|
第十讲:真空密封
王继常
(东北大学)
3 可拆密封连接
在真空系统需要经常拆卸的地方，应用可拆密封连接，这种连接在密封性能和机械强度上虽然不如永久连接，但是真空系统某些地方是需要经常惊醒拆卸的，因此这种连接用得较多。其结构有如下几种。
3.1 挠性连接
挠性连接件主要有三种，即真空橡胶管、塑料管和波纹管。真空橡胶管是用橡胶制成的一种厚壁管，多用于口径小于50mm的机械真空泵入口处，也可以连接玻璃管、金属管及其零件。真空橡胶管连接的接头种类很多，最简单的方法是把插入橡胶管端部的接头做成图7所示的台阶形。
3.2 用于静连接的弹性体密封垫圈
由于弹性体具有弹性好、受压时体积不变，可堵塞漏气路径等一系列特点，因此把氯丁橡胶、丁腈橡胶、氟橡胶、硅橡胶、聚四氯乙烯等弹性体制成圆形截面或矩形截面的环，然后将其夹在两个连接件之间并压缩，如图8所示，即可实现真空静连接密封的目的。这种弹性体垫圈的密封性能主要取决于弹性体和被连接件之间接触面的粗糙度及弹性体本身的透气性、放气率和蒸气压等因素。为了消除这些因素对密封性能的影响，接触部位金属表面的粗糙度至少要求加工到3.2/Δ，而且应尽量设计得使弹性体暴露在真空侧的表面最少。图9给出了垫圈密封的各种形式。其中圆弧形槽和梯形槽加工较为困难。最后一种由于完全没有凸缘和凹槽，两个连接件都是平面，弹性体被定位垫圈所定位，故加工容易，装配迅速，互换性也好。根据这种结构制成的快速拆卸真空密封法兰，已制定了国际标准，其通径有10mm、16mm、25mm、40mm等四种规格。其结构如图10所示。图中a为夹具夹紧式，b为袋状螺母拧紧式，前者是把两个密封法兰作成平面而取代了密封槽从而简化了密封满的加工。在紧固时为防止O型环串动可采用O形环座。快速拆卸法兰的特点是拆卸容易，迅速可靠。
3.3 用于静连接的金属密封垫圈
为了适应超高真空系统进行高温烘烤的需要，在超高真空管道连接处应采用金属密封垫圈，其材料大都是具有延展性好、蒸气压低的一些金属及合金（如铟、铝、铜、银、金、蒙耐尔合金等）。金属密封垫圈与弹性体垫圈相比较虽然具有放气量小、渗透率低、能耐高温烘烤等优点，但是密封时需要有较大的压紧力和较严格的调整技术，而且重复使用次数也较少。
与弹性体O形圈相类似的金属密封垫圈是丝形圈。如图11所示，把丝形圈夹压在两个法兰之间即可达到密封的目的。图中（a）适用于铟丝，因为它在小的压力下就可变形，但铟的熔点较低，不能烘烤到高温。铝丝可烘烤到400oC，但需要较大夹紧压力。图中（b）适用于可重复烘烤到450oC温度也不漏气的金丝密封垫圈。金丝在作为垫圈使用前必须退火以增大延展性。铜丝垫圈较少使用，因为它与不锈钢法兰的膨胀系数差别太大，在热循环中会漏气。
金属密封垫圈密封的最经常采用的形式是剪切一个矩形截面的铜环。图12就是利用这种原理的四种密封形式。图中a为交错阶形密封；b为重叠阶形密封。这类密封垫圈一般只用一次。图中c是矩形截面金属垫圈密封的另一种形式。密封作用形成在刀缘两边，调整压力可改变卡入深度。用钝的刀口是为了保证法兰与垫圈的接触良好。图中d是锥形刀缘密封。c、d两种密封形式均可重复使用几次。
3.4 用于静连接的双重密封垫圈
3.4.1 双重密封圈的密封效果
真空橡胶圈在密封时，通过它所渗漏的气体量与许多因素有关。例如橡胶的种类、硬度、蒸气压、压缩量，密封面的表面粗糙度、温度等等。但最重要的影响因素是密封圈内外两侧的压力差。实验证明：密封圈两侧压差的减小，可极大地提高其密封性能。
图13是双重密封圈的原理图。图中a是单垫圈的结构，这时设大气压为Pd，真空泵对被抽容器的有效抽气速率为Se，由Se而获得的被抽容器内的压强为P，经过密封垫圈漏隙由大气Pd漏入到真空容器中的气体量为Q，根据气流连续性方程，则
Q=SeP=C（Pd-P） （1）
式中C是密封圈与法兰间漏隙的流导。显然
