— elastisches Material für beide Dichtorgane A, B

— wenig duktile bzw. gleich harte Oberflächenmaterialien für die Radial- DichtHppe 101 und die Gegenfläche 4, 2

— dünne Gleitschicht (z.B. Ag) auf DichtHppe und/oder Gegenfläche.

Die Dichtungen mit axialem Anschlag haben im Vergleich zu einer Dichtung ohne Anschlag die folgenden erfindungsgemäßen Merkmale und Vorteile

1. Trennung von SchHeß- und Dicht Vorgang,

2. keine Translations-Bewegung neben der minimierten Rotations-Walk-Be- wegung auf der Dichtfläche 4, 2, 3, 3', dadurch kommt es

3. zu einem radialen Ausgleich von Verkantung, Elliptizität und nicht-kon¬ zentrischem Zusammenführen beim SchHeßvorgang, d.h. zu geringeren Forderungen an die Fertigungs- und SchHeßbewegungstoleranzen und an die Oberflächengüten,

4. zum Aufbau eines gleichmäßigen, rein radialen Dichtdruckes p _r beim Dichtvorgang,

5. zu einer elastischen, radial wirkenden Vor- und Dichtspannung beider Dichtorgane A, B durch den axialen Anpreßdruck p _a an den Anschlag 106, 106', 96, 96', z.B. zum Ausgleich von Ausdehnungsprozessen bei Tem¬ peraturänderung,

6. zur Möglichkeit, den Radius RQ der Radial-Dichtlippe 101 kleiner als den Radius der Gegenfläche 4, 2 in Höhe der späteren Dichtfläche zu wählen, und so die Dichtorgane A und B bis zum Anschlag 106 ohne tangentiale Berührung zusammenzuführen,

7. zur Möglichkeit, zyhndrische Gegenflächen 4, 4' zu verwenden, für welche das Verkantungsproblem minimal wird,

8. zu einem Schutz der vorgesehenen Dichtfläche 4, 4', 2, 3, 3' durch Ring¬ stege, z.B. 108.

Ein großer Teil dieser Merkmale und Vorteile trifft auch zu auf die Radial- Preßdichtungen, die in den Figuren 2 bis 6 und 7(b) dargestellt und im Text weiter oben beschrieben sind, so insbesonders die Punkte 1, 3,4, 6 und 7.

Figur 10 zeigt ein UHV-Schmetterlingsventil mit einer dünnwandigen kon¬ kaven Kugelschalenzone 83 mit Radius R als Ventilsitz, die mittig in eine HohlzyHnderstück 82 angeformt ist. Der Ventilteller besteht aus einer um ei¬ nen Durchmesser D ^2R kippbaren Scheibe 85 mit einer außen angeordneten Radial-DichtHppe 81. Der Teller 85 ist z.B. auf Spitzen gelagert und durch einen Arm 88 mit dem HohlzyHnderstück 82 verbunden. Mit Hilfe eines von außen aufgezogenen und gleichmäßig peripher radial nach innen auf die Kugel¬ schalenzone drückenden Preßgürtels 87 aus einzelnen, miteinander verbundenen GHedern wird diese elastisch verformt und dicht gegen die Radial-DichtHppe 81 des Tellers 85 gepreßt.

Der TeUer wird durch Abstandshalter 86 oder 86' in der Verschlußstenung quer bzw. in der Offenstellung längs im Hohlzylinderstück 82 exakt fixiert und z.B. durch Permanentmagnete 84 leicht festgehalten.

Der Wechsel zwischen Offen- und Verschlußstellung kann z.B. mit Hilfe eines halbringförmigen Hufeisenmagneten 89 und einer Induktionsspule 80 ohne me¬ chanische Durchführungen nach außen durch den HohlzyHnder 82 erfolgen. Bei entsprechender Formgebung der ebenfalls dünnwandigen Seitenteile 83' der Kugelschalenzone 83 kann ein Springdeckel-Effekt zum elastischen Zurückfedern des Ventilsitzes in die Offenweite mit eine Radius R ausgenutzt werden. Der Ventilteller kann in der OffensteUung eingesetzt bzw. ausgebaut werden durch eine kleine diametrale Aufweitung der Kugelschalenzone 83 und der Seitenteile 83' durch geeignete Druckausübung von außen.

