3.5 Komponenten und Durchführungen

Eine Vakuumanlage verfügt über eine Vielzahl an Einzelbauteilen, die zu einer Einheit zusammengefügt werden müssen. Mit lösbaren, vakuumdichten Flanschverbindungen lassen sich die Bauteile direkt oder über Vakuumkomponenten, wie Rohrbauteile oder Schläuche verbinden. Dafür steht eine Vielzahl von Standardbauteilen zur Verfügung, hauptsächlich aus Edelstahl, zum Teil auch aus Aluminium. Vakuumverteiler können aus Rohrbauteilen wie Bögen, T-Stücken oder Kreuzstücken aufgebaut werden, Adapter bieten Übergänge von Vakuumflanschen auf Gewinde oder VCR-Verbindungen, Reduzierstücke oder Übergangsstücke machen einen Wechsel unter den Nennweiten oder unter den Flanschsystemen möglich.

Ist der Montageraum begrenzt, sollen möglichst wenige Flanschverbindungen verbaut werden; sind die benötigten Übergänge und Anschlüsse nicht mit Standardkomponenten realisierbar, kommen kundenspezifische Komponenten zum Einsatz. Diese beginnen bei Zwischenstücken in Sonderlängen und enden bei hochkomplexen, individuellen Sonderlösungen

3.5.1 Schläuche und elastische Verbindungen

Die einfachste Form einer elastischen Verbindung ist der Kunststoffschlauch. Größere Nennweiten werden durch eingelegte Metallspiralen verstärkt, um eine Einschnürung zu verhindern. Ihre Enden werden an Schlauch-adapter geklemmt und mit Schlauchschellen fixiert. Da Kunststoff im Vakuum ausgast, sollten derartige Schläuche nur im Grob- und Feinvakuum verwendet werden. Für Drücke kleiner 1 · 10^-4 hPa sind Metallschläuche unabdingbar. Sie werden aus dünnwandigen Rohren in Form von konzentrischen Wellen kalt umgeformt und mit den Flanschanschlüssen hermetisch dicht verschweißt. Geglühte Wellschläuche wurden nach dem Umformen spannungsarm geglüht und haben dadurch ein geringeres Rückstellmoment. Eine Verformung bewirkt jedoch eine erneute Kaltverfestigung, die abhängig vom Grad der Verformung den Effekt des spannungsarmen Glühens wieder aufhebt. Dünnwandige Wellschläuche sind besonders flexibel und leicht zu verformen.

Unter Vakuum ziehen sie sich Wellschläuche zusammen. Der Effekt tritt beim Einsatz flexibler Verbindungen auf, wenn diese hydraulische Elemente darstellen. Abhängig von ihrer axialen Federrate und vom hydraulischen Querschnitts ihres Profils ergeben sich axiale Kräfte, die auf die Flanschverbindungen übertragen werden. Bei großen Nennweiten ergeben sich enorme Zugkräfte, die bei der Auslegung eines Systems berücksichtigt werden müssen.

Während Wellschläuche vornehmlich dazu dienen, zwei Flansche im Raum zu verbinden, dienen Federungskörper zum axialen Ausgleich oder zur Aufnahme von Schwingungen. Ihr Profil ist besonders flexibel, da es in Form einer Omega-Welle gestaucht ist.

Membranbälge werden aus einzelnen, miteinander verschweißten Lamellen gefertigt. Auf einer kurzen Einbaulänge sind große axiale Hübe und Biegewinkel realisierbar. Ein lateraler Versatz ist aufgrund der Steifigkeit der Lamellen nur über relativ viele Membranpaare möglich, indem diese einen S-förmigen Verlauf bilden.

3.5.2 Schaugläser

Schaugläser werden hauptsächlich dazu verwendet, das Innere einer Vakuumkammer auch während des Prozesses zu beobachten. Daher werden in der Regel Borosilikatgläser entsprechender Dicke verwendet und mit Elastomerdichtungen in einem Schauglasflansch verbaut (ISO-KF-, ISO-K- und ISO-F-Schaugläser). Für UHV-Anwendungen und für hohe Temperaturen werden die Gläser metallisiert und mit Schweißlippen zum Ausgleich der Wärmeausdehnung verlötet (Fused-Silica-Glas oder Saphirglas) oder verschmolzen (Kodialglas). Über die Schweißlippen werden sie hermetisch dicht mit dem Schauglasflansch verschweißt. Um Spannungen zu minimieren, sollten CF-Schaugläser nur mit geglühten Kupferdichtungen montiert werden. Zudem muss das Aufheizen und Abkühlen gleichmäßig und nicht zu schnell erfolgen.

