Die Erfindung betrifft eine Drehmomentabsicherung zwischen zwei miteinander verbundenen Flanschseiten gemäß des ersten sowie eine Flanschverbindung mit der Drehmomentabsicherung gemäß des achten Patentanspruchs. Eine vorgenannte Drehmomentabsicherung dient somit der Absicherung der Flanschverbindung gegenüber von einer Flanschseite auf die andere Flanschseite einwirkenden Drehmomenten, insbesondere nur temporär einwirkenden Drehmomentüberhöhungen oder Drehimpulsen (Drehmomentspitzen) , die aufgrund des damit eingehenden Energieabbaus eine Beschädigung der Verbindung z.B. durch Abdrehen hervorrufen könnten. Drehmomentspitzen treten beispielsweise bei abrupt beschleunigenden oder retardierenden rotierenden Komponenten auf, die unmittelbar auf eine Flanschseite einwirken.

Eine beispielhafte Anordnung umfasst eine Flanschverbindung zwischen einer Rohrverbindung oder einer Wandungsöffnung beispielsweise eines Druck- oder Vakuumbehälters und einer schnell drehenden Kreisel- oder Turbopumpe, wobei bei einem schlagartigen Blockieren des Pumpenrotors schlagartig ein

DrehmomentImpuls in dem mit der Flanschseite fest verbundenen Pumpenstator erzeugt wird und von diesem über die pumpensei- tige Flanschseite auf die andere Flanschseite übertragen wird und von diesem aufgefangen werden muss .

Eine Flanschverbindung besteht aus den beiden genannten Flanschseiten, die jeweils über eine Flanschfläche verfügen. Die beiden Flanschflächen liegen aufeinander und werden vorzugsweise über Schraubverbindungen dichtend miteinander ver- bunden. Damit dient eine Flanschverbindung der Herstellung einer lösbaren und vorzugsweise auch über umlaufende Flanschflächen dichtenden Verbindung oder zum Schließen von Rohren, Maschinenteilen oder Gehäusen. Zur Sicherstellung einer Dichtigkeit wird eine sich über die gesamte Flanschfläche auf diese erstreckende möglichst homogene Flächenpressung angestrebt. Üblicherweise wird dies durch eine Vielzahl an vor- zugsweise gleichmäßig über den Umfang verteilten Verbindungsschrauben realisiert.

Um die vorgenannten Drehmomentspitzen durch die Flanschverbindung möglichst schadlos abzufangen, werden oftmals über- dimensionierte Schraubverbindungen vorgesehen. Aufgrund der formschlüssigen Durchdringung der Verschraubungen durch beide Flanschflächen werden durch diese jedoch die Drehmomentspitzen ungedämpft übertragen, was wiederum eine Beschädigungsgefahr der nachfolgenden Rohre, Maschinenteile oder Gehäuse darstellt.

Alternativ zu den Schraubverbindungen sind in der Vakuumverbindungstechnik Flanschschellen geläufig. Flanschschellen umgreifen von außen beide Flanschseiten, die durch ein Anziehen der Flanschschellenarretierung über die Flanschflächen anein- andergepresst werden. Damit repräsentiert eine solche

Flanschverbindung in Bezug einer Drehmomentaufnahme nicht mehr ein formschlüssiges, sondern ein reibschlüssiges Konzept. Eine Drehmomentspitze ist damit über diesen Reibschluss und der damit einhergehenden reibenden Verschiebung oder Verdrehung der Flanschflächen gegeneinander gegenüber der vorgenannten formschlüssigen Schraubverbindung wesentlich sanfter und für angrenzende Komponenten schonender abbaubar. Die für eine Verdrehung erforderlichen Drehmomente sind dabei unab- hängig zum bereits zurückgelegten Verdrehungswinkel. Eine solche Verdrehung oder Verschiebung ist jedoch nicht immer tolerierbar.

