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基礎知識——真空密封
日期：2024-12-21 11:44
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摘要：
真空聯機密封性能取決于聯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、加工精度及裝配質量等諸多因素有關，故在聯接處總會存在一定的漏、放氣量，因此可根據真空系統工作的性質，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是動態平衡狀態。系統內的壓力極限，一方面與泵的抽速有關，另一方面與來自真空殼體及其內部的零部件的氣流量有關。因雖有系統的抽速由于泵有結構尺寸和費用的原因，總存在實際限制。所以，減少氣流量就成為達到真空狀態的基本設計目標，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生化學和物理損傷。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
接觸式真空動密封的結構，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平整光滑，不允許有氣泡雜質、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接是真空系統中常用的聯接形式。它是為滿足真空要求而必須經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，它們有下列一些性能：
金（Au）具有高的化學穩定性，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發生的變形硬化，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過裝拆的聯接，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行退火處理，消除內應力。無氧銅是目前真空密封聯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。
作為聯接用的法蘭盤材料也必須能承受高溫烘烤、抗氧化以及在高溫時仍有良好的力學性能。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足真空密封的要求。
9.3 采用軟件變形的動聯接密封
9.3.1 非金屬軟件變形的動聯接密封
9.3.2 金屬軟件變形的動聯接密封
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。但是由此而產生的摩擦發熱問題卻難以解決。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題之一。為了解決這一問題，近年來應用磁流體進行真空轉軸動密封的已經在取得了成功。
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，從而使密封結構復雜化。
9.4.2 聯接接隔板密封
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、施加一個旋轉磁場1，該磁場帶動真空容器內鼠籠式轉子2轉動，即可達到隔板密封的目的。
這種密封裝置的特點：
1）磁聯接隔板密封對真空容器內的真空條件沒有影響，同其他幾種動密封相比，其真空性大。
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，從而可以磁聯接隔板密封的性。
3）真空容器內的“污染”，僅取決于運動部件本身的結構元件，是摩擦部件的放氣及隔板的透氣性。
磁聯接隔板密封結構在設計中應注意的問題：
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選擇使它們運動時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是動態平衡狀態。系統內的壓力極限，一方面與泵的抽速有關，另一方面與來自真空殼體及其內部的零部件的氣流量有關。因雖有系統的抽速由于泵有結構尺寸和費用的原因，總存在實際限制。所以，減少氣流量就成為達到真空狀態的基本設計目標，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生化學和物理損傷。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
接觸式真空動密封的結構，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平整光滑，不允許有氣泡雜質、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接是真空系統中常用的聯接形式。它是為滿足真空要求而必須經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，它們有下列一些性能：
金（Au）具有高的化學穩定性，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發生的變形硬化，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過裝拆的聯接，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行退火處理，消除內應力。無氧銅是目前真空密封聯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。
作為聯接用的法蘭盤材料也必須能承受高溫烘烤、抗氧化以及在高溫時仍有良好的力學性能。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足真空密封的要求。
9.3 采用軟件變形的動聯接密封
9.3.1 非金屬軟件變形的動聯接密封
9.3.2 金屬軟件變形的動聯接密封
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。但是由此而產生的摩擦發熱問題卻難以解決。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題之一。為了解決這一問題，近年來應用磁流體進行真空轉軸動密封的已經在取得了成功。
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，從而使密封結構復雜化。
9.4.2 聯接接隔板密封
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、施加一個旋轉磁場1，該磁場帶動真空容器內鼠籠式轉子2轉動，即可達到隔板密封的目的。
這種密封裝置的特點：
1）磁聯接隔板密封對真空容器內的真空條件沒有影響，同其他幾種動密封相比，其真空性大。
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，從而可以磁聯接隔板密封的性。
3）真空容器內的“污染”，僅取決于運動部件本身的結構元件，是摩擦部件的放氣及隔板的透氣性。
磁聯接隔板密封結構在設計中應注意的問題：
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選擇使它們運動時與容器壁或容器內的水銀、銦等的沖擊不大。
