11.8. Вакуумные затворы

В вакуумных машинах и установках для коммутации различных частей вакуумной системы широко используются различные вакуумные затворы, классификация которых приведена на рис.

В качестве натекателей могут применяться пористые материалы, некоторые металлы, проницаемые для отдельных газов, например платина для водорода, серебро для кислорода и т. д. Микро-

В прогреваемых конструкциях применяется герметизация за счет пластической деформации материала одной из соприкасающихся поверхностей. Широко распространена конструкция с конусным уплотнительным элементом (рис. 11.31, б), изготовленным из меди или алюминия. Недостатком этой конструкции является постепенное увеличение площади герметизирующих поверхностей, а следовательно, и усилия, необходимого для закрытия клапана. В конструкции рис. 11.31, в уплотнительный элемент работает на срез, усилие герметизации не зависит от числа срабатываний, но возрастает ход запирающего элемента.

В конструкции рис. 11.31, г усилие герметизации и ход уплотнительного элемента не зависят от числа циклов срабатывания, но при этом не происходит и образования чистой поверхности в месте соприкосновения герметизирующих элементов. Надежная работа такой конструкции обеспечивается изготовлением уплотнителя из благородных металлов.

Усилие герметизации (на 1 мм длины уплотнителя) при использовании резиновых уплотнителей составляет 5…2,5 Н, при алюминиевых— 100… 150 Н, при медных — 200…300 Н. Во всех конструкциях вакуумных затворов привод должен обеспечить постоянную величину герметизирующего усилия. Превышение оптимального герметизирующего усилия сокращает число циклов срабатывания затвора.

Уплотнители с расплавляемыми металлами, обычно галлий, индий, олово или свинец (рис. 11.31, д, е), не требуют больших усилий для закрывания. В конструкции рис. 11.31, д уплотнитель

• 2 в момент перемещения герметизирующего элемента 3 должен быть в расплавленном состоянии. В конструкции рис. 11.31, е уплотнитель расплавляется только время от времени для обновления герметизирующей поверхности. Затворы с расплавляемыми уплотнителями имеют малый срок службы из-за быстрого окисления, испарения и механического удаления уплотняющего материала.

Выбор кинематической схемы привода вакуумного затвора определяется усилием герметизации и величиной хода уплотняющего элемента. Часто встречается схема комбинированного ручного и электромеханического привода (рис. 11.32). В корпусе 1 с двумя присоединительными патрубками 10 и 12 поступательно движется герметизирующий элемент 11, связанный с корпусом сильфоном 2. Герметизирующее усилие создается в винтовой паре между валом

• 3 и корпусом 1. Ручной привод осуществляется от штурвала 7, который жестко связан с валом 3, диски фрикционной муфты 4 при этом разъединяются под воздействием пальца, движущегося в угловом пазу полумуфты 6. Усилие ручного привода не регулируется. Электромеханический привод от электродвигателя 9 через червячную передачу 8 и 5, фрикционную муфту 4 и винтовую пару на валу 3 создает герметизирующее усилие, величина которого ограничена максимальным крутящим моментом, передаваемым муфтой 4.

Электромагнитный привод удобен для дистанционного управления вакуумными клапанами. Герметизирующее усилие обычно создается пружиной. При включении электрического тока клапан открывается. Для облегчения условий работы электромагнита в клапанах со значительным герметизирующим усилием применяется схема с ручным взводом и электромагнитным спуском.

Для увеличения герметизирующего усилия и более удобной компоновки затворов применяются шарнирные механизмы (рис. 11.33, а), находящиеся в момент закрытия затвора в положении близком к крайнему, когда достигается наибольшее усиление передаваемого усилия. Механизм эллипсографа (рис. 11.33, б) имеет дополнительное преимущество, так как в месте герметизации в этом случае отсутствует составляющая запирающего усилия, перпендикулярная перемещению герметизирующего элемента. Это предотвращает появление трения в момент уплотнения и позволяет использовать сложные формы уплотняющих элементов.

