真空讲座第10讲

第十讲：真空密封是由多个部件，多种不同材料的组件组建而成的。这些各式各样的零件要用不同的密封方法连接在一起，这些密封方法既要保证零件的可靠连接又要防止通过接头发生漏气，保证真空系统的密封质量，把真空系统的漏气率控制在一定范围内，所以真空密封是真空系统设计、装配过程中的重要问题。概述真空系统是由真空泵、阀门、扑集器、导管等各种元件通过不同的连接形式组成的，就是真程中的重要问题。有些真空密封除了要求不漏气之外，还要求能够允许电流传输、运动的传输、材料的递送或永久密封连接永久密封连接用于不需经常拆卸的密封连接处，用这种方法可以保证最好的密封和机械强度。玻璃与玻璃的封接玻璃与玻璃之间的封接通常是在煤气或天燃气和氧气的混合火焰中进行烧结熔化而进行的。为了保证封接可靠，必须使封接玻璃之间的热膨胀系数极为相近，否则会因封接时产生的内应应力不致引起炸裂。如果膨胀系数太大，则应采取膨胀系数介于二者之间的中间玻璃进行过渡封接。经过封接的地方最好采用退火工艺来消除内应力，否则封接处也易引起破裂。玻璃热稳定性差，在封接时应注意火焰作用在玻璃上的温度，因为温度急剧变化也会引起玻璃的炸裂。玻璃与金属封接匹配封接和非匹配封接。匹配封接指的是膨胀系数相近的玻璃和金属之间的封接，封接处内应力小；非匹配封接指的是膨胀系数相差较大的玻璃和金属之间的封接，封接处内应力大，为了消除玻璃与金属膨胀系数相差较大而产生的内应力，一般多采用延展性好的薄壁金属管与玻璃封接，靠金属的塑性变形来消除内应力。2400金属与金属的焊接焊接方法金属之间的焊接方法较多，用于真空密封中的一些焊接方法如图3所示。无压熔焊是不使用压力将被焊件相互接触，使接触部位局部加热，由于金属表面或边缘的局部熔比而加压焊接则是对加热或不加热金属元件用压力连接在一起。其中电阻焊需要加热、冷焊则不需要加热。率较大的焊剂，因此，它在真空密封连接中只是用在焊接笨重的铜或铁容器上。电弧焊是以工件与电极间或两个电极间的电弧所获得的热量为基础的一种焊接技术。其中原～60A)碳弧焊是在碳电极和工件之间或两个碳电极之间使用直流直接引弧(；100V)接可用来焊铁、镍、铝或铜。这种工艺多用在铝和不锈钢的焊接上。在惰性的氩弧或氦弧焊中，工件和钨电极间使用直流或交流，电弧在氩或氦的气氛中工作。交流(250～300A；100V)15～200A)锈钢、铜、银和钛等金属。惰性气弧焊则是由于电子束焊接是在1.310-Pa真空条件下用电子束轰击焊件产生的热量而进行的，因此可获得高质量的焊缝。多用于不锈钢，铝合金、钨、钼及钽的焊接上。加压焊接中的电阻焊是对金属焊接件在相互压紧的情况下通过高强度的电流所产生的电阻热而把被焊件焊接起来的一种焊接工艺。冷焊是通过对焊件施加足够的压力在冷170～250Nmm2500～750N／mm2，不锈钢为2000N／mm2。冷焊的焊面必须无氧化物和脱脂良好。这种工艺多用于抽成真空的金属管子的封口。真空技术对焊缝的要求真空技术对焊缝有如下几点要求，在设计和焊接时应予以注意。①设计焊缝结构时，接头必须焊透，应避免产生聚集污物的有害空间。真空技术中常4正确的焊接总是将焊缝放在真空一侧并且进行深度熔焊。错误的焊接多数都会形成死②焊缝应一次焊好，以避免两次焊接时造成有害空间而无法检漏。孔和塞孔。而且结构焊缝不应与密封焊缝相交叉。前矫正。10-Pam3／sm。如果漏率较高，因为补焊不但不易堵住漏孔，反而容易产生应力使焊缝产生新的裂缝。金属钎焊钎焊是利用第三种熔点较低的金属连接两个金属零件的方法，是一种低温焊接。该方法是把被焊金属和低熔点焊料放在一起加热，使焊料熔液通过毛细管吸引作用进入两个被焊零件的很贴近的表面间的间隙中，钎焊焊接的特点是不损伤被焊的金属件，因而多用于尺寸较小的钢、50050～200是适于真空钎焊的一些被焊材料及其焊接的温度和所使用的焊料。在有些物理不相容性的情况中，某些钎焊合金不可与某些特别的金属钎焊的方式有火焰焊、炉焊和感应焊接。用州性焰或还原焰。火焰钎焊需要使用焊剂，焊后必须将焊剂从接头上仔细地清除干净，因为残留在密封的真空一侧的焊剂具有高的出气率。炉钎焊就是在具有保护气氛(真空、中性气体)的炉中加热要钎焊的金属组件。感应钎焊利用高频电流(400～2000kHz)由于真空钎焊的材料蒸气压较低，又是在真空条件下焊接的，因此它不但可以保证更高的焊要满足真空密封的要求，得到不漏的钎焊焊缝，应遵循下列各点。要好。②焊件间的间隙不能宽或不规则。③焊件间互相搭接部分的最小值必须是3mm以上，以便让毛细力吃进钎焊合金。