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基礎知識——真空密封
日期：2024-08-19 18:22
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摘要：
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(huì )存在一定的漏、放氣量，因此可根據真空系統工作的性質(zhì)，真空室工作工作應力的高低及其處抽氣速度的大小提出要求。
真空系統中的壓力在高于10-5Pa真空范圍內使用合成橡膠、環(huán)氧樹(shù)脂和塑料。當真空度提到壓力10-7Pa的真空范圍時(shí)，這些密封材料就不能用了，需要應用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。
真空氣體內的氣體狀態(tài)是動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。系統內的壓力極限，一方面與泵的抽速有關(guān)，另一方面與來(lái)自真空殼體及其內部的零部件的氣流量有關(guān)。因雖有系統的抽速由于泵有結構尺寸和費用的原因，總存在實(shí)際限制。所以，減少氣流量就成為達到真空狀態(tài)的基本設計目標，成為選擇真空材料的主要準則。
作為真空系統內部用的材料，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(xué)和物理?yè)p傷。作為真空系統殼體材料，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，易得。
對于真空度低于10-7Pa的真空，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，而且可以多次重復使用。但由于真空系統要求密封圈材料耐250℃烘烤，實(shí)際上可可供選用的幾種橡膠材料都不能滿(mǎn)足要求。真空度更高（即壓力更低）的真空，則必須采用金屬密封。
9.1 真空用橡膠密封圈
接觸式真空動(dòng)密封的結構，常用的有下面幾種類(lèi)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
9.2真空用金屬密封圈
金屬密封圈密封的可拆聯(lián)接是真空系統中常用的聯(lián)接形式。它是為滿(mǎn)足真空要求而必須經(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(wú)氧銅兩種，它們有下列一些性能：
金（Au）具有高的化學(xué)穩定性，高溫時(shí)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，膨脹系數為αg=14×10-6cm/cm·℃，比不銹鋼的膨脹系數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(huì )發(fā)生的變形硬化，強度增加。為了密封圈密封，必須增大加緊力，而過(guò)大的加緊力又會(huì )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(guò)裝拆的聯(lián)接，拆開(kāi)后重新裝配時(shí)需要更換密封圈。由于金的價(jià)格比較貴，它的應用受到較大的限制。
銅（Cu）的熱膨脹系數為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(jìn)行退火處理，消除內應力。無(wú)氧銅是目前真空密封聯(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(huì )氧化，因此，在要求高的情況下，將無(wú)氧銅的密封圈的表面鍍一層金，使其具有更好的密封性能。
作為聯(lián)接用的法蘭盤(pán)材料也必須能承受高溫烘烤、抗氧化以及在高溫時(shí)仍有良好的力學(xué)性能。常用的材料是不銹鋼。法蘭密封表面的粗糙度和尺寸就精度均應滿(mǎn)足真空密封的要求。
9.3 采用軟件變形的動(dòng)聯(lián)接密封
9.3.1 非金屬軟件變形的動(dòng)聯(lián)接密封
9.3.2 金屬軟件變形的動(dòng)聯(lián)接密封
9.4 真空用的其他密封
9.4.1 真空用磁流體密封
真空轉軸密封具有代表的典型結構是接觸式的威爾遜密封。為了防止軸在高速旋轉、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(wèn)題卻難以解決。因此，摩擦損失小，使用的密封結構已成為真空裝置中應當解決的重大問(wèn)題之一。為了解決這一問(wèn)題，近年來(lái)應用磁流體進(jìn)行真空轉軸動(dòng)密封的已經(jīng)在取得了成功。
真空中應用磁流體密封的：
1）磁流體密封真空轉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的真空度維持在1.3×10-7Pa以上。
2）磁流體的密封結構簡(jiǎn)單，維護方便，軸與極靴間的間隙較大，因此可不必要求過(guò)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(chǎng)所固定，因此軸的起動(dòng)和停止較方便。其缺點(diǎn)是磁流體在高溫下難以穩定，工作溫度一般在-30～120℃之間。軸的過(guò)高或過(guò)低溫度下工作時(shí)需要采用冷卻或升溫措施，從而使密封結構復雜化。
9.4.2 聯(lián)接接隔板密封
利用磁力把動(dòng)力傳遞當真空容器中去的密封是在真空容器外、施加一個(gè)旋轉磁場(chǎng)1，該磁場(chǎng)帶動(dòng)真空容器內鼠籠式轉子2轉動(dòng)，即可達到隔板密封的目的。
這種密封裝置的特點(diǎn)：
1）磁聯(lián)接隔板密封對真空容器內的真空條件沒(méi)有影響，同其他幾種動(dòng)密封相比，其真空性大。
2）運動(dòng)件與真空容器壁不相接觸，在傳遞運動(dòng)過(guò)程中隔板或隔離圈筒除承受壓力差外，不承受其他載荷，從而可以磁聯(lián)接隔板密封的性。
3）真空容器內的“污染”，僅取決于運動(dòng)部件本身的結構元件，是摩擦部件的放氣及隔板的透氣性。
磁聯(lián)接隔板密封結構在設計中應注意的問(wèn)題：
1）外磁鐵應盡量接近真空器的內壁；
2）隔離平板或隔離圈筒應用非磁性材料制造；
