真空密封介绍

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真空联机密封性能取决于联接处的泄露和真空材料的放气。对任何真空系统总希望漏、放气量与密封形式、密封材料、加工精度及装配质量等诸多因素有关,故在联接处总会存在一定的漏、放气量,因此可根据真空系统工作的性质,真空室工作工作应力的高低及其出口处抽气速度的大小提出要求。

真空系统中的压力在高于10-5 Pa真空范围内广泛使用合成橡胶、环氧树脂和塑料。当真空度提到压力10-7 Pa的真空范围时,这些密封材料就不能用了,需要应用超高真空的密封材料如金或铜作垫圈,而真空壳体不能用软刚需要改用不锈钢。

超真空气体内的气体状态是动态平衡状态。系统内的压力极限,一方面与泵的有效抽速有关,另一方面与来自真空壳体及其内部的零部件的气流量有关。因虽有系统的有效抽速由于泵有结构尺寸和费用的原因,总存在实际限制。所以,减少气流量就成为达到超高真空状态的基本设计目标,成为选择超高真空材料的主要准则。

作为真空系统内部用的材料,要求饱和蒸汽压低,为了减少慢性解吸和体出气,要求能耐450℃高温烘烤,而不降低机械强度和不发生化学和物理损伤。作为真空系统壳体材料,要求能忽略气体渗透,承受得住大气压的压力,烘烤期间耐空气侵蚀和不发生漏气。此外,要求选用材料,加工制作容易,价廉易得。
对于真空度低于10-7 Pa的超高真空,虽然天然和合成橡胶是理想的密封圈材料,弹性好,装配成真空密封后法兰螺栓受力很小,而且可以多次重复使用。但由于超高真空系统要求密封圈材料耐250℃烘烤,实际上可可供选用的几种橡胶材料都不能满足要求。真空度更高(即压力更低)的超高真空,则必须采用金属密封。

1 真空用橡胶密封圈

接触式真空动密封的结构,最常用的有下面几种类型:

1)J型真空用橡胶密封。

J型真空用橡胶密封圈工作表面应平整光滑,不允许有气泡杂质、凹凸不平等缺陷。

2)O型真空用橡胶密封圈。

3)骨架型真空用橡胶密封圈

4)真空用O形橡胶密封圈

2真空用金属密封圈

金属密封圈密封的可拆联接是超高真空系统中常用的联接形式。它是为满足超高真空要求而必须经200~400℃的高温烘烤除气而采用的密封方式。

常用的金属密封圈的材料有金丝和无氧铜两种,它们有下列一些性能:金(Au)具有高的化学稳定性,高温时不氧化,塑性好,屈服极限比铜或铝低一倍,在较小的夹紧力下即可产生塑性变形,膨胀系数为αg=14×10-6 cm/cm•℃,比不锈钢的膨胀系数αs=18×10-6 cm/cm•℃稍低。金制密封圈虽有良好的密封性能,但在夹紧力的作用下会发生显著的变形硬化,强度增加。为了保证密封圈密封,必须增大加紧力,而过大的加紧力又会在法兰表面上引起压力痕,影响密封性能。因此,用在要求较高而不经过装拆的联接,拆开后重新装配时需要更换密封圈。由于金的价格比较贵,它的应用受到较大的限制。

铜(Cu)的热膨胀系数为αs=16.4×10-6 cm/cm•℃。铜的硬度比较大,铜制密封圈在使用前必须在真空或氢气中进行退火处理,消除内应力。无氧铜是目前超高真空密封联接中常用的密封圈材料。其不足之处是高温烘烤中与大气接触部分会氧化,因此,在要求高的情况下,将无氧铜的密封圈的表面镀一层金,使其具有更好的密封性能。

作为联接用的法兰盘材料也必须能承受高温烘烤、抗氧化以及在高温时仍有良好的力学性能。最常用的材料是不锈钢。法兰密封表面的粗糙度和尺寸就精度均应满足超高真空密封的要求。

3 采用软件变形的动联接密封

3.1 非金属软件变形的动联接密封

3.2 金属软件变形的动联接密封

4 真空用的其他密封

4.1 真空用磁流体密封

真空转轴密封具有代表的典型结构是接触式的威尔逊密封。为了防止轴在高速旋转、下气体的泄露,只能增加密封接触界面上的压力。但是由此而产生的摩擦发热问题却难以解决。因此,研制摩擦损失小,使用寿命长的新型密封结构已成为真空装置中应当解决的重大问题之一。为了解决这一问题,近年来应用磁流体进行真空转轴动密封的技术已经在国内外取得了成功。

真空中应用磁流体密封的优点:

1)磁流体密封真空转轴可消除密封件间的接触所产生的摩擦损失,提高轴的转速(可达120000r/min),大大减少泄露。如果采用低蒸汽压的磁流体可将真空室内的真空度维持在1.3×10-7 Pa以上。

2)磁流体的密封结构简单,维护方便,轴与极靴间的间隙较大,因此可不必要求过高的制造精度。

3)磁流体在密封空隙中由磁铁所产生的磁场所固定,因此轴的起动和停止较方便。其缺点是磁流体在高温下难以稳定,工作温度一般在-30~120℃之间。轴的过高或过低温度下工作时需要采用冷却或升温措施,从而使密封结构复杂化。

4.2 联接接隔板密封

利用磁力把动力传递当真空容器中去的密封是在真空容器外、施加一个旋转磁场1,该磁场带动真空容器内鼠笼式转子2转动,即可达到隔板密封的目的。

这种密封装置的特点:

1)磁联接隔板密封对真空容器内的真空条件没有显著影响,同其他几种动密封相比,其真空可靠性大。

2)运动件与真空容器壁不相接触,在传递运动过程中隔板或隔离圈筒除承受压力差外,不承受其他载荷,从而可以保证磁联接隔板密封的可靠性。

3)真空容器内的“污染”,仅取决于运动部件本身的结构元件,特别是摩擦部件的放气及隔板的透气性。

磁联接隔板密封结构在设计中应注意的问题:

1)外磁铁应尽量接近真空器的内壁;

2)隔离平板或隔离圈筒应用非磁性材料制造;

3)传递运动的铁芯形状与磁铁的形状相适应,而且容器壁或真空室内的其他零件应保证铁芯运动方向;

4)为了减少放气和摩擦建议用包着玻璃的铁芯;

5)磁场强度和磁铁与铁芯的距离应选择使它们运动时与容器壁或容器内的水银、铟等的冲击不大。

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