真空講座第10講

第十講：真空密封是由多個部件，多種不同材料的組件組建而成的。這些各式各樣的零件要用不同的密封方法連接在一起，這些密封方法既要保證零件的可靠連接又要防止通過接頭發(fā)生漏氣，保證真空系統(tǒng)的密封質量，把真空系統(tǒng)的漏氣率控制在一定范圍內，所以真空密封是真空系統(tǒng)設計、裝配過程中的重要問題。概述真空系統(tǒng)是由真空泵、閥門、撲集器、導管等各種元件通過不同的連接形式組成的，就是真程中的重要問題。有些真空密封除了要求不漏氣之外，還要求能夠允許電流傳輸、運動的傳輸、材料的遞送或永久密封連接永久密封連接用于不需經(jīng)常拆卸的密封連接處，用這種方法可以保證最好的密封和機械強度。玻璃與玻璃的封接玻璃與玻璃之間的封接通常是在煤氣或天燃氣和氧氣的混合火焰中進行燒結熔化而進行的。為了保證封接可靠，必須使封接玻璃之間的熱膨脹系數(shù)極為相近，否則會因封接時產(chǎn)生的內應應力不致引起炸裂。如果膨脹系數(shù)太大，則應采取膨脹系數(shù)介于二者之間的中間玻璃進行過渡封接。經(jīng)過封接的地方最好采用退火工藝來消除內應力，否則封接處也易引起破裂。玻璃熱穩(wěn)定性差，在封接時應注意火焰作用在玻璃上的溫度，因為溫度急劇變化也會引起玻璃的炸裂。玻璃與金屬封接匹配封接和非匹配封接。匹配封接指的是膨脹系數(shù)相近的玻璃和金屬之間的封接，封接處內應力??；非匹配封接指的是膨脹系數(shù)相差較大的玻璃和金屬之間的封接，封接處內應力大，為了消除玻璃與金屬膨脹系數(shù)相差較大而產(chǎn)生的內應力，一般多采用延展性好的薄壁金屬管與玻璃封接，靠金屬的塑性變形來消除內應力。2400金屬與金屬的焊接焊接方法金屬之間的焊接方法較多，用于真空密封中的一些焊接方法如圖3所示。無壓熔焊是不使用壓力將被焊件相互接觸，使接觸部位局部加熱，由于金屬表面或邊緣的局部熔比而加壓焊接則是對加熱或不加熱金屬元件用壓力連接在一起。其中電阻焊需要加熱、冷焊則不需要加熱。率較大的焊劑，因此，它在真空密封連接中只是用在焊接笨重的銅或鐵容器上。電弧焊是以工件與電極間或兩個電極間的電弧所獲得的熱量為基礎的一種焊接技術。其中原～60A)碳弧焊是在碳電極和工件之間或兩個碳電極之間使用直流直接引弧(；100V)接可用來焊鐵、鎳、鋁或銅。這種工藝多用在鋁和不銹鋼的焊接上。在惰性的氬弧或氦弧焊中，工件和鎢電極間使用直流或交流，電弧在氬或氦的氣氛中工作。交流(250～300A；100V)15～200A)銹鋼、銅、銀和鈦等金屬。惰性氣弧焊則是由于電子束焊接是在1.310-Pa真空條件下用電子束轟擊焊件產(chǎn)生的熱量而進行的，因此可獲得高質量的焊縫。多用于不銹鋼，鋁合金、鎢、鉬及鉭的焊接上。加壓焊接中的電阻焊是對金屬焊接件在相互壓緊的情況下通過高強度的電流所產(chǎn)生的電阻熱而把被焊件焊接起來的一種焊接工藝。冷焊是通過對焊件施加足夠的壓力在冷170～250Nmm2500～750N／mm2，不銹鋼為2000N／mm2。冷焊的焊面必須無氧化物和脫脂良好。這種工藝多用于抽成真空的金屬管子的封口。真空技術對焊縫的要求真空技術對焊縫有如下幾點要求，在設計和焊接時應予以注意。①設計焊縫結構時，接頭必須焊透，應避免產(chǎn)生聚集污物的有害空間。真空技術中常4正確的焊接總是將焊縫放在真空一側并且進行深度熔焊。錯誤的焊接多數(shù)都會形成死②焊縫應一次焊好，以避免兩次焊接時造成有害空間而無法檢漏?？缀腿住６医Y構焊縫不應與密封焊縫相交叉。前矯正。10-Pam3／sm。如果漏率較高，因為補焊不但不易堵住漏孔，反而容易產(chǎn)生應力使焊縫產(chǎn)生新的裂縫。金屬釬焊釬焊是利用第三種熔點較低的金屬連接兩個金屬零件的方法，是一種低溫焊接。該方法是把被焊金屬和低熔點焊料放在一起加熱，使焊料熔液通過毛細管吸引作用進入兩個被焊零件的很貼近的表面間的間隙中，釬焊焊接的特點是不損傷被焊的金屬件，因而多用于尺寸較小的鋼、50050～200是適于真空釬焊的一些被焊材料及其焊接的溫度和所使用的焊料。在有些物理不相容性的情況中，某些釬焊合金不可與某些特別的金屬釬焊的方式有火焰焊、爐焊和感應焊接。用州性焰或還原焰。火焰釬焊需要使用焊劑，焊后必須將焊劑從接頭上仔細地清除干凈，因為殘留在密封的真空一側的焊劑具有高的出氣率。爐釬焊就是在具有保護氣氛(真空、中性氣體)的爐中加熱要釬焊的金屬組件。感應釬焊利用高頻電流(400～2000kHz)由于真空釬焊的材料蒸氣壓較低，又是在真空條件下焊接的，因此它不但可以保證更高的焊要滿足真空密封的要求，得到不漏的釬焊焊縫，應遵循下列各點。要好。②焊件間的間隙不能寬或不規(guī)則。