Ferner zählen zum Stand der Technik Flanschverbindungen, bei denen sporadisch auftretende Drehmomentspitzen zumindest teilweise über zusätzliche Komponenten wie Zwischenflansche oder Drehmomentstützen aufgefangen und ihre Wirkung reduziert werden. In der DE 10 2007 059 257 A1 wird beispielshaft eine Anordnung mit einer Vakuumpumpe mit einem sehne11drehenden Rotor und einem Stator vorgeschlagen, bei der der Stator über eine Schraubflanschverbindung über ein Zwischenflansch an einer Vakuumkammer angesetzt ist. Exzentrisch und außerhalb des Zwischenflanschs sind die Flanschseiten über eine Schraubverbindung zur Aufnahme von Crashmomenten zusätzlich miteinander verbunden.

Ebenso offenbart die DB 10 2006 058 672 A1 eine Anordnung mit einer Vakuumpumpe mit einem sehne11drehenden Rotor und einem Stator. Um im Falle eines Rotor-Stator-Kontakts freiwerdende Drehmomente sicher aufzufangen, wird parallel zur Flanschverbindung ein zusätzliches drehmomentsicheres Sicherungsmittel wie z.B. eine Tragstruktur vorgeschlagen, welches das Rotor- gehäuse mit einer Drehmomentsenke verbindet.

Auch die US 7.798.788 B2 beschreibt eine Flanschverbindung für eine Anordnung mit einer Vakuumpumpe mit einem schnelldrehenden Rotor und einem Stator, wobei die Flanschverbindung zur Aufnahme von Drehmomentspitzen mit einem Zwischenring und in diesem und zugleich in die angrenzenden Flanschseiten formschlüssig eingesetzte flexible Elemente vorgesehen ist.

Davon ausgehend ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Dreh- momentabsicherung sowie eine Flanschverbindung vorzuschlagen, die die vorgenannten Einschränkungen und Nachteile nicht aufweisen und dennoch einen zuverlässigen Verdrehschutz der Flanschverbindung gegenüber Drehmomentimpulsen zulassen. Eine weitere Aufgabe liegt darin, eine Flanschverbindung mit einer Drehmomentabsicherung vorzuschlagen, die sich für einen Anschluss von rotorbetriebenen Pumpen an einen Oberdruckoder Unterdruckbehälter besonders eignet und eine hohe Zuver- lässigkeit in der Dichtigkeitswirkung auch bei einem Versagen der Pumpe sicherstellt.

Die Aufgabe wird durch eine Drehmomentabsicherung mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs sowie durch eine

Flanschverbindung mit den Merkmalen des achten Patentanspruchs gelöst. Hierauf rückbezogene Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen wieder.

Ein wesentlicher Grundgedanke der Erfindung liegt darin, die Flanschverbindung so zu gestalten, dass beim Einwirken eines Drehmomentimpulses dieser schon mit der beginnenden Verdrehung der beiden Flanschseiten gegeneinander durch Reibung in seiner Impulshöhe reduziert wird, wobei die Reibung nach Überwindung der Haftreibung in eine Gleitreibung übergeht, jene mit dem Verdrehwinkel zunimmt und bei Erreichen eines Maximalverdrehwinkels ohne weitere Verdrehung in einen formschlüssigen Widerstand übergeht. Ziel dabei ist, den Impuls bei Erreichen des Maximalverdrehwinkels schon so zu reduzieren, dass er bei Erreichen des Formschlusses keinen Schaden der Flanschverbindung mehr anrichtet.

Der formschlüssige Widerstand wird dabei vorzugsweise nicht durch ein Auftreffen auf einen unflexiblen diskreten Anschlag gebildet, sondern entsteht mit dem mit dem Verdrehwinkel zu- nehmenden Widerstand durch Reibung einerseits und durch die zunehmenden Kräfte bei dieser Reibung einhergehenden kalkulierbaren und vorzugsweise ausschließlich elastischen Verformung eines Anschlagbereichs, wobei sich dieser Anschlagbereich weiter bevorzugt zugleich die Reibfläche bildet und die zunehmende Reibung durch eine zunehmende Anpresskraft auf die Reibfläche verursacht wird.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Drehmomentabsicherung zwi- sehen zwei miteinander verbundenen Flanschseiten vorgeschlagen, wobei die Flanschseiten um eine Symmetrieachse koaxial zueinander angeordnet sind. Eine erste Flanschseite umfasst eine umlaufende nach außen weisende Mantelfläche, wobei jene in ihrem Querschnitt die Form eines regelmäßigen um die Sym- metrieachse angeordneten Vielecks mit N Ecken und N Mantelflächensegmente aufweist. Die Mantelflächensegmente der Mantelfläche sind vorzugsweise eben und weisen radial nach außen. Sie bilden die vorgenannte Reibfläche. Die Mantelfläche ist entweder integraler Bestandteil der ersten Flansch- seite oder eines mit der ersten Flanschseite fest z.B. mit einer Verschraubung verbundenen Ringelements. Naturgemäß sind dabei die radialen Abstände der Mantelflächensegmente zur Symmetrieachse stets kleiner als die radialen Abstände der Ecken zur Symmetrieachse.

