第九讲：真空系统组成元件

第九讲：真空系统组成元件[简介]:真空系统是由真空泵、真空测量装置、真空阀门、连接导管以及捕集器、除尘器、真空继电器规头等元件，经过精心组装而成的。

它能在人们所期望的时间内将被抽容器内的压力降低到所要求的真空度。

由于真空泵和真空测量仪器前面已经讲述，这里仅介绍真空阀门和捕集器。

一、真空阀门1．概述在真空系统中，用来改变气流方向，调节气流量大小，切断或接通管路的真空系统元件称为真空阀门。

真空阀门在真空系统中的作用是：(1)开关气路如图1所示，当阀1和阀4关闭，阀2打开时，机械真空泵Ⅲ对容器I抽真空，气流流经预真空抽气管路；当阀2关闭，阀4打开时，机械泵可单独对扩散泵抽真空；当阀1和阀4同时打开时，扩散泵和机械泵可同时工作，对容器进行抽空，此时气流流经扩散泵。

可见，阀门在这种操作中的作用是开关气路，改变气流的流经路线。

(2)控制气流大小，调节真空度在图1中，调节阀1的阀盖开启角度，即可调节流经管路的气流量大小；关闭阀2和阀4，通过放气阀3可以给机械泵Ⅲ的入口放成大气；通过放气阀5可以调节容器内的真空度。

(3)定量充气如图2所示，在玻璃阀的柱塞上有个一定体积的小洞，当小洞转向右边和高压气瓶连通时，小洞中就可充满高压气体；当它转向左边和真空容器连通时，就把该体积的高压气体放进容器中去，这样就起到了定量充气的作用。

真空阀门的种类繁多，通常按阀门的职能、结构型式、驱动方式、材料和用途进行分类，其分类见表1。

真空阀门的型号编制方法国家专业标准作了规定，可查阅有关标准。

表1 真空阀门分类2．真空阀门的几种典型结构(1)隔膜阀隔膜式真空阀是利用阀杆将弹性体薄膜紧压在阀座上用来隔断气路。

如图3所示，转动手轮可带动阀杆上、下移动，使隔膜离开阀座打开阀门或使隔膜紧压在阀座上关闭阀门。

此种阀门如采用丁晴橡胶隔膜，适用于前级和预抽管道上及温度为-25～80℃的非腐蚀性气体。

如采用氟橡胶隔膜，可用于高真空系统，使用温度范围为-30～150℃。

(2)真空球阀图4所示是真空球阀的结构，该阀中的密封机构是由两个环状弹性体紧压于一个金属球表面构成。

金属球上有一个大穿孔，借助于手柄转动金属球使穿孔改变方向，即可接通或切断气路。

金属球轴杆与阀体间的密封采用O形密封圈密封。

(3)真空蝶阀蝶阀的结构比较简单，如图5所示。

阀板的边缘上嵌有O形密封圈，阀板靠螺栓固定在传动轴阀杆上，使阀杆带动阀板转动，当阀板上的密封圈与阀体紧密接触时即实现了阀门的关闭，从关闭位置、阀板再转动90O时，阀门即完全打开，该种阀门的主要优点是体积小。

结构简单。

(4)插板阀图6和图7是插板阀的两种结构型式。

弹性体密封圈是嵌在阀体上。

转动手柄即可打开或关闭阀门。

图6的插板阀关闭时是靠限位块的斜面压紧阀盖，进而压紧密封圈。

图7的插板阀是靠链板压紧实现阀口密封。

(5)挡板阀图8是一种挡板阀的结构。

该阀通过阀盖的开启和压下来实现管路的接通和截止。

图中，压板23使阀口密封圈24固定于阀盖上。

压板2将阀杆3与阀盖连为一体。

上盖20与阀体22由密封圈21密封。

压帽5和7分别压紧密封圈4和8，实现动密封。

气缸盖11压紧密封圈lO，使气缸16上部密封。

气缸与气缸座17，通过密封圈9密封。

注油管18注入扩散泵油，以减小摩擦并帮助密封。

进气管接头12。

从空气压缩机来压缩空气首先通过加油器19，从加油器中出来的气体含有一定的油，再进入换向阀6，最后进入气缸，一方面润滑换向阀中的活塞，另一方面，防止气缸内表面生锈。