③焊件間互相搭接部分的最小值必須是3mm以上，以便讓毛細力吃進釬焊合金。④如果要釬焊熱膨脹系數(shù)不同的金屬，必須使組件在冷卻過程中壓縮釬焊合金。5⑥如果要避免釬焊合金在表面上流動，必須在面上涂碳或鉻。⑦在用于真空密封的釬焊中，最好選擇搭接和梯接，如圖6所示?？刹鹈芊膺B接在真空系統(tǒng)需要經(jīng)常拆卸的地方，應用可拆密封連接，這種連接在密封性能和機械強度上雖構有如下幾種。撓性連接撓性連接件主要有三種，即真空橡膠管、塑料管和波紋管。真空橡膠管是用橡膠制成的一種50mm7用于靜連接的彈性體密封墊圈丁腈橡膠、氟橡膠、硅橡膠、聚四氯乙烯等彈性體制成圓形截面或矩形截面的環(huán)，然后將其夾在兩個連接件之間并壓8這些因素對密封性能的影響，接觸部位金屬表面的粗糙度至少要求加工到3.2/計910mm、16mm、25mm、40mm等四種規(guī)格。其10abOO用于靜連接的金屬密封墊圈為了適應超高真空系統(tǒng)進行高溫烘烤的需要，在超高真空管道連接處應采用金屬密封墊圈，其材料大都是具有延展性好、蒸氣壓低的一些金屬及合金（等）但是密封時需要有較大的壓緊力和較嚴格的調整技術，而且重復使用次數(shù)也較少。O11間即可達到密封的目的。圖中（a）適用于銦絲，因400oC較大夾緊壓力。圖中450oC12acdc、d用于靜連接的雙重密封墊圈雙重密封圈的密封效果真空橡膠圈在密封時，通過它所滲漏的氣體量與許多因素有關。例如橡膠的種類、硬度、蒸差。實驗證明：密封圈兩側壓差的減小，可極大地提高其密封性能。13aPdSeSePQQ=SeP=C（Pd-P）（1）CP=[C/（Se+C）]Pd（2）如果使用雙重墊圈密封，并在雙重墊圈之間用抽速為S的真空泵抽空，在雙重墊圈之間建立1PP`，13（b）所示。則1P`=[C/(Se+C)]P(3)1兩種情況相比較，顯然P`=（P/Pd）P（4）1P=101Pa1Pd=105PaP`=10所獲得的真空度。雙重密封法蘭結構14OO形圈之間設有排氣空腔，用真空泵抽氣的密封法蘭15O1O1O21.3×10O1.310-~1.310-Pa時影響最顯著，后者在真空度為1.310-~1.310-Pa時影響最顯著。因此這種結構在設計上把超高真空側的密封圈選OO1.310-Pa，則獲得1.310-Pa的超高真空是完全可能的。真空規(guī)管的密封連接真空規(guī)管密封連接的形式如圖16所示?？繑Q緊螺母或壓帽壓縮膠圈來實現(xiàn)密封。電輸入密封連接電輸入密封的設計要求將電輸入到真空容器中去進行供電，在各種真空設備上是經(jīng)常遇到的，對于金屬真空設備來電線的溫度等因素考慮，對輸電線本身及真空密封材料的設計要求是度過高時破壞真空橡膠圈和影響真空室的真空度。時應涂以真空油脂。③輸電線的直徑應大小適當，不應使電流密度過大，以防輸電線過熱。④由于輸電線上有一定的電壓，因此必須使它與連接密封處絕緣，特別是高壓輸電線，更不絕緣材料有真空橡膠，玻璃，陶瓷、玻璃布板、玻璃布棒、黃蠟布，聚四氟乙烯等。⑤應考慮頻率的影響。在低頻下頻率對密封的影響并不大，但是在高頻下，輸電線同絕緣材108Hz因此必須降低輸電線的電阻率或采用其他材料。500oC用任何不能承受溫度的材料。3.6.2電輸入密封的結構3.6.2電輸入密封的結構常用的電輸入密封結構有如下幾種。①接線柱式密封17空設備上最常采用的把電引入到真膜設備上即常常用這種結構對鍍膜室內的照明裝置供電。18結構。②固定式導電桿密封19d≤20mm（b）型。動密封連接等機構的傳動；真空鍍膜設備工件架的轉動等。密封連接在長期工作中必須保證外界環(huán)境不向真空容器內漏氣或使漏氣維持在設計要求的范圍之內。32動連接接觸密封分述如下。11①固體密封件中潤滑的作用及潤滑材料的選擇過這些溝槽滲漏到真空容器中去。圖32真空動密封連接的分類使用石蠟較稠的潤滑劑時應注意，在較高溫度下石蠟會強烈蒸發(fā)，（60oC1.310-g/cm2.mi）。為了保證用液體潤滑的真空動密封具有長期的工作能40~50oC②接觸式真空動密封的結構接觸式真空動密封結構，最常采用的有如下幾種類型。（a）O33101000r/min0.2m/s復運動的距離較長時，通常在孔壁上開密封槽。（b）J型橡膠圈密封J1020%~35%，安裝好后彈性體在密封中呈截錐形（34），在大氣壓作用2m/s（c）JO型橡膠圈密封35J2m/s2000r/min23623，把3250.8/。3712，235，6910837的接合處保持氣密性。381523467。橡膠圈在壓縮狀態(tài)下，能保證氟塑料密封環(huán)與軸表面為恒彈性接觸。在這種結構中，對密封環(huán)的線性磨損還可作機械補償。2139所示。圖中a1條件是＜2γ/P1式中γ—2—密封高壓側壓力1

