Элементы вакуумных систем

Разборные вакуумные соединения

Шешин Е.П. Основы вакуумной техники: Учебное пособие. — М.: МФТИ, 2001. — 124 с.

В разборных вакуумных соединениях необходимо обеспечить герметичность стыка двух соединяемых деталей, близкую к герметичности сплошного материала. В месте соприкосновения двух деталей в результате механической обработки всегда остаются микронеровности, которые затрудняют получение вакуумно-герметичного соединения.
Герметичность может быть достигнута значительно легче, если в зазор между соединяемыми материалами поместить уплотнитель, вязкость которого достаточна для заполнения неровностей при контактных напряжениях, значительно меньших предела упругости основных соединяемых материалов.
В качестве уплотнителей могут применяться смазки, резины, фторопласт, металлы. К разным вакуумным соединениям предъявляются следующие требования: минимальное натекание и газовыделение; механическая прочность; термическая стойкость — способность выдерживать многократные прогревы без нарушения герметичности; коррозионная стойкость; максимальное число циклов разборки и сборки с сохранением герметичности; удобство ремонта и технологичность в изготовлении; возможность лёгкой проверки на герметичность.

В вакуумной технике в системах с температурой прогрева до 300 ºC широко применяются резиновые уплотнители. Резина обладает хорошими упругими свойствами, и для создания вакуумно-герметичного соединения с полированной стальной поверхностью требуются небольшие усилия. Для прокладки шириной 4 мм удельное усилие уплотнения 4–8 Н/мм, что соответствует удельным давлению 1–2 МПа. Резиновые уплотнения допускают практически неограниченное число разборок и сборок, просты в изготовлении, редко нуждаются в ремонте. Недостатком резиновых уплотнений является повышенное газовыделение и газопроницаемость по сравнению с материалом уплотняемых деталей.
Форма сечения уплотнителя круглая или квадратная, диаметр или сторону квадрата из конструктивных соображений выбирают 3–5 мм.
Форма фланцев и расположение уплотнителя во фланцевых соединениях с эластомерным уплотнителем показаны на рис. 5.1 и 5.2.

Рис. 5.1. Фланцевое соединение с плоскими фланцами:
1 — фланцы; 2 — уплотнитель; 3 — центрирующее кольцо

Рис. 5.2. Профили уплотняющих элементов фланцев с
помещёнными между ними эластомерными уплотнителями

Эластомерный уплотнитель допускает многократную сборку соединения. Большим ресурсом обладают соединения со сжатыми уплотнителями, в которых ограничено смыкание фланцев (рис. 5.2в,г). Напротив, меньшим ресурсом обладают соединения, изображённые на рис. 5.2а,б.
Наибольшую герметичность обеспечивают соединения с объёмно сжатым уплотнителем, например, изображённый на рис. 5.2д. Объёмное сжатие уплотнителя может быть реализовано в соединении, изображённом на рис. 5.2в. Определяя необходимое для этого сечение уплотнителя, следует помнить, что резину надо рассматривать как несжимаемый материал. Площадь сечения уплотнителя, как правило, круглого, должна составлять 90–95% площади сечения канавки под уплотнитель.
Величина сжатия уплотнителя по высоте, гарантирующая герметичное соединение при комнатной температуре, оценивается в 20–25% высоты уплотнителя, при высоких плюсовых и минусовых температурах — 30–35%.
Для работы при сверхнизких температурах, температурах сжижения газов наиболее надёжны фланцевые и штуцерные соединения с тонким фторопластовым уплотнителем, например соединение, изображённое на рис. 5.2е.
Для быстрого соединения фланцев вместо обычных болтов иногда применяются съёмное ярмо клинообразного профиля, стягивающее оба фланца, а также поворотные винты с захватами (рис. 5.3б; рис. 5.3а).

