超高真空阀门(或称可烘烤真空阀门)与高真空阀门的区别是阀门暴露于真空 中的所有结构材料应有足够低的蒸气压并能承受高温烘烤。为此,阀杆的传动密封 通常采用波纹管密封,金属波纹管传动方式可根据需求参考图3-19进行设计,漏 率要求小于1×10-6Pa·L/s。波纹管每节的伸缩量很小,应尽可能选择移动行程 短的阀门启闭结构,减小波纹管体积和材料出气速率,对于长行程的间门可采用焊 接波纹管,它不仅价格昂贵,而且占有庞大的容积,不利于超高真空的获得,因而 超高真空阀多选用挡板阀门结构,并且将阀体部分扩大,在不影响流导的前提下 阀板的行程较短。 承受高温烘烤带来的另一个问题是阀板的密封,原则上要采用金属密封,大口 径阀门及特殊情况下,密封垫可采用出气速率(相对于其他橡胶)较低,可耐300℃ 以下温度烘烤的氟橡胶,并且需要将橡胶密封槽设计在法兰上,烘烤冷却到室温 后,法兰冷却管道中通入氟利昂制冷到零下20~30℃,用以降低氟橡胶出气速率。 图3-46所示为小口径阀门常用的金属密封结构形式。图中(a)用于调节气流 量的针阀,阀针材料是淬火钢,阀座是无氧高导铜、铝等软金属材料。阀针锥度为 1:50°或60°锥角。阀针表面要经过精细研磨确保锥面紧密配合。图中(b)~(e) 的阀门密封结构与针阀不同,阀座是不锈钢或淬火钢,阀头是无氧高导铜或其他软 金属材料,密封时阀座刀口切入阀头软金属内,靠软金属塑性变形使密封面紧密贴 合达到密封。阀门多次重复使用的气密性取决于高精度的导向定位以及刀口倒角, 设计要求每次关闭时都能使刀痕重合。否则,前次的刀痕将形成漏孔影响密封,刀 尖圆角半径一般为0.1~0.2mm。常见的刀口形状有尖棱形和直角形两种,直角形 所需力矩大于尖棱形。图中(f)是银垫圈挤压在硬金属莫内尔合金之间形成密封 图中(g)是在不锈钢阀头密封端包裹锥形铝环垫片,压人不锈钢锥形刀口中。图 中(D为不同的密封次数将直角刀口铜垫切削出的卷边示意状况,直到切削卷边 到极限值(阀头寿命终止)重新更换新的无氧铜阀头。 较大口径的超高真空金属阀门的密封结构如图347所示的四种。图中(a) 不锈钢刀口与铜垫密封。缺点是刀痕多次重复困难,铜垫受压后容易向两侧滑移。 图中(b)是不锈钢面与铝垫的平面密封结构。优点是铝垫压在不锈钢座的光滑平 面上,受压后靠铝垫凸起本身的变形来锁闭,不锈钢密封面不会产生压痕,因而重 复压紧时的错位对密封影响不大。缺点是不能在阀门关闭的情况下加热烘烤,高温 下受压垫圈本身产生滑移。图中(c)是不锈钢平面与刀口尖角1.5°~2.5°的铜或 铝垫密封。优点是对压紧位置的重合性要求不高,缺点是不能压得过紧,否则密封 面积随密封力急剧增加,影响下次密封。开启时的烘烤温度可达400℃。图中(d) 为不锈钢座与不锈钢垫凸缘密封。凸缘表面镀金或银,相当于在密封表面之间加入 个软金属垫,镀层的厚度应能阻止软金属从界面中挤出,因而能产生大大超过镀 层屈服极限的界面压力。凸缘顶部的圆角很小,使密封宽度限制在0.254~ 0.304mm之间,可减少密封力和维持密封力恒定。阀门启闭状态下都可进行烘烤 但这种密封配合面的精度要求较高,如果表面有了浅的凹痕,对位值的重合性要求 更高,否则产生微漏。 超高真空金属阀门多为小口径阀门,至今口径大于40mm以上的金属阀门使 用寿命尚未完全解决,特别是在周期性反复烘烤时漏气的可能性很大。因此,操作 时要特别细心。结构设计上要求软金属垫圈容易更换,操作时尽可能减少重复烘烤 的次数来延长阀门的使用寿命。用前面介绍的氟橡胶或铟及其他金属合金作阀座材 料,以及使用液态金属密封,可较好地解决使用寿命这一难题。 常用手动超高真空直角阀的结构简图如图3-48和图3-49所示,更换阀头的法 兰密封采用金丝或铟丝密封,图3-48(a)所示为尖刀口密封结构,设计有定位导向 筒用以保证每次启闭的定位精度。图3-48(b)所示为直角形刀口密封结构,定位 导向滑块设计在连接阀头的法兰上,结构较为紧凑。图3-48(c)所示为球形金属密 封结构,不需精确的导向结构,但需要较大的密封力。图3-49所示为超高真空三 通阀,密封方式同图348(b),为球形阀头金属密封。图3-50所示为小口径金属密 封管道阀,由于阀头位移较小,所以用膜片代替金属波纹管。图3-50(a)设计有开 启复位弹簧,以补偿膜片弹力的不足。