④如果要钎焊热膨胀系数不同的金属，必须使组件在冷却过程中压缩钎焊合金。5⑥如果要避免钎焊合金在表面上流动，必须在面上涂碳或铬。⑦在用于真空密封的钎焊中，最好选择搭接和梯接，如图6所示。可拆密封连接在真空系统需要经常拆卸的地方，应用可拆密封连接，这种连接在密封性能和机械强度上虽构有如下几种。挠性连接挠性连接件主要有三种，即真空橡胶管、塑料管和波纹管。真空橡胶管是用橡胶制成的一种50mm7用于静连接的弹性体密封垫圈丁腈橡胶、氟橡胶、硅橡胶、聚四氯乙烯等弹性体制成圆形截面或矩形截面的环，然后将其夹在两个连接件之间并压8这些因素对密封性能的影响，接触部位金属表面的粗糙度至少要求加工到3.2/计910mm、16mm、25mm、40mm等四种规格。其10abOO用于静连接的金属密封垫圈为了适应超高真空系统进行高温烘烤的需要，在超高真空管道连接处应采用金属密封垫圈，其材料大都是具有延展性好、蒸气压低的一些金属及合金（等）但是密封时需要有较大的压紧力和较严格的调整技术，而且重复使用次数也较少。O11间即可达到密封的目的。图中（a）适用于铟丝，因400oC较大夹紧压力。图中450oC12acdc、d用于静连接的双重密封垫圈双重密封圈的密封效果真空橡胶圈在密封时，通过它所渗漏的气体量与许多因素有关。例如橡胶的种类、硬度、蒸差。实验证明：密封圈两侧压差的减小，可极大地提高其密封性能。13aPdSeSePQQ=SeP=C（Pd-P）（1）CP=[C/（Se+C）]Pd（2）如果使用双重垫圈密封，并在双重垫圈之间用抽速为S的真空泵抽空，在双重垫圈之间建立1PP`，13（b）所示。则1P`=[C/(Se+C)]P(3)1两种情况相比较，显然P`=（P/Pd）P（4）1P=101Pa1Pd=105PaP`=10所获得的真空度。双重密封法兰结构14OO形圈之间设有排气空腔，用真空泵抽气的密封法兰15O1O1O21.3×10O1.310-~1.310-Pa时影响最显著，后者在真空度为1.310-~1.310-Pa时影响最显著。因此这种结构在设计上把超高真空侧的密封圈选OO1.310-Pa，则获得1.310-Pa的超高真空是完全可能的。真空规管的密封连接真空规管密封连接的形式如图16所示。靠拧紧螺母或压帽压缩胶圈来实现密封。电输入密封连接电输入密封的设计要求将电输入到真空容器中去进行供电，在各种真空设备上是经常遇到的，对于金属真空设备来电线的温度等因素考虑，对输电线本身及真空密封材料的设计要求是度过高时破坏真空橡胶圈和影响真空室的真空度。时应涂以真空油脂。③输电线的直径应大小适当，不应使电流密度过大，以防输电线过热。④由于输电线上有一定的电压，因此必须使它与连接密封处绝缘，特别是高压输电线，更不绝缘材料有真空橡胶，玻璃，陶瓷、玻璃布板、玻璃布棒、黄蜡布，聚四氟乙烯等。⑤应考虑频率的影响。在低频下频率对密封的影响并不大，但是在高频下，输电线同绝缘材108Hz因此必须降低输电线的电阻率或采用其他材料。500oC用任何不能承受温度的材料。3.6.2电输入密封的结构3.6.2电输入密封的结构常用的电输入密封结构有如下几种。①接线柱式密封17空设备上最常采用的把电引入到真膜设备上即常常用这种结构对镀膜室内的照明装置供电。18结构。②固定式导电杆密封19d≤20mm（b）型。动密封连接等机构的传动；真空镀膜设备工件架的转动等。密封连接在长期工作中必须保证外界环境不向真空容器内漏气或使漏气维持在设计要求的范围之内。32动连接接触密封分述如下。11①固体密封件中润滑的作用及润滑材料的选择过这些沟槽渗漏到真空容器中去。图32真空动密封连接的分类使用石蜡较稠的润滑剂时应注意，在较高温度下石蜡会强烈蒸发，（60oC1.310-g/cm2.mi）。为了保证用液体润滑的真空动密封具有长期的工作能40~50oC②接触式真空动密封的结构接触式真空动密封结构，最常采用的有如下几种类型。（a）O33101000r/min0.2m/s复运动的距离较长时，通常在孔壁上开密封槽。（b）J型橡胶圈密封J1020%~35%，安装好后弹性体在密封中呈截锥形（34），在大气压作用2m/s（c）JO型橡胶圈密封35J2m/s2000r/min23623，把3250.8/。3712，235，6910837的接合处保持气密性。381523467。橡胶圈在压缩状态下，能保证氟塑料密封环与轴表面为恒弹性接触。在这种结构中，对密封环的线性磨损还可作机械补偿。2139所示。图中a1条件是＜2γ/P1式中γ—2—密封高压侧压力1