а)

б)

Рис. 5.3. быстро разъёмные фланцевые соединения:

а) клиновидным быстроразъёмным зажимом;
б) соединение фланцев  при помощи винтов с захватами

Через фланцевое соединение с резиновым уплотнителем газ натекает в систему как по поверхности соприкосновения уплотнителя с фланцем, так и в результате диффузии через уплотнитель. Течение газа по поверхности соприкосновения уплотнителя с фланцем прекращается при сжатии уплотнителя на 10–20% по высоте. При эксплуатации таких фланцевых соединений необходимо соблюдать определённые меры по обеспечению сохранности соединения. Не допускается появление радиальных рисок на поверхности фланцев в месте расположения уплотнителя. Поверхности фланцев, обращённые в вакуумную полость, должны отвечать требованиям вакуумной гигиены.
Выделяющиеся из резины в процессе эксплуатации соединения смолистые вещества налипают на поверхности фланцев, на которых в результате этого скапливаются различные загрязнения и вырываемые из уплотнителя кусочки резины. При каждой разборке соединения поверхности фланцев должны быть очищены от этих загрязнений чистой бязью, смоченной в бензине.
Поскольку фланцы соединения в большинстве случаев изготавливают из обычной углеродистой стали, нередки случаи появления ржавчины на рабочих поверхностях фланцев. При разборке следы ржавчины должны быть удалены мелкой наждачной бумагой. Если на рабочей поверхности появились глубокие радиальные риски, поверхность фланца протачивают на токарном станке на глубину риски.
При эксплуатации фланцевых соединений с резиновым уплотнителем наряду с натеканием газа по соединению имеет место газовыделение из резины. Поэтому перед постановкой в вакуумную систему уплотнитель полезно обезгазить. Известно, что величина газовыделения из уплотнителя возрастает с ростом температуры. При длительном нагреве в вакууме газовыделение  постепенно снижается, достигая практически постоянной величины. При последующем охлаждении газовыделение  резко снижается до величины, много меньшей первоначального газовыделения при той же температуре. На этом основан способ предварительного обезгаживания резиновых уплотнителей. При обезгаживании уплотнители нагревают в вакууме до максимальной рабочей или несколько большей температуры и выдерживают при этой температуре 10–15 часов.
Для соединения трубопровода малого диаметра используют различные разновидности штуцерных соединений (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Штуцерное соединение с эластомерным уплотнителем:
1 — штуцер; 2 — гайка; 3 — уплотнитель; 4 — ниппель

В лабораторной практике для присоединения форвакуумного насоса к трубопроводу часто используется резиновый вакуумный шланг (рис. 5.5.) Желательно концы трубопроводов на длину 1,5–2,0 диаметра расточить, как показано на рисунке. Для выполнения соединения используют, резиновый шланг, внутренний диаметр которого в полтора раза меньше внешнего диаметра трубопровода, а длина составляет 4–6 диаметров трубопровода.

Рис. 5.5. Соединение трубопроводов с помощью резинового
вакуумного шланга:
1 — трубопровод; 2 — шланг

Для техники сверхвысокого вакуума большое значение имеют металлические уплотнения, допускающий прогрев до температуры 450–500 ºC. Заполнение микронеровностей  происходит за счёт пластической деформации материала прокладки. Текучесть металлов значительно меньше, чем у резины, и поэтому для создания уплотнения требуются значительно большие удельные давления и более высокий класс чистоты поверхности. Газовыделение металлических прокладок в 103 раз меньше, чем резиновых, но соединение с металлическими прокладками сложнее в изготовлении, допускает ограниченное число прогрева и сборок. Схемы наиболее распространённых у нас в стране металлических уплотнений показаны на рис. 5.6.
В качестве уплотнителей применяется в основном медь, имеющая близкий коэффициент линейного расширения к нержавеющей стали. Также используются золото, алюминий, индий. Такие уплотнители, кроме индия, сохраняют работоспособность и герметичность после многих циклов нагрева. Впрочем, после первого нагрева иногда бывает необходима дополнительная подтяжка соединения.
Эксплуатация фланцевых соединений с металлическим уплотнителем сопряжена с необходимостью соблюдения определённых мер предосторожности от повреждения  уплотняющих поверхностей.

Рис. 5.6. Схемы уплотнений с металлическими прокладками:
1 — конусное; 2 — канавочно-клиновые; 3 — conflat

Наиболее подвержена повреждениям рабочая поверхность фланцев, в особенности поверхность зуба канавочно-клинового соединения. Однако вмятины, образовавшиеся на поверхности самого зуба, например, при случайном ударе, не представляют особой опасности. Их осторожно выравнивают шабером и зачищают оселком. Основными уплотняющими элементами канавочно-клинового соединения являются заплечики по краям зуба и гладкая поверхность фланца с канавкой на расстоянии 1,5 мм от канавки. Любое нарушение этих поверхностей ведёт к нарушению герметичности соединения.
Преимуществами соединения типа conflat являются:

• снижение вероятности повреждения уплотняющих поверхностей, вследствие того, что они находятся в углублении;
• оба фланца имеют одинаковую геометрию, что снижает их стоимость и, обеспечивает взаимозаменяемость;
• для обеспечения уплотнения достаточно небольшой деформации медной прокладки, поэтому прокладку можно использовать несколько раз.