(15)圖中b是具有液體靜密封的裝置，其中P-P應等于液柱高度，一般把密封容器2設置在真1 2設置中間抽氣室。一旦中間室的壓力增大，則會產(chǎn)生向真空室噴出密封液體的危險。3蒸氣壓力值。可見，這些金屬做為液態(tài)密封物質是可以的。對于不同壓差的最大間隙對于不同壓差的最大間隙（μ）液體密封物質溫度（oC）表面張力（N/m1.0105（Pa）1.3104（Pa）鎵4073514.7112錫30052010.478汞154879.572鉛3504208.464鉍3003707.456有機液體2025~300.5~0.63.8~4.5表３易熔金屬的蒸氣壓力金屬熔化溫度（金屬熔化溫度（oC）t汞-38.9-520鎵29.8500銦156500錫232500鉍271300tptptp401.310-41261333003.27104100402002.261033601.071057111.310-78591.310-69651.310-56001.310-86671.310-77461.310-68231.310-7----4741.310-75361.310-66091.310-5溫度（溫度（oC）和蒸氣壓力(Pa)p1.310-61.7310-1＜10-10＜10-10＜10-10＜10-10①磁流體真空動密封原理磁流體也稱為鐵磁流體或磁液。它是將摻入到載液中的鐵磁性微粒（＜10nm）用分散劑均4具有在通常離心力和磁場作40123440b）和非磁性體（40c）在真空轉軸動密封技術中，磁性流體轉軸動密封技術具有零泄漏、無固體摩擦、能耗小、無機械磨損、壽命長、適于傳遞高轉速（120000r/min）10-30~120oC度下工作時必須采用冷卻或升溫措施，從而導致密封裝置結構復雜化。②磁流體軸密封的結構真空磁流體軸密封的整體結構如圖41所示。磁性流體位于兩個支撐軸承的一側，軸承可以采取潤滑措施。磁流體轉軸密封部位通常采用的幾4240每個磁鐵與其對應的一對極靴構成各自獨立的磁42（c）只使用一個磁鐵，是一種單磁路多級磁流體密封結構。這種結結構，對其設計計算方法給予介紹。③磁流體密封耐壓計算及其影響因素分析磁流體兩側面的磁場強度有關，從而與磁性流體在軸向的厚度有關，而軸向厚度取決于磁43大，但注入量達到一定值后，耐壓不再增大，而是穩(wěn)定在一個恒定狀態(tài)。（磁流體與轉軸接觸表面間的相對速度增大會導致摩擦功耗增加而使磁性4420m/s磁流體密封結構設計的關鍵問題是保證密封件具有足夠的耐壓能力。磁流體密封破壞機理的靠工作的最基本條件。磁流體密封結構的實際許用耐壓能力ΔP可由下式給出。式中 ——磁流體平均磁化強度，A/m—B—最大工作磁感應強度，T0Δλ—β—N密封級數(shù)n安全系數(shù)該式的特點在于：不僅從量值上正確全面地計算了耐壓值，可以作為密封結構設計的最基磁流體平均磁化強度磁流體平均磁化強度可定義為式中 Hmax