Вакуумные затворы для трубопроводов больших диаметров для уменьшения габаритов стараются делать плоской формы, используя механизм параллелограмма с малой длиной кривошипа.

При разработке конструкций вакуумных затворов необходимо рассчитать их проводимости при молекулярном режиме течения газа. Для аналитического расчета проводимости затвора необходимо составлять его эквивалентную схему из простых элементов, для которых имеются аналитические зависимости.

В качестве таких простых элементов могут быть рассмотренные ранее длинные или короткие трубы, отверстия, концентрические трубы и т. д. При составлении эквивалентных схем основные трудности возникают при определении входных сопротивлений отверстий.

Аналитические формулы, полученные для проводимостей отверстий, справедливы при подключении их к бесконечному или полу-ограниченному объему или трубопроводу. В общем случае для произвольно расположенных поверхностей, предшествующих входному отверстию, аналитических зависимостей не существует. Для определения проводимостей в этом случае приходится использовать формулу для соединения двух трубопроводов различного поперечного сечения.

Можно оценить ошибку, возникающую при такой замене. Известно, что максимальная ошибка (12%), появляющаяся при расчете трубопроводов без учета входного сопротивления, возникает при длине трубопровода 1=1,2d, где d —диаметр трубопровода. В угловом клапане, например, имеется не менее двух входных сопротивлений, подключенных к ограниченному объему; таким образом, ошибка может составить 24% от общей проводимости клапана. Более высокой точности расчета можно достигнуть только применением метода статистических испытаний.

Рассмотрим в качестве примера расчет углового вакуумного клапана, схема которого изображена на рис. 11.34. Построим эквивалентную схему клапана. Трудности при составлении схемы

Вакуумная техника с каждым годом все шире применяется в научных исследованиях и производстве. Одновременно увеличивается объем исследований, направленный на ее развитие. Расширяется диапазон работы вакуумных насосов и манометров, совершенствуются теоретические представления о самом вакууме и происходящих в нем физико-химических процессах. В последние годы большие успехи достигнуты при изучении поверхностных явлений, происходящих на границе газ — твердое тело. Разработаны новые приборы для анализа поверхности: Оже-спектрометры, вторично-ионные масс-спектрометры и т. д.

Дальнейшее развитие вакуумной техники будет идти по пути создания еще более эффективных средств получения вакуума.

анализа состава и парциальных давлений остаточных газов, тече-искания, изучения свойств поверхности, совершенствования методов расчета и проектирования вакуумных систем, конструкции и технологии изготовления вакуумных установок. Неперспективные ранее принципы работы насосов, манометров и других элементов вакуумных систем после совершенствования их конструкции получают широкое применение. Расширение космических исследований ставит перед вакуумной техникой новые задачи по разработке имитационного оборудования для испытания космических аппаратов в земных условиях. Большие перспективы открываются перед вакуумной технологией при создании принципиально новых материалов и особо чистых веществ. Технология производства электронных приборов широко использует вакуумную технику.

Благодаря широкому применению численных методов повышается точность расчетов вакуумных систем. Многие задачи определения параметров течения разреженного газа в сложных элементах вакуумных систем, которые раньше не могли быть решены, теперь вычисляются с необходимой для практики точностью.

Вычислительная техника обеспечивает возможность автоматизации проектирования вакуумных систем. Создаются первые системы автоматизированного проектирования и банки данных современного вакуумного оборудования. Автоматизация инженерного труда позволяет при проектировании вакуумных систем и элементов находить оптимальные решения. Развитие микроЭВМ позволило создать совершенные системы управления вакуумными установками, выполняющими расчет и расшифровку спектров остаточных газов, анализ математических моделей технологических процессов.

Современная вакуумная техника позволяет получать и измерять давления в 10¹⁸ раз меньше атмосферного, но даже такое состояние газа еще нельзя назвать идеальным вакуумом: в 1 м³ такого вакуума еще содержатся сотни молекул газа. Идеальный вакуум как среда, в которой могут распространяться гравитационное, электромагнитное и другие поля, является еще предметом тщательного исследования современной теоретической физики.