3）傳遞運動(dòng)的鐵芯形狀與磁鐵的形狀相適應，而且容器壁或真空室內的其他零件應鐵芯運動(dòng)方向；
4）為了減少放氣和摩擦建議用包著(zhù)玻璃的鐵芯；
5）磁場(chǎng)強度和磁鐵與鐵芯的距離應選擇使它們運動(dòng)時(shí)與容器壁或容器內的水銀、銦等的沖擊不大。
真空系統中的壓力在高于10-5Pa真空范圍內使用合成橡膠、環(huán)氧樹(shù)脂和塑料。當真空度提到壓力10-7Pa的真空范圍時(shí)，這些密封材料就不能用了，需要應用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。
真空氣體內的氣體狀態(tài)是動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。系統內的壓力極限，一方面與泵的抽速有關(guān)，另一方面與來(lái)自真空殼體及其內部的零部件的氣流量有關(guān)。因雖有系統的抽速由于泵有結構尺寸和費用的原因，總存在實(shí)際限制。所以，減少氣流量就成為達到真空狀態(tài)的基本設計目標，成為選擇真空材料的主要準則。
作為真空系統內部用的材料，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(xué)和物理?yè)p傷。作為真空系統殼體材料，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，易得。
對于真空度低于10-7Pa的真空，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，而且可以多次重復使用。但由于真空系統要求密封圈材料耐250℃烘烤，實(shí)際上可可供選用的幾種橡膠材料都不能滿(mǎn)足要求。真空度更高（即壓力更低）的真空，則必須采用金屬密封。
9.1 真空用橡膠密封圈
接觸式真空動(dòng)密封的結構，常用的有下面幾種類(lèi)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
9.2真空用金屬密封圈
金屬密封圈密封的可拆聯(lián)接是真空系統中常用的聯(lián)接形式。它是為滿(mǎn)足真空要求而必須經(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(wú)氧銅兩種，它們有下列一些性能：
金（Au）具有高的化學(xué)穩定性，高溫時(shí)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，膨脹系數為αg=14×10-6cm/cm·℃，比不銹鋼的膨脹系數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(huì )發(fā)生的變形硬化，強度增加。為了密封圈密封，必須增大加緊力，而過(guò)大的加緊力又會(huì )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(guò)裝拆的聯(lián)接，拆開(kāi)后重新裝配時(shí)需要更換密封圈。由于金的價(jià)格比較貴，它的應用受到較大的限制。
銅（Cu）的熱膨脹系數為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(jìn)行退火處理，消除內應力。無(wú)氧銅是目前真空密封聯(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(huì )氧化，因此，在要求高的情況下，將無(wú)氧銅的密封圈的表面鍍一層金，使其具有更好的密封性能。
作為聯(lián)接用的法蘭盤(pán)材料也必須能承受高溫烘烤、抗氧化以及在高溫時(shí)仍有良好的力學(xué)性能。常用的材料是不銹鋼。法蘭密封表面的粗糙度和尺寸就精度均應滿(mǎn)足真空密封的要求。
9.3 采用軟件變形的動(dòng)聯(lián)接密封
9.3.1 非金屬軟件變形的動(dòng)聯(lián)接密封
9.3.2 金屬軟件變形的動(dòng)聯(lián)接密封
9.4 真空用的其他密封
9.4.1 真空用磁流體密封
真空轉軸密封具有代表的典型結構是接觸式的威爾遜密封。為了防止軸在高速旋轉、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(wèn)題卻難以解決。因此，摩擦損失小，使用的密封結構已成為真空裝置中應當解決的重大問(wèn)題之一。為了解決這一問(wèn)題，近年來(lái)應用磁流體進(jìn)行真空轉軸動(dòng)密封的已經(jīng)在取得了成功。
真空中應用磁流體密封的：
1）磁流體密封真空轉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的真空度維持在1.3×10-7Pa以上。
2）磁流體的密封結構簡(jiǎn)單，維護方便，軸與極靴間的間隙較大，因此可不必要求過(guò)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(chǎng)所固定，因此軸的起動(dòng)和停止較方便。其缺點(diǎn)是磁流體在高溫下難以穩定，工作溫度一般在-30～120℃之間。軸的過(guò)高或過(guò)低溫度下工作時(shí)需要采用冷卻或升溫措施，從而使密封結構復雜化。
9.4.2 聯(lián)接接隔板密封
利用磁力把動(dòng)力傳遞當真空容器中去的密封是在真空容器外、施加一個(gè)旋轉磁場(chǎng)1，該磁場(chǎng)帶動(dòng)真空容器內鼠籠式轉子2轉動(dòng)，即可達到隔板密封的目的。
這種密封裝置的特點(diǎn)：
1）磁聯(lián)接隔板密封對真空容器內的真空條件沒(méi)有影響，同其他幾種動(dòng)密封相比，其真空性大。
2）運動(dòng)件與真空容器壁不相接觸，在傳遞運動(dòng)過(guò)程中隔板或隔離圈筒除承受壓力差外，不承受其他載荷，從而可以磁聯(lián)接隔板密封的性。
3）真空容器內的“污染”，僅取決于運動(dòng)部件本身的結構元件，是摩擦部件的放氣及隔板的透氣性。
磁聯(lián)接隔板密封結構在設計中應注意的問(wèn)題：
1）外磁鐵應盡量接近真空器的內壁；
2）隔離平板或隔離圈筒應用非磁性材料制造；
3）傳遞運動(dòng)的鐵芯形狀與磁鐵的形狀相適應，而且容器壁或真空室內的其他零件應鐵芯運動(dòng)方向；
4）為了減少放氣和摩擦建議用包著(zhù)玻璃的鐵芯；
5）磁場(chǎng)強度和磁鐵與鐵芯的距離應選擇使它們運動(dòng)時(shí)與容器壁或容器內的水銀、銦等的沖擊不大。