——密封間隙中的最大工作磁場強度H——密封間隙中的最小工作磁場強度minM(H)——磁流體的磁化曲線由（16）式可知，磁流體的 值越大，越有利于密封耐壓的提高。因此，在選取磁流體材料時應予以考慮。境溫度偏高或偏低時應選擇能夠用于該溫度范圍的磁流體。β這一系數(shù)定量反映了轉軸線相對于極靴軸線出現(xiàn)偏心振動等情況是對密封耐壓的降低作用。eLgr的關系為式r取值范圍為（0，1），β的對應取值為（1，0），r的值，決定著LgLgr定義式及（18）Lg（16）值，（0.8），再推r值，然后；根據(jù)實際實際結構精度所能限制的轉軸最大偏心量，計算出密封間隙LgB0是密封齒型間隙中工作磁感應強度的最大值，它的取值體現(xiàn)了磁回路結構材料的性質對0結構設計的限制。由耐壓公式（16）B0取值盡可能大，而根據(jù)磁極靴極B0不能超過極靴材料的飽和磁感應強度值。否則，極靴材B0值，保證極靴工作在磁導B0=1.0~1.6T2T。此外，對轉軸偏心影響的研究結果表明，適當提高轉軸和導磁極靴的磁飽和程度，可以降42（a）,(b0效。NnNN否則各極齒間磁場分布不均現(xiàn)象嚴重。在一般低壓密封中（耐壓1~2個大氣壓），可以采用42（c）所示的單磁路級密封結構，按實際耐壓要求，計算出所需要的總級數(shù)NN/2。如果外界壓差過高，則應采用多組串聯(lián)的結構形式。n密封可靠性所要求的保險程度。Δλ齒型結構的最大相對導磁率差Δ定義為極齒間隙中磁場強度最大、最小值之差與最大值之比，即Δ=Hmax-Hmin）/Hmax。根據(jù)磁場分析，當極靴未達到磁飽和時，Δ只與齒型結設計要點之一就是使Δ值盡可能大。G0越少，永久磁鐵的體積就越小，該齒型結構也就越好。至此，可以看出，磁流體真空轉軸密封的設計計算主要包括兩個內容。一是極靴齒型結構的設計計算，即設計出Δ大G小的最佳極齒結構和合適的極齒數(shù)目，以保證密封結構具有足0夠的耐壓能力，并算出Δ和G的值；二是整個磁路的設計與校核計算，目標是保證密封間0隙中的實際最大工作磁感應強度接近選定的B值，整個磁路內部工作參數(shù)合適，外部結構合0理。下面將分別討論這兩項內容的設計計算方法。④最佳極齒結構的設計與計算如圖和梯形極齒（如圖是較為理想的兩種常用齒型。前者耐壓耐壓能力也較大。因此，這里主要介紹這兩種齒型的結構參數(shù)設計要點。aΔ和G的計算o如前所述，齒型結構的最大相對導磁率差Δ和幾何磁導G是評價齒型優(yōu)劣的關鍵指標，也是磁o需要，對于一個給定的齒型結構（如圖45標注），可按如下簡化方法得到Δ和Go的值。L/Ltg

