真空聯(lián)機密封性能取決于聯(lián)接處的泄露和真空材料的放氣。對任何真空系統(tǒng)總希望漏、放氣量與密封形式、密封材料、加工精度及裝配質(zhì)量等諸多因素有關(guān),故在聯(lián)接處總會存在一定的漏、放氣量,因此可根據(jù)真空系統(tǒng)工作的性質(zhì),真空室工作工作應(yīng)力的高低及其出口處抽氣速度的大小提出要求。
真空系統(tǒng)中的壓力在高于10-5Pa真空范圍內(nèi)廣泛使用合成橡膠、環(huán)氧樹脂和塑料。當真空度提到壓力10-7Pa的真空范圍時,這些密封材料就不能用了,需要應(yīng)用超高真空的密封材料如金或銅作墊圈,而真空殼體不能用軟剛需要改用不銹鋼。
超真空氣體內(nèi)的氣體狀態(tài)是動態(tài)平衡狀態(tài)。系統(tǒng)內(nèi)的壓力極限,一方面與泵的有效抽速有關(guān),另一方面與來自真空殼體及其內(nèi)部的零部件的氣流量有關(guān)。因雖有系統(tǒng)的有效抽速由于泵有結(jié)構(gòu)尺寸和費用的原因,總存在實際限制。所以,減少氣流量就成為達到超高真空狀態(tài)的基本設(shè)計目標,成為選擇超高真空材料的主要準則。
作為真空系統(tǒng)內(nèi)部用的材料,要求飽和蒸汽壓低,為了減少慢性解吸和體出氣,要求能耐450℃高溫烘烤,而不降低機械強度和不發(fā)生化學和物理損傷。作為真空系統(tǒng)殼體材料,要求能忽略氣體滲透,承受得住大氣壓的壓力,烘烤期間耐空氣侵蝕和不發(fā)生漏氣。此外,要求選用材料,加工制作容易,價廉易得。
對于真空度低于10-7Pa的超高真空,雖然天然和合成橡膠是理想的密封圈材料,彈性好,裝配成真空密封后法蘭螺栓受力很小,而且可以多次重復(fù)使用。但由于超高真空系統(tǒng)要求密封圈材料耐250℃烘烤,實際上可可供選用的幾種橡膠材料都不能滿足要求。真空度更高(即壓力更低)的超高真空,則必須采用金屬密封。
真空用橡膠密封圈
接觸式真空動密封的結(jié)構(gòu),最常用的有下面幾種類型:
1)J型真空用橡膠密封。
J型真空用橡膠密封圈工作表面應(yīng)平整光滑,不允許有氣泡雜質(zhì)、凹凸不平等缺陷。
2)O型真空用橡膠密封圈。
3)骨架型真空用橡膠密封圈
4)真空用O形橡膠密封圈
真空用金屬密封圈
金屬密封圈密封的可拆聯(lián)接是超高真空系統(tǒng)中常用的聯(lián)接形式。它是為滿足超高真空要求而必須經(jīng)200~400℃的高溫烘烤除氣而采用的密封方式。
常用的金屬密封圈的材料有金絲和無氧銅兩種,金(Au)具有高的化學穩(wěn)定性,高溫時不氧化,塑性好,屈服極限比銅或鋁低一倍,在較小的夾緊力下即可產(chǎn)生塑性變形,膨脹系數(shù)為αg=14×10-6cm/cm•℃,比不銹鋼的膨脹系數(shù)αs=18×10-6cm/cm•℃稍低。金制密封圈雖有良好的密封性能,但在夾緊力的作用下會發(fā)生顯著的變形硬化,強度增加。為了保證密封圈密封,必須增大加緊力,而過大的加緊力又會在法蘭表面上引起壓力痕,影響密封性能。因此,用在要求較高而不經(jīng)過裝拆的聯(lián)接,拆開后重新裝配時需要更換密封圈。由于金的價格比較貴,它的應(yīng)用受到較大的限制。
銅(Cu)的熱膨脹系數(shù)為αs=16.4×10-6 cm/cm•℃。銅的硬度比較大,銅制密封圈在使用前必須在真空或氫氣中進行退火處理,消除內(nèi)應(yīng)力。無氧銅是目前超高真空密封聯(lián)接中常用的密封圈材料。其不足之處是高溫烘烤中與大氣接觸部分會氧化,因此,在要求高的情況下,將無氧銅的密封圈的表面鍍一層金,使其具有更好的密封性能。
真空用磁流體密封
真空轉(zhuǎn)軸密封具有代表的典型結(jié)構(gòu)是接觸式的威爾遜密封。為了防止軸在高速旋轉(zhuǎn)、下氣體的泄露,只能增加密封接觸界面上的壓力。但是由此而產(chǎn)生的摩擦發(fā)熱問題卻難以解決。因此,研制摩擦損失小,使用壽命長的新型密封結(jié)構(gòu)已成為真空裝置中應(yīng)當解決的重大問題之一。為了解決這一問題,近年來應(yīng)用磁流體進行真空轉(zhuǎn)軸動密封的技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)外取得了成功。
真空中應(yīng)用磁流體密封的優(yōu)點:
1)磁流體密封真空轉(zhuǎn)軸可消除密封件間的接觸所產(chǎn)生的摩擦損失,提高軸的轉(zhuǎn)速(可達120000r/min),大大減少泄露。如果采用低蒸汽壓的磁流體可將真空室內(nèi)的真空度維持在1.3×10-7Pa以上。
2)磁流體的密封結(jié)構(gòu)簡單,維護方便,軸與極靴間的間隙較大,因此可不必要求過高的制造精度。
3)磁流體在密封空隙中由磁鐵所產(chǎn)生的磁場所固定,因此軸的起動和停止較方便。其缺點是磁流體在高溫下難以穩(wěn)定,工作溫度一般在-30~120℃之間。軸的過高或過低溫度下工作時需要采用冷卻或升溫措施,從而使密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。
聯(lián)接隔板密封
利用磁力把動力傳遞當真空容器中去的密封是在真空容器外、施加一個旋轉(zhuǎn)磁場1,該磁場帶動真空容器內(nèi)鼠籠式轉(zhuǎn)子2轉(zhuǎn)動,即可達到隔板密封的目的。
這種密封裝置的特點:
1)磁聯(lián)接隔板密封對真空容器內(nèi)的真空條件沒有顯著影響,同其他幾種動密封相比,其真空可靠性大。
2)運動件與真空容器壁不相接觸,在傳遞運動過程中隔板或隔離圈筒除承受壓力差外,不承受其他載荷,從而可以保證磁聯(lián)接隔板密封的可靠性。
3)真空容器內(nèi)的“污染”,僅取決于運動部件本身的結(jié)構(gòu)元件,特別是摩擦部件的放氣及隔板的透氣性。
磁聯(lián)接隔板密封結(jié)構(gòu)在設(shè)計中應(yīng)注意的問題:
1)外磁鐵應(yīng)盡量接近真空器的內(nèi)壁;
2)隔離平板或隔離圈筒應(yīng)用非磁性材料制造;
3)傳遞運動的鐵芯形狀與磁鐵的形狀相適應(yīng),而且容器壁或真空室內(nèi)的其他零件應(yīng)保證鐵芯運動方向;
4)為了減少放氣和摩擦建議用包著玻璃的鐵芯;
5)磁場強度和磁鐵與鐵芯的距離應(yīng)選擇使它們運動時與容器壁或容器內(nèi)的水銀、銦等的沖擊不大。
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