(15)图中b是具有液体静密封的装置，其中P-P应等于液柱高度，一般把密封容器2设置在真1 2设置中间抽气室。一旦中间室的压力增大，则会产生向真空室喷出密封液体的危险。3蒸气压力值。可见，这些金属做为液态密封物质是可以的。对于不同压差的最大间隙对于不同压差的最大间隙（μ）液体密封物质温度（oC）表面张力（N/m1.0105（Pa）1.3104（Pa）镓4073514.7112锡30052010.478汞154879.572铅3504208.464铋3003707.456有机液体2025~300.5~0.63.8~4.5表３易熔金属的蒸气压力金属熔化温度（金属熔化温度（oC）t汞-38.9-520镓29.8500铟156500锡232500铋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温度（温度（oC）和蒸气压力(Pa)p1.310-61.7310-1＜10-10＜10-10＜10-10＜10-10①磁流体真空动密封原理磁流体也称为铁磁流体或磁液。它是将掺入到载液中的铁磁性微粒（＜10nm）用分散剂均4具有在通常离心力和磁场作40123440b）和非磁性体（40c）在真空转轴动密封技术中，磁性流体转轴动密封技术具有零泄漏、无固体摩擦、能耗小、无机械磨损、寿命长、适于传递高转速（120000r/min）10-30~120oC度下工作时必须采用冷却或升温措施，从而导致密封装置结构复杂化。②磁流体轴密封的结构真空磁流体轴密封的整体结构如图41所示。磁性流体位于两个支撑轴承的一侧，轴承可以采取润滑措施。磁流体转轴密封部位通常采用的几4240每个磁铁与其对应的一对极靴构成各自独立的磁42（c）只使用一个磁铁，是一种单磁路多级磁流体密封结构。这种结结构，对其设计计算方法给予介绍。③磁流体密封耐压计算及其影响因素分析磁流体两侧面的磁场强度有关，从而与磁性流体在轴向的厚度有关，而轴向厚度取决于磁43大，但注入量达到一定值后，耐压不再增大，而是稳定在一个恒定状态。（磁流体与转轴接触表面间的相对速度增大会导致摩擦功耗增加而使磁性4420m/s磁流体密封结构设计的关键问题是保证密封件具有足够的耐压能力。磁流体密封破坏机理的靠工作的最基本条件。磁流体密封结构的实际许用耐压能力ΔP可由下式给出。式中 ——磁流体平均磁化强度，A/m—B—最大工作磁感应强度，T0Δλ—β—N密封级数n安全系数该式的特点在于：不仅从量值上正确全面地计算了耐压值，可以作为密封结构设计的最基磁流体平均磁化强度磁流体平均磁化强度可定义为式中 Hmax