/L和L/L的值，直接從圖46h s s g中查取該齒型的Δ值和系數(shù)G2算出該齒型的幾何磁導G=RL[6.287(L/L－4＋o g t

G] (19)2式中轉軸半徑R、齒型間隙L可以是任意的長度單位，G的單位為對應的長度平方。g ocp梯形齒，可根據(jù)比值t/和b/，由圖47及表5中查取齒型的最大相對導磁率ΔλcpG=2πRbλo cp(20)間的比例關系有關，而不受各參數(shù)獨立取值的影L/L=3~5tgL/L=20~30s g值的取值范圍是：b/δ=30~4t/δ=1.54傾角α=40~60o。按此最佳取值選定各比值，代入前面已設計出的密封間隙值L（或），即可算出齒型的各結構參數(shù)值。g⑤磁路的設計與校核計算42的實際工作參數(shù)，確保密封件具有足夠的耐壓能力。永久磁鐵幾何尺寸的設計計算，主要是保證間隙中的最大工作磁感應強度B。利用磁路工o作氣隙的參數(shù)，即前面計算出的極靴齒型區(qū)的密封間隙L和幾何磁導G，根據(jù)磁路磁壓定律g o和磁通量連續(xù)原理，可得到如下永久磁鐵幾何尺寸設計公式軸向長度Lm

=2f1

L/Hog m

(21橫截面積Sm

=0.5fBNG/B2o o m

(22式中的f為磁路的磁壓損失系數(shù),等于永久磁鐵產(chǎn)生的磁壓與作用在工作間隙上的有用磁壓之1比。它包含了導磁極靴和轉軸上的磁壓損失，磁鐵與極靴接觸面處的氣隙磁壓損失，磁力線在工作間隙中曲線疚的磁壓損失等因素。f2量與通過極齒的有用磁通量之比。它考慮的因素有極靴、轉軸側面的漏磁通，永久磁鐵側面的漏磁通，極齒邊緣效應的漏磁通等。ff1 2周圍環(huán)境的材料以及加工工藝等因素有關，永久磁鐵的自退磁效應也應通過這兩個系數(shù)考慮，因此其取值范圍很寬，一般為1.2~2或更大。Bo

=μH；H、Bo oo m

為組成磁路后永久磁鐵內部的實際工作磁場、磁感應強度。為充分利用永磁材料內部的磁能，降低永久磁鐵的用料，磁路設計時一般都希望將永磁體內部實際工作點選在永磁材料最大磁能積點H*

，即取H=Hm

，Bm

。如果已知所用永磁材料的退磁曲線，則可以從曲線上直接查出*

B* *

Brc

max三項指標值，則可視(23)、(24)式近似算出H和B* *由式如果相差較大，則需按照實際磁鐵尺寸，修正極靴齒型結構，使磁路內部的磁場工作參數(shù)取值合適。修正極齒結構的步驟是：利用式(21)、(22)反算出齒型間隙L和幾何磁導G，再以此g o計互為依據(jù)地多次反復，才能最后確定全部密封結構，進行校核計算。磁路校核計算的主要內容，就是驗算永久磁鐵的實際工作點和密封間隙中的工作磁感應強H、B，代入式m m直至數(shù)據(jù)吻合為止。如果無退磁曲線，也可用下式來近似代替退磁曲線方程，計算H和Bm mB=B(H-H

) (25)m r c m c m式中

]3/2rc max將式

=μHo o

聯(lián)立，按設計結構和實際工況決定各個數(shù)的取值，則可求o得磁路實際內部各工作參數(shù)的取值。例如密封間隙中最大工作磁感應強度為Bo及永磁鐵工作點合理，磁路的磁壓、磁流損失較小，說明磁路設計合理，便可進行整個密封結構的耐壓能力驗算，將各影響因子的精確值代入式中，則得到結構的實際許用耐壓值，如果該值大于工作中的最大可能壓差，則設計工作結束；否則需要重新修改設計。動連接非接觸密封動連接非接觸密封與接觸密封的主要區(qū)別是向真空容器內傳遞運動和力的桿件和密封器壁間沒非接觸動密封的運轉使用是非常可靠的。減壓密封4813OJJOQS(S=Q/P

=C(P2

-P)/P1 2 2

/P)-1] (27)1 2式中P——附加容器內的壓力1P—高真空容器內的壓力2從上式可見，要想降低密封抽速S，一是降低流導C，這意味著提高加工精度；二是降低P，即是設置減壓室(對附加容器抽空)。1ee

。即要求：S≤0.1Se分子運動密封向高真空容器傳遞高速旋轉運動時可以利用堝49400m/s的數(shù)量級。這種分子運動密3~4個數(shù)量級。由于這種分子運動密封的結構特別復雜，實際的廣泛應用很難做到。磁連接隔板密封）①傳遞旋轉運動的電機（或電磁聯(lián)軸節(jié)）式屏蔽筒密封裝置501334有觀察窗，用以觀察轉子的轉動情況。512，把類似結構的外磁鐵13215mm2mm左右的石英隔板410000r/min10一些缺點，在使用范圍上受到一定限制。大時，可能隔板密封是不適宜的；限；(e)在結構上難以確定真空中從動部件的位置。