Die Ecken und Mantelflächensegmente sind vorzugsweise koaxial zur Symmetrieachse angeordnet oder schneiden sich im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung in ihrer Erstreckung mit der Symmetrieachse in bevorzugt einem Schnittpunkt in ei- nem spitzen Winkel, vorzugsweise zwischen 0,1 und 45°, weiter bevorzugt zwischen 10 und 30°. Dieser Schnittpunkt liegt vorzugsweise proximal zur ersten Flanschseite, sodass die Mantelfläche durch einen entstandenen Überstand von einer distal zu der ersten Flanschseite angeordneten zweiten Flanschseite nicht nur reibschlüssig, sondern in vorteilhafter Weise auch formschlüssig greifbar ist.

Die zweite, der ersten gegenüberliegende Flanschseite weist eine regelmäßig um die vorgenannte Mantelfläche angeordnete und auf diese einwirkende Halteelemente auf. Vorzugsweise sind die Haltelemente mit Schrauben auf die zweite Flanschseite befestigt, wobei die Schrauben vorzugsweise parallel zur Symmetrieachse angeordnet sind und die Halteelemente von jeweils eine Schraube durchdrungen und auf diesen grundsätz- lieh drehbar und durch Anziehen der Schrauben reibschlüssig arretierbar sind. Die Halteelemente weisen hierzu vorzugsweise eine Ourchgangsöffnung zur Aufnahme eines Schraubenschafts auf. Ferner umfasst jedes Haltelement je eine

Kontaktflache (Pufferfläche) als Gegenfläche zu den Mantel- flächensegmenten, d.h. zu den Reibflächen.

Vorzugsweise ist je Mantelflächensegment genau ein Halteelement mit einer Schraube vorgesehen, wobei ebenso bevorzugt jeweils nur jeweils eine Kontaktfläche und damit nur ein Hal- teelement mit jeweils nur einem Mantelflächensegment zusammenwirken, d.h. die Kontaktflächen überspannen hier keine Ecken der Mantelfläche.

Ein wesentlicher Grundgedanke der Erfindung ist, die Halte- elemente radial so nahe innen an die nach außen weisende erste Mantelfläche heran zu positionieren, dass sie vorzugsweise direkt an den Mantelflächensegmenten anliegen (vorzugsweise Festkörperkontakt, Ausgangslage) , aber bei einer Verdrehung der Flanschseiten gegeneinander nicht oder nur mit einer Verschiebung oder Verformung radial nach außen über die auf der ersten Mantelfläche radial weiter außen liegenden Ecken verschoben werden können. Davor verschiebt sich die Reibfläche der Halteelemente auf den Mantelflächensegmenten mit der Verdrehung der Flanschseiten gegeneinander vorzugs- weise kontinuierlich radial nach außen, wodurch sich die Auflagekraft und damit die Reibkraft auf der Reibfläche erhöht.

Ist die genannte Verschiebung oder Verformung rein elastisch, kommt es nicht sofort zu einer Veränderung oder gar Zerstö- rung von Teilen der Flanschverbindung, sie sind bei einer nachfolgenden Wartung oder einfachen Rückstellung der Verdrehung - sofern ein Austausch nicht vorgeschrieben ist - in vorteilhafter Weise grundsätzlich wieder verwendbar. Druckführende Flanschverbindungen z.B. an Vakuum- oder Druckbehäl- tern lassen sich dabei in vorteilhafter Weise ohne einen Druckanpassung, d.h. im laufenden Betrieb zurückstellen.