Для удобства в работе и обеспечения равномерности затяжки соединения все болты должны иметь одинаковый  шаг резьбы. К тому же, если есть возможность, болты лучше заменить шпильками, причём в прогреваемых системах следует применять сульфидированные болты (шпильки) и гайки из нержавеющей стали.
В процессе многократных нагревов может произойти  диффузионная сварка уплотнителя с поверхностью фланцев. Кроме того, деформированный уплотнитель в ряде случаев оказывает расклинивающее действие. В результате разъединение фланцев оказывается затруднительным. Поэтому в одном из фланцев канавочно-клинового соединения имеются два резьбовых отверстия для отжимных болтов, с помощью которых фланцы легко разъединяются. Другими способами разъединения фланцев пользоваться не рекомендуется во избежание порчи соединения.
Во фланцах типа conflat для этих целей имеются специальные клиновидные канавки.
Хотя уплотнители способны обеспечить герметичность при нескольких сборках, рекомендуется заменять уплотнитель после каждой сборки.
5.2. Электрические вакуумные вводы

Для питания электрическим током различных устройств, работающих внутри вакуумной камеры, необходимы герметичные электрические вводы, изолированные от корпуса вакуумной камеры. В зависимости от назначения электрические вводы могут быть низковольтными или высоковольтными, низковакуумными или высоковакуумными.
Принципиально любой электрический вакуумный ввод состоит из трёх частей (рис. 5.7): соответственно токоввода (1), изолятора (2), который электрически изолирует токоввод от корпуса вакуумной камеры (3).

Рис. 5.7. Принципиальная схема электрического вакуумного ввода:
1 — токоввод; 2 — изолятор; 3 — корпус

В стеклянных и металлокерамических приборах роль изолятора и корпуса совпадает.
Промышленностью выпускается широкий спектр электрических вакуумных вводов, которые отличаются по материалам изоляторов количеству и конструкции вводов.
На рис. 5.8 представлена конструкция наиболее часто применяемых в нашей лаборатории электрических металлокерамических вакуумных вводов, предназначенных для использования в сверхвысоковакуумных системах.

Рис. 5.8. Конструкция электрического вакуумного ввода:
1 — стержень из нержавеющей стали; 2,4 — втулки из ковара;
3 — керамический изолятор

Рабочее напряжение такого ввода непосредственно зависит от диаметра и высоты керамического изолятора. Высоковольтный ввод (рис. 5.8) приваривается к основанию нижней втулкой (4). Керамический изолятор (3) соединяется со втулками (2) и (4) твёрдыми припоями. Стержень (1) приваривается к втулке (2) аргонодуговой или лазерной сваркой. Следует заметить, что высоковольтные вводы обладают малыми электрическими утечками, поэтому иногда могут использоваться в измерительных цепях.

5.3. Смотровые окна

Смотровые окна служат для наблюдения за устройствами, установленными внутри вакуумной установки, а также для освещения или облучения устройств установки. Смотровые окна изготовляются из материалов, оптически прозрачных в соответствующих участках спектра. При давлениях выше 5·10–7 мм рт. ст. широко применяются смотровые окна с резиновыми уплотнителями. Конструкция такого смотрового окна показана на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Смотровое окно с резиновым уплотнением
Полированный стеклянный диск 2 с помощью нажимного кольца 3 прижимается к резиновому уплотнителю 1. При проведении в вакуумном объёме термических операций, связанных с тепловыми излучениями, стеклянный диск изготавливается из тугоплавкого стекла.В установках со сверхвысоким вакуумом употребляются смотровые окна без резиновых уплотнителей, как показано на рис. 5.10.

Рис. 5.10. Смотровое окно для сверхвысокого вакуума

Стеклянная шайба 1 приварена к коваровому стакану 2, сваренному в свою очередь с фланцем 3 из нержавеющей стали. Фланец уплотняется с вакуумным объёмом через металлическую прокладку. Для предотвращения разрушения соединения стекла с металлом при затяжке металлического уплотнения необходимо предусматривать разгрузочные канавки. Смотровые окна подобной конструкции допускают прогрев до 300–450 ºC.