——密封间隙中的最大工作磁场强度H——密封间隙中的最小工作磁场强度minM(H)——磁流体的磁化曲线由（16）式可知，磁流体的 值越大，越有利于密封耐压的提高。因此，在选取磁流体材料时应予以考虑。境温度偏高或偏低时应选择能够用于该温度范围的磁流体。β这一系数定量反映了转轴线相对于极靴轴线出现偏心振动等情况是对密封耐压的降低作用。eLgr的关系为式r取值范围为（0，1），β的对应取值为（1，0），r的值，决定着LgLgr定义式及（18）Lg（16）值，（0.8），再推r值，然后；根据实际实际结构精度所能限制的转轴最大偏心量，计算出密封间隙LgB0是密封齿型间隙中工作磁感应强度的最大值，它的取值体现了磁回路结构材料的性质对0结构设计的限制。由耐压公式（16）B0取值尽可能大，而根据磁极靴极B0不能超过极靴材料的饱和磁感应强度值。否则，极靴材B0值，保证极靴工作在磁导B0=1.0~1.6T2T。此外，对转轴偏心影响的研究结果表明，适当提高转轴和导磁极靴的磁饱和程度，可以降42（a）,(b0效。NnNN否则各极齿间磁场分布不均现象严重。在一般低压密封中（耐压1~2个大气压），可以采用42（c）所示的单磁路级密封结构，按实际耐压要求，计算出所需要的总级数NN/2。如果外界压差过高，则应采用多组串联的结构形式。n密封可靠性所要求的保险程度。Δλ齿型结构的最大相对导磁率差Δ定义为极齿间隙中磁场强度最大、最小值之差与最大值之比，即Δ=Hmax-Hmin）/Hmax。根据磁场分析，当极靴未达到磁饱和时，Δ只与齿型结设计要点之一就是使Δ值尽可能大。G0越少，永久磁铁的体积就越小，该齿型结构也就越好。至此，可以看出，磁流体真空转轴密封的设计计算主要包括两个内容。一是极靴齿型结构的设计计算，即设计出Δ大G小的最佳极齿结构和合适的极齿数目，以保证密封结构具有足0够的耐压能力，并算出Δ和G的值；二是整个磁路的设计与校核计算，目标是保证密封间0隙中的实际最大工作磁感应强度接近选定的B值，整个磁路内部工作参数合适，外部结构合0理。下面将分别讨论这两项内容的设计计算方法。④最佳极齿结构的设计与计算如图和梯形极齿（如图是较为理想的两种常用齿型。前者耐压耐压能力也较大。因此，这里主要介绍这两种齿型的结构参数设计要点。aΔ和G的计算o如前所述，齿型结构的最大相对导磁率差Δ和几何磁导G是评价齿型优劣的关键指标，也是磁o需要，对于一个给定的齿型结构（如图45标注），可按如下简化方法得到Δ和Go的值。L/Ltg

/L和L/L的值，直接从图46h s s g中查取该齿型的Δ值和系数G2算出该齿型的几何磁导G=RL[6.287(L/L－4＋o g t

G] (19)2式中转轴半径R、齿型间隙L可以是任意的长度单位，G的单位为对应的长度平方。g ocp梯形齿，可根据比值t/和b/，由图47及表5中查取齿型的最大相对导磁率ΔλcpG=2πRbλo cp(20)间的比例关系有关，而不受各参数独立取值的影L/L=3~5tgL/L=20~30s g值的取值范围是：b/δ=30~4t/δ=1.54倾角α=40~60o。按此最佳取值选定各比值，代入前面已设计出的密封间隙值L（或），即可算出齿型的各结构参数值。g⑤磁路的设计与校核计算42的实际工作参数，确保密封件具有足够的耐压能力。永久磁铁几何尺寸的设计计算，主要是保证间隙中的最大工作磁感应强度B。利用磁路工o作气隙的参数，即前面计算出的极靴齿型区的密封间隙L和几何磁导G，根据磁路磁压定律g o和磁通量连续原理，可得到如下永久磁铁几何尺寸设计公式轴向长度Lm