换向阀控制气源进入气缸上下部。

密封垫片13、活塞胶圈14、活塞15，将气缸分为两部分移动于气缸之中，从而控制阀门的开闭。

图9、10、11是三种，不同结构的真空翻板阀。

它们都是用压缩空气为动力源。

在阀门打开或关闭的过程中，阀板的运动有一个翻转过程。

能翻转一个角度。

在图10的结构中，靠滚轮将阀盖挡翻，在这种结构的阀门中，阀盖不能翻转90o。

图9的结构，阀盖的翻转靠四连杆机构实现，阀盖能实现90o翻转。

图11的翻板阀是蚌线机构。

这种阀门结构简单，总高度低，阀板能翻转90o，是我国1971年首创的。

在翻板阀中，阀板翻转90o时，流导较大。

(7)电磁阀真空阀门的驱动方式为磁力驱动的即为电磁阀。

电磁真空阀的密封机构与挡板阀相同，如图12所示。

平时，电磁阀的阀盖靠弹簧压紧封住管路通道，需要开启时，将电磁线圈接通电流，磁力即吸引衔铁，带动阀盖，将阀门打开。

有的电磁真空阀设计成带充气的。

称为电磁真空带充气阀，是专门安装在油封式机械泵入口管路上的专用阀门。

阀门与泵接在同一电源上，泵的启动与停止直接控制了阀的开启与关闭。

当泵停止工作或电源突然中断时，阀能自动将真空管路封闭，并将大气通过泵的进气口充入泵腔，避免泵油返流污染真空系统。

(8)针阀图13是一个超高真空针阀。

针阀是一种微调阀，其阀塞为针形，主要用作调节气流量。

微调阀要求阀口开启逐渐变大，从关闭到开启最大能连续细微地调节。

针形阀塞即能实现这种功能。

针形阀塞一般用经过淬火的钢制长针，而阀座是用锡、铜等软质材料制成。

阀针与阀座问的密封是依靠其锥面紧密配合达到的。

阀针的锥度有1：50和6o锥角两种，锥表面要经过精细研磨。

图中的阀杆与阀座问的密封是靠波纹管实现的。

(9)超高真空阀通常的高、低真空阀门，密封垫圈的材料为橡胶，不能承受高温烘烤。

因而不能使用在超高真空设备上。

能使用在超高真空设备上的超高真空阀门必须满足：(1)能承受高温(400～450℃)多次烘烤；(2)放气量小，气密性好；(3)重复性好；(4)流导大。

图14是超高真空阀门的一种。

其主要部件是无氧铜阀盖，不锈钢阀体和传动导向机构。

阀座刀口型式为直角，挡板起保证阀门重复性的作用，即刀口在阀盖上压出的刀痕每次都能重合。

(10)玻璃真空活塞玻璃活塞山开有孔的锥形芯子及带有连接管的外套组成，芯子与外套之间的接触面是磨光面，其问涂以真空封脂以取得密封。

气体的通路由芯子上的孔和所对准的连接管决定，转动芯子便可控制气体通路。

因用封脂密封，芯子与外套之间就不会漏气。

图15是典型的玻璃真空活塞。

活塞按其连接管道的数目分为二通、三通或多通活塞。

二通又分为对通和直角通。

在图15(b)中，(2)、(3)两种较(1)的型式密封更好，因在使用中有大气压力将锥芯往内压。

(11)无油玻璃真空阀为避免真空油脂对真空环境的影响，可以采用液态金属密封和磨砂口密封。

图16所示是液态金属密封的玻璃真空阀之一。

当要关闭阀门时，用磁铁将装有液态金属的玻璃杯提起，使上部玻璃管插入液态金属内，便可阻断气路；打开时，用磁铁将玻璃杯放下。

液态金属一般使用镓铟锡合金，当镓铟锡比例为62.5％、21.5％、16％时，其熔点只有10.7℃，在室温下为液态，它的饱和蒸气压很低，甚至在500℃时仍低于10-6Pa。

