3.3.2.1 O-Ring-Dichtungen und Nuten

Werden Bauelemente in der Vakuumtechnik lösbar zusammengefügt, müssen Dichtungen verwendet werden, damit aus der Umgebung keine Luft ins Vakuum einströmt. Um das zu verhindern, gibt es je nach Anwendung und Druckbereich verschiedene Ausführungen von Dichtungen.

Von allen Dichtungsformen werden O-Ringe am häufigsten verwendet. Es gibt sie in verschiedenen Materialien, meist als Elastomere mit einer Härte im Bereich von 65 bis 80 Shore A. Die Einheit Shore A wird für weiche Elastomere als Kennzahl für die Verformbarkeit verwendet. Je höher die Kennzahl, desto geringer ist die Verformung bei gleicher Krafteinwirkung. Die Eignung von O-Ringen als gute Vakuumdichtungen beruht darauf, dass sie in der Lage sind, sich den feinen Unebenheiten der Dichtungsflächen anzupassen. Ihre Oberfläche muss frei von Trennfett oder Talkum, glatt, ohne Risse oder Kratzer sein. Die Ringe sollen nahtlos gepresst sein, die Teilfuge des Presswerkzeuges soll in der Ebene des Ringdurchmessers liegen und durch Schleifen entfernt werden.

Je nach Anwendung kann der O-Ring mit dem dünnen Film eines Fettes mit niedrigem Dampfdruck (Silikonfett, Fett auf Mineralölbasis oder auf Basis von Perfluorpolyether) überzogen werden. Das Vakuumfett gleicht kleine Unebenheiten in den Dichtflächen und der Oberfläche des O-Rings aus und verbessert dadurch insbesondere bei geringen Verformungsgraden die Dichtwirkung. Dabei muss der Dampfdruck des Fettes beachtet werden, der stark mit der Temperatur ansteigt und deutlich unterhalb des angestrebten Arbeitsdrucks liegen sollte. Zudem ist zu prüfen, ob Bestandteile des Fettes oder geringe Mengen an Kohlenwasserstoffen mit der Anwendung verträglich sind. Bei trockenem Einbau müssen die Oberflächengüte und die Sauberkeit von Dichtflächen und Dichtungsmaterial besondere Beachtung finden. Zudem sollte der Verformungsgrad nicht zu klein gewählt werden, um einen guten Kontakt zwischen O-Ring und Dichtflächen zu gewährleisten.

Der Schnurdurchmesser der O-Ringe beträgt üblicherweise 2 bis 12 mm. Bei vielen Verbindungen beträgt er 5 mm bzw. 5,33 mm im Bereich der zölligen Abmessungen. Der O-Ring wird im Allgemeinen als statische Dichtung verwendet. Wenn eine dynamische Beanspruchung vorgesehen ist, sollte man Präzisions-O-Ringe verwenden, die dafür speziell gefertigt werden, oder alternativ Gleitringdichtungen bzw. Radialwellendichtringe.

Neben der Verwendung in Verbindung mit Zentrierringen oder Dichtscheiben, können O-Ringe auch für axiale oder radiale Nuten verwendet werden. In den meisten Fällen werden die O-Ringe in Nuten eingelegt und zwischen Flanschen verpresst, wobei üblicherweise die Kombination glatter Flansch und Flansch mit Nut verwendet wird. Die Dimensionierung der Nuten muss sorgfältig erfolgen. Allgemein gültige Abmessungen gibt es hierfür nicht. Die in Tabellen von O-Ring-Lieferanten aufgeführten Abmessungen sind lediglich Richtwerte und dienen der Orientierung. Sie müssen vom Nutzer auf die jeweils konkrete Anwendung und Eignung geprüft werden (z. B. durch Versuche). Durch äußere Einflüsse, wie Temperatur, Druck oder Reaktionen mit den verwendeten Fluiden, können Elastomere quellen, schrumpfen, verhärten oder gar rissig werden. Bei der Auswahl des Elastomers und der Auslegung der Nut ist dies zu berücksichtigen. Zudem muss in jedem Betriebszustand die Dichtwirkung ausreichend sein und gewährleistet werden, dass der O-Ring nicht zu stark gepresst wird. Wird durch eine Volumenvergrößerung des O-Rings die Nut überfüllt, kann es zur Beschädigung des O-Rings oder sogar zur Verbiegung der Flanschflächen kommen.

Bei statischer Abdichtung sollte die maximale Verpressung für eine Schnurstärke von 5 mm ca. 25 % betragen. Kleinere Durchmesser dürfen etwas mehr, größere etwas weniger verpresst werden. Eine Verpressung unter 15 % kann in der Praxis, insbesondere bei trockenem Einbau, eine unzureichende Dichtwirkung verursachen. Die Verformungskraft wird im Wesentlichen durch die Schnurstärke und die Härte des Elastomers bestimmt. Um einen O-Ring der Stärke 5,33 mm um 20 % zu verpressen, werden bei einer Härte des Elastomers von 70 Shore A ca. 5 N je mm Dichtlänge benötigt, bei einer Härte von 80 Shore A ca. 7 N/mm.

Zur Erleichterung der Montage wird der Durchmesser der Ringnut meist etwas größer gewählt als der des O-Rings. So bleibt der O-Ring auch während der Montage in der Nut. In der Länge können Elastomerringe unbedenklich um 5 % gedehnt werden. Die maximale Dehnung ist abhängig vom Werkstoff und den Betriebsbedingungen.

Elastomerdichtungen mit trapezförmigen oder ähnlichen Querschnitten werden z. B. bei Ventilsitzen oder auch bei Deckeln und Türen von Vakuumkammern verwendet. Die Trapezöffnung ist so zu dimensionieren, dass der O-Ring einerseits beim Einlegen nicht beschädigt wird und andererseits beim Abheben des Ventiltellers bzw. beim Öffnen der Kammertür nicht herausgezogen wird. Zudem muss bei großen Anpresskräften, wie sie z. B. bei großen Kammertüren auftreten, die Trapeznut ausreichend Platz für den verformten O-Ring bieten, sodass dessen Deformation in Grenzen gehalten wird.

Zum Abdichten von Schrauben, z. B. von Öleinfüll- oder Ölablassschrauben, wird der O-Ring in Ecklage eingebaut. Das Gewinde hat am oberen Ende eine Fase von 45°, in die der O-Ring eingelegt und dann durch die Fläche der Schraube zusammengepresst wird. Die Dichtung sollte geschmiert sein, damit er beim Festziehen nicht beschädigt wird. Zudem muss der Einbauraum größer als das Volumen des O-Rings sein.

Flachdichtungen in Kombination mit planen Dichtflächen, sind in der Vakuumtechnik möglichst zu vermeiden. Hier wird eine schwer zu erreichende hohe Anpresskraft benötigt, damit das Dichtungsmaterial alle Unebenheiten der Oberfläche ausfüllt. Wenn Flachdichtungen verwendet werden, geschieht dies üblicherweise mit umlaufend lokal erhabenen Dichtflächen, z. B. bei der Kombination CF-Flansch mit FKM-Flachdichtung.