P=[C/（Se+C）]Pd （2）
如果使用双重垫圈密封，并在双重垫圈之间用抽速为S1的真空泵抽空，在双重垫圈之间建立起P1压强值。设此时真空室内的压强值为P`，如图13（b）所示。则
P`=[C/(Se+C)]P1 (3)
两种情况相比较，显然
P`=（P1/Pd）P （4）
双重垫圈之间若用油封式机械泵抽空，建立P1=101Pa的压强是很容易做到的，而大气压Pd=105Pa，所以P`=10-4P。可见使用双重垫圈密封，并在双重垫圈之间抽空，可以极大地提高所获得的真空度。
3.4.2 双重密封法兰结构
图14是采用两个O型橡胶圈，在内外O形圈之间设有排气空腔，用真空泵抽气的密封法兰结构。图15是橡胶O形圈1与金属O形圈1与金属O形圈2相结合的用于超高真空设备中的密封法兰结构。因为在真空度高于1.3×10-3Pa的真空设备中所采用的橡胶O形圈对真空度的影响主要有两个因素，一是材料本身的透气性；二是材料本身的蒸发或升华。前者在真空度1.3×10-3~1.3×10-4Pa时影响最显著，后者在真空度为1.3×10-5~1.3×10-7Pa时影响最显著。因此这种结构在设计上把超高真空侧的密封圈选用金属材料是较为合适的。如内侧真空容器温度较高时，外环应采用水冷，以防止橡胶过热老化。此外，在金属O形圈的外表面上还可以涂上聚四氟乙烯，这样会使O形圈与相应密封接触面间的凸凹完全填满、紧密贴合，从而可进一步提高其密封性能。这种密封装置只要把空腔用真空泵抽空到1.3×10-3Pa，则获得1.3×10-9Pa的超高真空是完全可能的。
3.5 真空规管的密封连接
真空规管密封连接的形式如图16所示。靠拧紧螺母或压帽压缩胶圈来实现密封。
3.6 电输入密封连接
3.6.1 电输入密封的设计要求
将电输入到真空容器中去进行供电，在各种真空设备上是经常遇到的，对于金属真空设备来说，这种引电装置最好采用可拆卸的连接密封，这样便于维修。从输入的电流、电压、频率和输电线的温度等因素考虑，对输电线本身及真空密封材料的设计要求是
①引线装置的真空密封多采用橡胶做密封圈，因此对大电流、高温处应采用水冷，以防止温度过高时破坏真空橡胶圈和影响真空室的真空度。
②真空密封应可靠，对导电紫铜棒应当要求有较高的精度和较好的表面粗糙度，并且在装配时应涂以真空油脂。
③输电线的直径应大小适当，不应使电流密度过大，以防输电线过热。
④由于输电线上有一定的电压，因此必须使它与连接密封处绝缘，特别是高压输电线，更不能忽视。绝缘才力哦啊的选用，应根据电压大小，温度的影响等因素，去考虑材料的电阻率，表面电阻率，击穿电压等问题。常用的绝缘材料的电阻率，表面电阻率，击穿电压等问题。常用的绝缘材料有真空橡胶，玻璃，陶瓷、玻璃布板、玻璃布棒、黄蜡布，聚四氟乙烯等。
⑤应考虑频率的影响。在低频下频率对密封的影响并不大，但是在高频下，输电线同绝缘材料应按特殊要求确定。例如，当频率达到108Hz以上时，用作输电线的某些材料的电阻率可能超过允许值，如可伐合金用作高频时，由于高频损耗，绝缘体的密封就会被加热到不允许的程度。因此必须降低输电线的电阻率或采用其他材料。
⑥应考虑温度的影响。对于需要烘烤的输电线，应能承受500oC高温。必须区别引线在烘烤时，无电流时所承受的烘烤温度及工作时发热的两种情况。如果输电线被加热，在结构中应避免用任何不能承受温度的材料。
3.6.2 电输入密封的结构
常用的电输入密封结构有如下几种。
①接线柱式密封
如图17所示。这种结构是一般真空设备上最常采用的把电引入到真空室中去的一种结构。例如在真空镀膜设备上即常常用这种结构对镀膜室内的照明装置供电。
图18是一种外套水冷式电极密封结构。
②固定式导电杆密封
固定式导电杆密封的结构如图19。当导电杆直径d≤20mm时采用（a）型，d＞20mm时用（b）型。
(未完待续) | 
收藏此帖