=2f1

L/Hog m

(21横截面积Sm

=0.5fBNG/B2o o m

(22式中的f为磁路的磁压损失系数,等于永久磁铁产生的磁压与作用在工作间隙上的有用磁压之1比。它包含了导磁极靴和转轴上的磁压损失，磁铁与极靴接触面处的气隙磁压损失，磁力线在工作间隙中曲线疚的磁压损失等因素。f2量与通过极齿的有用磁通量之比。它考虑的因素有极靴、转轴侧面的漏磁通，永久磁铁侧面的漏磁通，极齿边缘效应的漏磁通等。ff1 2周围环境的材料以及加工工艺等因素有关，永久磁铁的自退磁效应也应通过这两个系数考虑，因此其取值范围很宽，一般为1.2~2或更大。Bo

=μH；H、Bo oo m

为组成磁路后永久磁铁内部的实际工作磁场、磁感应强度。为充分利用永磁材料内部的磁能，降低永久磁铁的用料，磁路设计时一般都希望将永磁体内部实际工作点选在永磁材料最大磁能积点H*

，即取H=Hm

，Bm

。如果已知所用永磁材料的退磁曲线，则可以从曲线上直接查出*

B* *

Brc

max三项指标值，则可视(23)、(24)式近似算出H和B* *由式如果相差较大，则需按照实际磁铁尺寸，修正极靴齿型结构，使磁路内部的磁场工作参数取值合适。修正极齿结构的步骤是：利用式(21)、(22)反算出齿型间隙L和几何磁导G，再以此g o计互为依据地多次反复，才能最后确定全部密封结构，进行校核计算。磁路校核计算的主要内容，就是验算永久磁铁的实际工作点和密封间隙中的工作磁感应强H、B，代入式m m直至数据吻合为止。如果无退磁曲线，也可用下式来近似代替退磁曲线方程，计算H和Bm mB=B(H-H

) (25)m r c m c m式中

]3/2rc max将式

=μHo o

联立，按设计结构和实际工况决定各个数的取值，则可求o得磁路实际内部各工作参数的取值。例如密封间隙中最大工作磁感应强度为Bo及永磁铁工作点合理，磁路的磁压、磁流损失较小，说明磁路设计合理，便可进行整个密封结构的耐压能力验算，将各影响因子的精确值代入式中，则得到结构的实际许用耐压值，如果该值大于工作中的最大可能压差，则设计工作结束；否则需要重新修改设计。动连接非接触密封动连接非接触密封与接触密封的主要区别是向真空容器内传递运动和力的杆件和密封器壁间没非接触动密封的运转使用是非常可靠的。减压密封4813OJJOQS(S=Q/P

=C(P2

-P)/P1 2 2

/P)-1] (27)1 2式中P——附加容器内的压力1P—高真空容器内的压力2从上式可见，要想降低密封抽速S，一是降低流导C，这意味着提高加工精度；二是降低P，即是设置减压室(对附加容器抽空)。1ee

。即要求：S≤0.1Se分子运动密封向高真空容器传递高速旋转运动时可以利用埚49400m/s的数量级。这种分子运动密3~4个数量级。由于这种分子运动密封的结构特别复杂，实际的广泛应用很难做到。磁连接隔板密封）①传递旋转运动的电机（或电磁联轴节）式屏蔽筒密封装置501334有观察窗，用以观察转子的转动情况。512，把类似结构的外磁铁13215mm2mm左右的石英隔板410000r/min10一些缺点，在使用范围上受到一定限制。大时，可能隔板密封是不适宜的；限；(e)在结构上难以确定真空中从动部件的位置。