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基礎(chǔ)知識——真空密封
日期：2024-11-29 23:19
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摘要：
真空聯(lián)機(jī)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)使用合成橡膠、環(huán)氧樹脂和塑料。當(dāng)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(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)的抽速由于泵有結(jié)構(gòu)尺寸和費(fèi)用的原因，總存在實際限制。所以，減少氣流量就成為達(dá)到真空狀態(tài)的基本設(shè)計目標(biāo)，成為選擇真空材料的主要準(zhǔn)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(jī)械強(qiáng)度和不發(fā)生化學(xué)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，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(fù)使用。但由于真空系統(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(jié)構(gòu)，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
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(tǒng)中常用的聯(lián)接形式。它是為滿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氧銅兩種，它們有下列一些性能：
金（Au）具有高的化學(xué)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)生的變形硬化，強(qiáng)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(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(jìn)行退火處理，消除內(nèi)應(yīng)力。無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(lián)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(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(yīng)滿足真空密封的要求。
9.3 采用軟件變形的動聯(lián)接密封
9.3.1 非金屬軟件變形的動聯(lián)接密封
9.3.2 金屬軟件變形的動聯(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(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，摩擦損失小，使用的密封結(jié)構(gòu)已成為真空裝置中應(yīng)當(dāng)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(jìn)行真空轉(zhuǎn)軸動密封的已經(jīng)在取得了成功。
真空中應(yīng)用磁流體密封的：
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(dá)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(hù)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。
9.4.2 聯(lián)接接隔板密封
利用磁力把動力傳遞當(dāng)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(dá)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)的真空條件沒有影響，同其他幾種動密封相比，其真空性大。
2）運(yùn)動件與真空容器壁不相接觸，在傳遞運(yùn)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(lián)接隔板密封的性。
3）真空容器內(nèi)的“污染”，僅取決于運(yùn)動部件本身的結(jié)構(gòu)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(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(yùn)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)鐵芯運(yùn)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(qiáng)度和磁鐵與鐵芯的距離應(yīng)選擇使它們運(yùn)動時與容器壁或容器內(nèi)的水銀、銦等的沖擊不大。
真空系統(tǒng)中的壓力在高于10-5Pa真空范圍內(nèi)使用合成橡膠、環(huán)氧樹脂和塑料。當(dāng)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(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)的抽速由于泵有結(jié)構(gòu)尺寸和費(fèi)用的原因，總存在實際限制。所以，減少氣流量就成為達(dá)到真空狀態(tài)的基本設(shè)計目標(biāo)，成為選擇真空材料的主要準(zhǔn)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(jī)械強(qiáng)度和不發(fā)生化學(xué)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，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(fù)使用。但由于真空系統(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(jié)構(gòu)，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
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(tǒng)中常用的聯(lián)接形式。它是為滿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氧銅兩種，它們有下列一些性能：
金（Au）具有高的化學(xué)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)生的變形硬化，強(qiáng)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(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(jìn)行退火處理，消除內(nèi)應(yīng)力。無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(lián)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(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(yīng)滿足真空密封的要求。
9.3 采用軟件變形的動聯(lián)接密封
9.3.1 非金屬軟件變形的動聯(lián)接密封
9.3.2 金屬軟件變形的動聯(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(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，摩擦損失小，使用的密封結(jié)構(gòu)已成為真空裝置中應(yīng)當(dāng)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(jìn)行真空轉(zhuǎn)軸動密封的已經(jīng)在取得了成功。
真空中應(yīng)用磁流體密封的：
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(dá)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(hù)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。
9.4.2 聯(lián)接接隔板密封
利用磁力把動力傳遞當(dāng)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(dá)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)的真空條件沒有影響，同其他幾種動密封相比，其真空性大。
2）運(yùn)動件與真空容器壁不相接觸，在傳遞運(yùn)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(lián)接隔板密封的性。
3）真空容器內(nèi)的“污染”，僅取決于運(yùn)動部件本身的結(jié)構(gòu)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(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(yùn)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)鐵芯運(yùn)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(qiáng)度和磁鐵與鐵芯的距離應(yīng)選擇使它們運(yùn)動時與容器壁或容器內(nèi)的水銀、銦等的沖擊不大。