Dagegen sind die bei einer plastischen Verschiebung oder Verformung vorzugsweise der Stifte oder Schrauben der Halteele- mente ein Austausch dieser verformten Elemente erforderlich, was einer Reparatur im laufenden Betrieb im Wege steht. Im Gegenzug lassen sich plastisch verformbare Elemente für eine zusätzliche Energieabsorption aus dem Drehmomentimpuls nutzen, ohne dass es gleich zu einem spontanen Versagen der Flanschverbindung kommt.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Halteelemente und deren Anordnung sieht ferner vor, die vorgenannten Schrauben oder Stifte der Halteelemente in einem spitzen Winkel vorzugsweise zwischen 0,1 und 15°, weiter bevorzugt zwischen 1 und 10°zu den Mantelflächensegmenten auszurichten, wobei sich der spitze Winkel von der zweiten Flanschseite weg aufspannt. Mit einem Anziehen der Schrauben oder Vorspannen der Halteelemente auf den Stiften werden die Halteelemente in vorteilhafter Weise zu den jeweiligen Mantelflächensegmenten bewegt und an diese angepresst.

Die Halteelemente sind vorzugsweise Klotzelemente mit einer Pufferfläche als Reibfläche gegenüber den Mantelflächenseg- menten. Die Reibfläche besteht vorzugsweise aus einem Bremsbelag aus den hierfür gängigen Materialien oder Verbundwerkstoffen, der zur Mantelflächensegmente (vorzugsweise Stahlwerkstoff) einen hohen Reibwert aufweist, ohne mit ihm sich durch Dauerbelastung im Betrieb z.B. durch Reibschweißung zu verbinden. Die Pufferflächen liegen dabei an den Mantelflä- chensegmenten an und sind zur Sicherstellung dieses Anliegens auch bei einer Verdrehung vorzugsweise schwenk- oder drehbar gelagert. Sie umfassen hierzu bevorzugt eine Stift- oder Schraubverbindung als Haltemittel zur zweiten Flanschseite, wobei die Stift- oder Schraubverbindungen parallel zueinander und zur Symmetrieachse ausgerichtet sind oder sich mit dieser an einem gemeinsamen Punkt kreuzen.

Weiter bevorzugt weisen die Stift- oder Schraubverbindung weiter jeweils einen arretierbaren Exzentermechanismus auf. Eine Ausgestaltung der Haltelemente sieht hierfür einen zusätzlichen zylindrischen Einsatz für die Durchgangsöffnung vor, der wiederum eine außermittige Längsdurchgangsbohrung für die Schraube aufweist. Durch diese Exzenteranordnung lässt sich durch Verdrehen des Einsatzes, das jeweilige Halteelement die jeweiligen Mantelflächensegmente heranfahren und durch Anziehen der Schraube in der Position fixieren. Das Verdrehen erfolgt in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung allein mit dem Anziehen der Schraube, wobei die Längsdurch- gangsbohrung vorzugsweise als Reibpassung zum Schraubenschaft oder Stift dimensioniert ist. Alternativ ist der Einsatz länger als die Durchgangsöffnung oder steht zumindest an einer Seite Uber das Öffnungsende hervor, wobei ein aus der Durchgangsöffnung überstehenden Bund vorgesehen ist, der in seinem Durchmesser dem der Durchgangsöffnung übersteigt und mechanisch, vorzugweise formschlüssig greif- und verdrehbar ist (z.B. über einen Maulschlüssel) .