图17所示是玻璃磨口密封的无油真空阀，其密封是由一半球状玻璃阀体与一半球状阀座之间的精密磨光面接触来实现的。

阀门的开启和关闭仍由磁铁从外部操纵。

因是半球状接触，接触面积足够大，所以能保证良好密封。

以上两种玻璃真空阀均可应用于超高真空系统中，但两侧不能承受大的压强差，只能应用在两侧压强相近(相差200～400Pa以内)的场合。

玻璃真空阀只能做成小型的，大口径的阀门必须用金属制造。

3．真空阀门的设计真空阀门是真空系统的重要元件。

对于构成管路一部分的阀门，其流导大小是一个重要的性能参数。

对于主要用来起开关气路作用的阀门，阀板关闭的密封性能也是重要的性能参数之一。

密封性能是用其漏气率来衡量的。

对于主要用来调节气流大小的阀门，能够调节气流量的精度及范围，则是一项重要的性能参数。

对于全金属超高真空阀门，每次关闭是否性能稳定?使用寿命是否长?是其主要的性能指标。

(1)对真空阀门的一般要求①阀门的密封性能要好，阀板密封处的漏气率要小；②阀板开启后应尽可能有较大的流导；③阀门内所用材料应有较低的饱和蒸气压，高抗腐蚀性能和高化学稳定性、耐磨损、寿命长，超高真空阀门应能耐烘烤(400～450℃)；④阀门结构要简单，开关轻便省力，有标志，传动机构在高压侧；⑤真空阀门的型式、基本参数、连接尺寸和技术条件应按国家专业标准执行。

(2)阀板的密封结构和密封力计算①胶垫密封结构及密封力的计算橡胶垫圈密封是利用阀板与阀座间压紧橡胶垫圈，依靠橡胶弹性变形填塞表面不平来实现的密封。

目前真空阀门的胶垫密封归纳起来有6种，如图18所示。

前4种用于较大口径的阀门，后2种用于较小口径的阀门。

a种是早期采用的结构，为了便于加工阀座上的密封槽，必须把阀座与阀壳设计成可拆卸的，这就在结构上增加了一道真空密封。

现在绝大多数阀门都采用阀板上带密封圈的结构，如图中(b)、(c)、d)所示。

选择真空阀门的密封结构时应注意以下几点：a．尽可能减少阀板下高真空侧的放气因素，例如选用放气率小的密封垫材料等．b．关阀后密封圈截面上有最大的压缩变形．c．结构力求简单；d．制造方便；e．密封元件便于拆卸和修理。

阀门关闭的密封性能好坏决定于密封垫填塞阀座表面不平的程度。

影响这种填塞程度的因素有二方面：a．密封垫材料的硬度和压紧程度；b．阀座表面的粗糙度。

通常阀座表面的粗度都高于3.2/Δ，密封垫的硬度都在邵氏硬度55～75之间。

密封垫的压紧程度，根据试验结果，当橡胶的硬度在邵氏硬度50以上，而表面没有任何擦伤时，橡胶垫的高度压缩比在15％以上就能达到漏气率小于1．33×10-7Pa·L／s·cFn。

的密封性能。

如果考虑到制造精度上允许的偏差·把压缩比适当提高一些是必要的。

因此建议真空阀门密封垫的相对压缩比通常取为15％～25％。

胶垫密封闷板的密封力计算，多数可按0形环在矩形槽中受压缩的密封力进行近似地计算Fs=σBL=σxEBxπdD Ｎ (1)式中σ-密封比压力，N／cm2；B-密封宽度，即密封圈与阀座的接触宽度，cm；L-密封圈平均周长，cm；σx-相对比压力；E-密封圈材料的相氏模量，N／cm2；Bx-密封圈的相对宽度，d-密封圈的线径，cm；D-密封槽的中径，cm。

有些阀门只需要单向使用，例如扩散泵入口阀门，阀板只需要封住扩散泵中的真空状态。

这种阀的设计，结构上允许阀板在压力差作用下继续被压紧。

因此，阀板关闭时只需要初始压紧力就可以。

我国1968年真空阀门联合设计中提出，在上述情况下，密封的初始比压力可以取为20N／cm。

实践证明，这种做法是可行的。

故这种阀门的初始密封力为Fs=20BL Ｎ (2)式中B-与密封比压力为20N／cm2相对应的胶垫密封宽度，cm；L-胶垫的长度，cm。

有些阀门需要双向使用，既不但需要封住阀板上方的大气压，有时还得封住阀板下方的大气压。

这种阀门的阀板密封力应用下式计算：Fs=σBL+7.85×10-5D2Pd Ｎ (3)式中Pd是大气压强，Pa；其余符号同前。