5.4. Устройства для передачи движения в вакуум

Необходимость в устройствах для передачи в вакуум появляется в связи с тем, что привод механизмов удобнее размещать вне вакуумной камере. Это связано с трудностью или невозможностью обезгаживания приборов, а также с размещением элементов контроля: линеек, нониусов и т.д.
Устройства для передачи движения в вакуум делятся на три группы: 1) для передачи возвратно-поступательного движения; 2) для передачи качательного движения; 3) для передачи вращательного движения. Внутри каждой группы также возможна классификация по предельному давлению, передаваемому усилию, скорости перемещения, величине хода и т.д.
При конструировании любых вводов движения в вакууме следует стремиться, чтобы герметизирующий элемент не воспринимал передаваемых усилий, а направляющие и опоры были бы по возможности расположены вне вакуумной камеры. Для пар трения, размещённых в вакууме, следует принимать специальные меры против схватывания трущихся материалов. С этой целью в качестве смазки можно применять дисульфид молибдена МоS2, сульфидировать поверхности трения или использовать материалы, сильно отличающиеся по своим физическим свойствам, например, металл и керамику.
Для низкого и среднего вакуума используются сальниковые уплотнительные элементы из маслостойкой вакуумной резины или фторопласта, а для сверхвысокого вакуума — гибкие элементы (сильфоны диафрагмы). Также может использоваться передача движения через неподвижную перегородку.
Резина и сталь имеет большой коэффициент трения, и резиновые уплотнители подвижных соединений всегда нуждаются в смазке. Фторопласт может работать без смазки, но его износ во время работы должен компенсироваться установкой упругих дополнительных элементов.
Уплотнения для ввода поступательного движения в высокий и сверхвысокий вакуум изготавливаются полностью из металла и могут быть прогреты с целью обезгаживания до температуры 400–500ºC.
Магнитные вводы движения через неподвижную перегородку из немагнитного материала обладают максимальной герметичностью, т.к. в них отсутствуют подвижные вакуумные уплотнения. Их недостатками является трение в вакууме и ограниченная величина передаваемых усилий и кинематически нежёсткая передача.
Примеры наиболее широко применяемых сальниковых уплотнений приведены на рис. 5.11, 5.12. Такие уплотнения могут использоваться как для передачи вращения, так и передачи перемещения.
Так как фторопласт менее упруг, чем резина, и имеет значительную остаточную деформацию, для компенсации износа и обеспечения плотного контакта уплотняющей фторопластовой втулки 1 (рис. 5.12) с подвижным полированным валом 5 используются упругие свойства резиновых колец 2, предварительно деформированных с помощью нажимной гайки 4 и втулки 3.

Рис. 5.11. Сальниковые уплотнение типа Вильсона для передачи вращательного движения в вакууме: 1 — прокладки из резины или фторопласта; 2 — металлические шайбы	Рис. 5.12. Устройства для ввода вращения с использованием фторопластовой втулки: 1 — фторопластовая втулка; 2 — резиновые кольца; 3 — втулка; 4 — нажимная гайка; 5 — полированный вал

Схема конструкций вводов поступательного движения с металлическим сильфоном и постоянным магнитом приведены на рис. 5.13а, б.
Величина перемещения в устройстве 5. 13а ограничена только количеством гофров и эластичностью сильфона.
Схемы вводов качательного движения в вакууме, показаны на рис. 5.14. Они имеют угол качания α в мембранных вводах не более 10°, а в сильфонных — 30°. Для получения больших углов качания необходимы ускорительные передачи или вводы вращательного движения. Возможно применение поступательных вводов с последующим преобразованием поступательного движения в качательное. Схемы некоторых конструкций вводов вращения представлены на рис. 5.15.
Вводы вращения с пространственным шарниром и планетарной зубчатой передачей применяются для передачи значительных крутящих моментов.

а)

б)

Рис. 5.13. Схема вводов поступательного движения с металлическим сильфоном (а) и постоянным магнитом (б)

 

Рис. 5.14. Схемы вводов качательного движения в вакуум:
а) мембраны; б) сильфоны

 

a)	б)	в)

Рис.5.15. Схемы конструкций вводов вращения:
а) с пространственным шарниром; б) с планетарной зубчатой передачей;
в)  с постоянным магнитом

Магнитный ввод-вращение в вакуум применяется в высоковакуумных системах для передачи вращательного движения с большой частотой вращения и малым крутящим моментом. Он может быть сделан прогреваемым, но не обеспечивает кинематической жёсткости передачи.