Vorzugsweise werden die Halteelemente mittig zu den jeweili- gen Mantelflächensegmenten angeordnet, d.h. in der Position, in der sie radial eine möglichst weit nach innen reichende Lage einnehmen. Dies hat zur Folge, dass sich mit zunehmenden Verdrehwinkel aus der Ausgangslage die Kontaktflächen zwischen Mantelflächensegmenten und Halteelementen mit den Man- telflächensegmenten auch zunehmend nach außen verschoben wer- den. Damit erhöhen sich die Pressving und damit auch die Reibung zwischen Mantelflächensegmenten und Haltelementen mit dem Verdrehwinkel überproportional oder exponentiell so weit, bis eine formschlüssige Blockade der Halteelemente vor Errei- chen der jeweiligen Ecken eintritt (Maximalverdrehwinkel) . Mit zunehmenden Verdrehwinkel ist ein entsprechend überproportional oder exponentiell zunehmendes Reibmoment zu überwinden, d.h. eine abzufangende Drehmomentspitze wird durch eine mit dem Verdrehwinkel zunehmenden Reibung und damit von Beginn der Verdrehung an einem zunehmenden Energieverbrauch abgefangen. Einer einwirkenden Drehmomentspitze steht damit ein mit dem Verdrehwinkel überproportional zunehmendes Reaktionsdrehmoment gegenüber . Ein weiteres Verdrehen über den Maximalverdrehwinkel ist ohne ein Verschieben der Halteelemente radial nach außen nicht möglich. Die bis zum Erreichen des Maximalverdrehwinkels bereits signifikant ansteigende Reibung bewirkt in vorteilhaf- ter Weise ein entsprechendes Abbremsen der Verdrehbewegung der beiden Flanschseiten gegeneinander, sodass das Erreichen des Maximalverdrehwinkels nicht einem Anfahren eines Anschlags gleichkommt, sondern in vorteilhafter Weise einem Anfahren gegen einen kontinuierlich ansteigenden Widerstands. Gegenüber den Lösungen des Stands der Technik erfolgt eine Begrenzung der Verdrehung durch den Maximalverdrehwinkel bei schon einem wesentlich geringeren Verdrehwinkeln bei gleichzeitig geringen Widerständen bei geringen Verdrehwinkeln.

Das durch Reibung und zunehmenden Formschluss hervorgerufene Reaktionsdrehmoment wird in seinem Verlauf (Topographie) durch die Ausgestaltung der Mantelflächensegmente bestimmt. Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, die Mantelflächensegmente eben zu gestalten. Ebenso liegen die Mantelflächen und die Halteelemente vorzugsweise ohne Belastungsspitzen vorzugsweise plan aufeinander. Die Ecken sind vorzugsweise koaxial zu den Halteelementen und vorzugsweise zur Symmetrieachse angeordnet oder schneiden sich in ihren Erstreckungen mit der Symmetrieachse der Flanschverbindung. Flanschverbindungen der vorgenannten Art dienen meist der fluidischen und fluiddichten Verbindung zweier Hohlräume miteinander. Hierzu verfügen die Flanschseiten der Flanschverbindung vorzugsweise über jeweils ringförmige Dichtmittel abseits der Drehmomentabsicherung, die dichtend aufeinander liegen.

Drehmomentspitzen und die vorbeschriebene Problematik treten bei Flanschverbindungen der vorgenannten Art insbesondere dann auf, wenn mindestens eine der beiden Flanschseiten als Trägerelement für eine Pumpe mit einem schnelldrehenden Rotor mit Umdrehungszahlen über 10000 Umdrehungen pro Minute, z.B. für eine Turbomolekularpumpe zur Erzeugung eines Vakuums dient. Drehmomentimpulse treten insbesondere dann auf, wenn der Rotor blockiert und das der Impuls direkt auf die

Flanschverbindung übertragen wird. Insbesondere bei der Evakuierung größerer Vakuumbehältern, beispielsweise dem Massen- spektrometer im Rahmen des Karlsruher Tritium Neutrino Experiments (Katrin-Projekt) des Karlsruher Instituts für Technologie, bei denen ein Vakuum über längere Zeit und über ein Volumen größer 100 m ³ aufgebaut wird, würde eine Zerstörung eine der Flanschverbindungen zu einem spontanen Druckaufbau im Vakuum führen und damit eine erheblicher Zeitverzögerung bei der Durchführung der Versuche bewirken. Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels für den vorgenannten Vakuumbehälter mit Anschluss für eine Turbomolekularpumpe für das vorgenannte Katrin-Projekt des Karlsruher Instituts für Technologie mit Figuren näher erläutert. Es zeigen Fig.1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Flanschverbindung zwischen einer Turbomolekularpumpe und einer Wandung eines Vakuumbehälters, Fig.2 eine perspektivische Explosionszeichnung der in Fig.1 dargestellten Ausführung mit Turbomolekularpumpe,

Fig.3 eine perspektivische ExplosionsZeichnung der in Fig.1 dargestellten Ausführung ohne Turbomolekularpumpe sowie

Fig.4 eine Detailansicht eines Halteelements gemäß Fig.1 bis 3.