Die Radial-DichtHppe 81 ist vorteilhafterweise ballig ausgebildet und aus glei¬ chem oder etwas weicherem Material als der Ventilsitz 83. Bei Verwendung von

--IS- Edelstahl für beide Teile kann auf der Dichtlippe und/oder der Kugelschalen- zone 83 eine dünne, duktilere Schicht, z.B. aus Kupfer mit einigen μm Gold¬ oder Silberschutzschicht, galvanisch aufgebracht werden, wodurch sich der zur Dichtigkeit nötige Anpreßdruck weiter verringert.

Das Ventil kann in geschlossenem und dichtem Zustand auch bei einseitiger Be¬ aufschlagung mit Luftdruck bis 450° C ausgeheizt werden. Eine Einschnürung 85' im Ventilteller verbessert das Ausdehnungsverhalten bei raschem Tempera¬ turwechsel. Die besonderen Vorteile dieses UHV-Schmetterlingsventils bestehen darin, daß

1. es ein Durchgangsventil mit kurzer Baubreite ist,

2. der Scbließvorgang vom Dicht Vorgang getrennt ist,

3. der zur Dichtigkeit nötige geringe, radiale Anpreßdruck von einem äußeren, nicht in den Innenraum reichenden Preßgürtel aufgebracht wird,

4. dessen Preßdruck radial, genau und vollständig an dem Dichtflächenkreis- umfang ausgeübt wird und

5. auch nach einer hohen mögHchen Zahl von Dicht- und Öfϊhungszyklen nur geringfügig erhöht werden muß, und daß

6. keine mechanischen Durchführungen oder Wellbälge benötigt werden,

7. durch die Kugelzonen-Gegenfläche keinerlei Verkantungsprobleme auftre¬ ten, und

8. sich eine axial stationäre, schmale kreislinienfδrmige Dichtfläche ausbil¬ det,

9. wodurch sich die MögHchkeit ergibt, im dichten Zustand ausheizbare, ein¬ seitig dem Luftdruck ausgesetzte Ventile mit Nennweiten NW auch deut- lich größer als 250 mm herzustellen, die

10. leicht und auch mit Fernbedienung elektrisch geöffnet und geschlossen und elektrisch oder pneumatisch gedichtet werden können.

Die Radial-Preßdichtung kann sehr vielseitig und bei sehr vielen MateriaHen der Teile eingesetzt werden, die gegen Über- oder Unterdruck von Gasen oder flüssigen Medien gedichtet werden soHen. Durch Verwendung von gleichem, re- sistenten Material für die Teile mit integrierter Radial-DichtHppe und für die Gegenfläche kann Korrosion wirksam verhindert werden.

Durch folgende Zusatzmaßnahmen kann die Wirkung der Radial-Preßdichtung ergänzt und gegebenenfalls verbessert werden:

— Aushärten oder Oberflächenhärten der Radial-DichtHppen mit nach dem Stande der Technik bekannten Verfahren.

— Teilweises oder gänzHches Anformen der Radial-DichtHppe durch einen Einrollvorgang unter Oberflächenhärtung.

— Aufbringung duktiler Werkstoffe auf die Radial-DichtHppen und/oder auf die Gegenflächen.

— Pohtur der Oberflächen von DichtHppe und Gegenfläche.

Erwärmung der zu dichtenden Teile zur Erleichterung des FHeßpreßvorgangs an der schmalen ringförmigen Dichtfiäche zwischen DichtHppe und Ge¬ genfläche.

Durch diese Zusatzmaßnahmen können Dichtigkeit bei noch geringerem An¬ preßdruck von Radial-Dichtlippe und Gegenfläche, häufigere Mδghchkeit des Lösens, Auswechseins und der WiederhersteUung der Dichtung erreicht werden.