Рис. 5.16. Устройство для передачи вращательного движения
с использованием сильфонного уплотнения

В экспериментальных вакуумных установках в основном применяются вводы-вращения пример, которого представлен на рис. 5.16. Они имеют средние показатели по передаваемым крутящим моментам и  скоростям вращения.

5.5. Коммутационная аппаратура

Коммутационная аппаратура (раны, вентили, затворы, клапаны, натекатели) — обязательный элемент любой вакуумной системы. Этот элемент в закрытом состоянии должен быть герметичным, а в открытом состоянии обладать, возможно, большей проводимостью. В рамках данного учебного пособия нет возможности дать информацию обо всём спектре коммутирующих устройств, поэтому мы ограничимся рассмотрением конструкций наиболее распространённых в нашей лаборатории.
В металлических вакуумных клапанах и затворах, работающих при комнатной температуре, используются резиновые и фторопластовые уплотнители (рис. 5.17а).
В прогреваемых конструкциях применяются герметизация за счёт пластической деформации материала одной из соприкасающихся поверхностей. Широко распространена конструкция с конусным уплотнительным элементом (рис. 5.17б), изготовленным из меди и алюминия. Недостатком этой конструкции является постепенное увеличение площади герметизирующих поверхностей, а следовательно, и усилия, необходимого для закрытия клапана. В конструкции, изображенной на  рис. 5.17в уплотнительный элемент работает на срез, усилие герметизации не зависит от числа срабатываний, но возрастает ход запирающего элемента.
На рис. 5.18 изображён вентиль ДУ-25 с сильфонным уплотнением штока. Для удобства сборки привод вентиля с подвижным сильфонным уплотнением смонтирован на фланце 3 и представляет собой съёмный узел. Вентили с металлическим уплотнителем имеют аналогичную конструкцию, но из-за гораздо больших усилий герметизации они обладают существенно усиленной ходовой частью.

Рис. 5.17. Уплотнительный элемент вакуумных затворов:
1 — седло; 2 — уплотнитель; 3 — герметизирующий элемент

Ресурс вентилей с эластомерным уплотнением при регулярной смазки узлов трения составляет более 100 тысяч циклов без замены деталей привода. Ресурс уплотнителя много меньше и зависит от удельной нагрузки, т.е. от величины сжатия, установленной в процессе изготовления и регулировки вентиля. Поскольку в процессе эксплуатации клапана предусматривается замена уплотнителя, его ресурс не определяет ресурс вентиля. В обычных условиях эксплуатации уплотнитель рекомендуется заменять не реже чем после 20–25 тысяч циклов срабатывания вентиля.

Рис. 5.18. Вакуумный вентиль с ручным приводом:
1 — маховик; 2 — винт; 3 — фланец;
4 — корпус; 5 — резиновый уплотнитель

Медный уплотнительный конус вентиля с диаметром условного прохода 25 мм, работающий при оптимальной нагрузке (около25–30 кг  на миллиметр длины контакта конуса с седлом), способен выдержать без потери герметичности около 20 тысяч циклов срабатывания. По мере увеличения размера вентиля – диаметра условного прохода — ресурс конуса понижается.
При каждой разборке вентиля конус протачивают или заменяют. Это в первую очередь относится к вентилям с большим условным проходом — около 100мм.
Ресурс вентилей с металлическим уплотнителем составляет до сотни тысяч циклов срабатывания. В процессе выработки ресурса производится два-три ремонта вентиля с заменой или восстановлением отдельных его деталей.
Для управления газовым потоком и контролем за расходом газа, например, при измерении скорости откачки, применяются краны с регулируемой проводимостью. В вакуумной технике обычно используются регуляторы с регулирующим органом в виде тонкой конической иглы, вводимой в канал соответствующей формы вплоть до полного его перекрытия (рис. 5.19).

Рис. 5.19. Принцип устройства игольчатого регулятора

Ход иглы может изменяться непрерывно с помощью микрометрического винта. В узле управления перемещением иглы применяются соответствующие уплотнения, а пространство высокого вакуума герметизируется сильфоном (из металла или тефлона).