Ein Einsatzbeispiel für die Flanschverbindung ist in Fig.1 beispielhaft für eine Verbindung zwischen einer Turbomolekularpumpe 1, 5 und einer Wandung 4 eines nicht weiter dargestellten Vakuumbehälters dargestellt. Die Turbomolekularpumpe weist einen normaldruckseitigen Pumpenteil 1 und einen vaku- umseitigen Pumpenteil 5 auf, wobei letzterer durch eine öff- nung der Wandung 4 in den (unten liegenden) Vakuumbereich hinein. Um die Öffnung herum sind eine Vielzahl von Halteelementen 3 angeordnet, die radial von außen auf eine gleiche Anzahl von Mantelflächensegmenten der Mantelfläche der Turbomolekularpumpe angreift .

Alle in Fig.1 dargestellten Komponenten finden sich auch in der perspektivischen ExplosionsZeichnung gemäß Fig.2 wieder. Fig.3 gibt dagegen die Ausführung der Flanschverbindung ohne den normaldruckseitigen Pumpenteil 1 wieder.

Die Flanschverbindung weist mit ihren Reibflächen radial nach außen weisende Mantelflächensegmente 2 auf, die in der dargestellten Ausgestaltung durch jeweils zwei Schrauben auf einen zum vakuumseitigen Pumpenteils 5 zählenden Bund fixiert sind. Ein wesentlicher Vorteil einer Bauform der Flanschverbindung mit separaten vorgesehenen und flanschseitig fixierten Mantelflächensegmenten liegt darin, dass die Mantelflächenseg- mente individuell austauschbar, ausrichtbar und nachjustierbar sind, zugleich aber auch durch die dargestellte Schraubverbindung wie auch ihnen jeweils die gegenüberliegenden Halteelemente durch die Schraubverbindung reibend nachgeben und damit im Falle einer Verdrehung in vorteilhafter Weise zu-. sätzlich Energie adsorbieren.

Erkennbar in Fig.2 und 3 ist auch, dass die Öffnung in der Wandung rund ist und dessen Innendurchbruchflächen einen Spalt mit der Mantelfläche des vakuumseitigen Pumpenteils 5 bilden. Dieser Spalt dient der Aufnahme eines ringförmigen Dichtmittels abseits der vorgenannten Mantelflächensegmente und Halteelemente, d.h. abseits der Drehmomentabsicherung.

Fig.4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des Halteele- ments 3 im Detail. Es umfasst ein Klotzelement 6 mit einer Pufferfläche, wobei im eingebauten Zustand (vgl. Fig.1) die Pufferflächen an den Mantelflächensegmenten anliegen. In einer Bohrung des Klotzelements ist ein Exzenterrohrelement 10 mit oben hinausragenden formschlüssig greifbaren Sechskant- verstellkopf 8 (andere Formen sind auch möglich) und eine in das Exzenterrohrelement eingeschobene Schraube mit Gewindeende 9 und Schraubenkopf 7 eingesetzt. Mit dem Gewindeende wird das Haltelement in Gewindelöcher der zweiten Flanschseite, im Beispiel der Wandung um die vorgenannte Öffnung einge- schraubt und vor einem endgültgien Anziehen der Schrauben über das Exzenterrohrelement so justiert, dass ein vorzugsweise vorgespannter Festkörperkontakt zwischen Pufferfläche und Mantelflächensegment, d.h. im Bereich der Reibfläche entsteht . Die Schraubverbindungen sind im Ausführungsbeispiel nicht in ihrem Winkel zur Flanschverbindungs-Symmetrieachse justierbar Die Fufferfläche ist zudem leicht gebogen gestaltet, um eventuelle Winkelunterschiede zwischen Pufferfläche und Mantel- flächensegmente auszugleichen.