Dienen Schaugläser auch dem Transfer von elektromagnetischen Wellen, müssen ihr Transmissionsbereich und ihre optische Qualität berücksichtigt werden. Glashalterungen mit FKM-Dichtungen für Ein-Zoll und Zwei- Zoll Schaugläser erlauben den Einbau optischer Gläser in Vakuumflansche. Schauglasblenden verhindern oder reduzieren die Verschmutzung von Schaugläsern etwa bei Beschichtungsprozessen.

3.5.3 Stromdurchführungen

Die Konstruktion einer Stromdurchführung ist wesentlich davon abhängig, für welche Stromstärke und Spannung sie verwendet werden soll und welche Anforderungen hinsichtlich Vakuumdichtigkeit und Temperaturbeständigkeit gestellt werden. Durchführungen mit organischen Isolierwerkstoffen sind nur für niedere Spannungen brauchbar. Für mittlere Strombelastung werden häufig Gießharzdurchführungen verwendet. Gießharz ist als Isolator und als Vakuumdichtung für nicht allzu hohe Temperaturen gut geeignet. Durchführungen mit Glasmetallverschmelzungen sind hinsichtlich ihres Isolationswiderstandes und ihrer Vakuumdichtigkeit hervorragend als Hochspannungs- und Schwachstromdurch- führung für elektronische Geräte geeignet.

Durchführungen mit Keramikisolation haben eine höhere mechanische Stabilität und eine höhere Temperatur-beständigkeit als Glas. Außerdem kann Keramik (z. B. Aluminiumoxid) in einer für Hochspannung geeigneten Isolatorform hergestellt werden. Aus diesen Gründen sind Keramikdurchführungen für hohe Spannungen und hohe Leistungen den Glasdurchführungen überlegen. Für höchste Anforderungen elektrischer, thermischer und vakuumtechnischer Art kommen nur feste Metall-Keramik-Verbindungen in Betracht.

Allgemein muss berücksichtigt werden, dass höhere Temperaturen sowohl die elektrische Isolationswirkung herabsetzen als auch die Stromtragfähigkeit der Leiter mindern. Wenn nichts anderes vermerkt ist, beziehen sich die elektrischen Betriebsdaten auf Raumtemperatur. Zudem gelten die maximalen Betriebsspannungen nur bei einem Vakuum kleiner 1 · 10^-4 hPa. Bei höheren Drücken kann es bei geringen Abständen zwischen Leitern mit großem Spannungsunterschied zu Gasentladungen und Spannungsüberschlägen kommen. Im gefährdeten Druckbereich zwischen 1 · 10^-3 hPa und 10 hPa sind entsprechende Weglängen zwischen Leitern mit hoher Spannung vorzusehen. Alternativ können ein Verguss mit Gießharz oder Abschirmungen aus Glas- oder Keramikrohren Abhilfe schaffen.

Stromdurchführungen gibt es als Drahtdurchführungen, als Mehrfachdurchführungen mit Stecker oder als Durchführungen mit Coaxialsteckern. Es gibt Varianten speziell für die Übertragung von hohen Strömen oder Spannungen oder von vielen Signalspannungen auf einem engen Bauraum.

3.5.4 Weitere Durchführungen

Thermoelementdurchführungen übertragen kleine Thermospannungen und müssen auf das verwendete Thermoelement abgestimmt sein. Die Materialien der Leiterpaare für Thermoelemente müssen entweder identisch mit denen des Thermoelements sein oder zumindest thermoelektrisch vergleichbar, sodass eine thermoelektrisch neutrale Übertragung der Thermospannung erfolgt. Für Mantelthermoelemente sind zudem elastomergedichtete Durchführungen verfügbar, deren O-Ringe den Mantel vakuumdicht umschließen.

Fluiddurchführungen sind in Flansche eingeschweißte Rohre, deren Enden offen oder mit Swagelok®- oder VCR-Verschraubungen versehen sind. Für die Durchleitung von kalten oder heißen Fluiden werden doppelwandige Verrohrungen verwendet, bei denen die medienführenden Rohre thermisch gegen den Flansch isoliert sind.

Isolatoren werden eingesetzt, um Bereiche galvanisch zu entkoppeln. Die hermetisch dicht an Flanschanschlüssen verlöteten Keramiken können abhängig von der Länge der Isolationsstrecke große Potenzialunterschiede im hohen kV-Bereich trennen.

Rohrdurchführungen klemmen über zwei in Reihe liegende Elastomer-O-Ringe Glas- oder Metallrohre vakuumdicht ein.