Конструкция вакуумных клапанов

Клапаны значительно различаются по способу приведения в действие, по средству передачи движения, приводящего их в действие, виду корпуса и используемым материалам уплотнения. После того, как выбран тип клапана, следует изучить эти моменты.

Уплотнение приводного механизма

Уплотнение для передачи движения от привода обычно представляет собой либо уплотнительное кольцо, либо металлический сильфон. В диафрагменных клапанах диафрагма служит в качестве уплотнения между внутренней частью клапана и приводным механизмом. Когда для герметизации линейного движения используется уплотнительное кольцо, шток перемещается через уплотнительное кольцо при открытии или закрытии клапана. Хотя идея скользящих уплотнений проста, надежные скользящие уплотнения изготовить или обеспечить достаточно трудно, и они не подходят для эксплуатации при давлениях ниже 10^-6 мм рт. ст. Уплотнительные кольца, используемые для поворотного движения, являются более эффективными, чем уплотнительные кольца для линейного движения. И в том и в другом случае уплотнительное кольцо будет повреждаться очень быстро, если шток или вращающийся вал не имеет полированной поверхности либо отсутствует смазка штока. Консистентная смазка в смазанном скользящем уплотнении может стать загрязняющим веществом; она по меньшей мере будет «впускать» газ каждый раз при закрытии клапана. Также первоначальное перемещение штока или вала может вызывать мгновенную утечку через уплотнительное кольцо, создавая выброс газа. В уплотнениях из эластомера, которые минимизируют эти проблемы, используются два или три уплотнительных кольца, соединенных последовательно, возможно, с откачкой области между уплотнительными кольцами. Кроме того, обеспечивается резервуар для поддержания смазки.

В приводных механизмах, в которых решены проблемы скользящего уплотнительного кольца, используется металлический сильфон, как показано на рис. 1. Один конец сильфона прикреплен к корпусу клапана, а второй присоединен к штоку. Клапаны с уплотнениями- сильфонами могут иметь более высокую первоначальную цену, но их вакуумная эффективность лучше. Многие подходят для использования в режиме сверхвысокого вакуума. После значительного использования сильфон может ломаться, но имеются клапаны с ресурсом свыше 500 000 циклов.

Вентиль вакуумный сильфонный и ильфоны, используемые в клапанах, производят либо формованного типа, либо так называемого сварного и вложенного типов. Сварные сильфоны производятся поочередным свариванием вместе тонких колец по их внутреннему и внешнему диаметру. Витки в формованном сильфоне изготавливаются посредством методов прокатки и других методов формовки на отрезках тонкостенной металлической трубы. Сварные сильфоны являются более дорогими по сравнению с формованными. Также в сжатом сварном сильфоне имеется очень небольшое пространство между смежными витками. В случае формованного сильфона пространство остается между смежными витками в сжатом состоянии. Это представляет собой преимущество в системах, где образуются частицы, поскольку формованные сильфоны характеризуются меньшей вероятностью быть поврежденными. Клапаны со сварными сильфонами часто являются более компактными, поскольку сварные сильфоны для данного хода короче формованных сильфонов для того же хода.

Виды приводов

Клапаны могут открываться и закрываться вручную, с помощью пневматического цилиндра или электромагнитного двигателя. Тип привода не зависит от используемого уплотнения штока. Ручной привод обычно является самым простым и наименее дорогим. Часто используется винтовая схема для создания линейного движения штока клапана. В другой форме ручного привода, встречающейся на более маленьких клапанах, используется рычаг коленчаторычажного механизма и тяга, соединенная со штоком.

Ручной привод является нецелесообразным для клапанов, выполняющих частые циклы, или для клапанов, управляемых дистанционно; в этих случаях используется пневматический или электромагнитный привод. В случае пневматического привода пневматический цилиндр встроен в клапан, при этом поршень подсоединяется напрямую к штоку. Силы, обеспечиваемые пневматическим механизмом, определяют, при каком давлении клапан может создать надежную герметизацию. Цилиндр может быть двойного действия, когда клапан и открывается, и закрывается посредством давления воздуха в зависимости от того, с какой стороны находится поршень. Также используются цилиндры одностороннего действия, когда сжатый воздух либо открывает, либо закрывает клапан. Затем для перемещения клапана в противоположном направлении используется пружина. Клапаны с сочетанием пневматики/пружины обладают преимуществом, заключающимся в том, что в случае отказа питания или сжатого воздуха клапан переходит в известное состояние. Открытое или закрытое состояние зависит от конструкции.

Соленоидный контрольный клапан используется для регулировки воздуха, идущего в пневматический цилиндр исполнительного механизма. В некоторых вариантах установок каждый клапан может иметь свой собственный соленоид, в то время как в других несколько клапанов могут управляться от одного и того же соленоида. Для критических видов применения в чистых вакуумных камерах соленоид или пневматический цилиндр вентилируется в «грязную» зону для минимизации загрязнения. Когда пользователь обеспечивает пневматическое управление, необходимо, чтобы спецификации соленоидного контрольного клапана соответствовали требованиям источника воздуха вакуумного клапана, в противном случае это будет отрицательно отражаться на эксплуатации.

В случае клапанов с металлической герметизацией ручной привод имеет преимущества. Пневматические приводные механизмы имеют тенденцию быть большими и дорогими из-за необходимости в более высоких уплотняющих усилиях. В случае использования многих клапанов с металлическим уплотнением иногда необходимо повторно формовать уплотнение. Это делается путем прижимания друг к другу мягкого и твердого элементов уплотнения посредством усилия, превышающего ранее использованное усилие уплотнения. Эта методика выполняется легче в случае ручного исполнительного механизма, в особенности когда на исполнительном механизме клапана используется динамометрический ключ.

Когда используются клапаны вакуумные с электромагнитным приводом с помощью двигателя, винт или рейка преобразуют вращательное движение двигателя в линейное. В случае клапанов-бабочек редукторный двигатель может связываться напрямую с несущим лопасть валом. Преимуществом управления с помощью двигателя является то, что на клапан необходимо подавать только электрическое питание. Недостатком может быть то, что в случае отключения питания клапан не будет переходить в нужное состояние.

Дистанционно приводимые в действие контрольные клапаны часто имеют привод от шагового двигателя. Вместе с контроллером клапана редукторные шаговые двигатели могут перемещать механизм клапана на очень небольшие и прецизионно регулируемые значения. Некоторые клапаны с ручным приводом могут использоваться для управления, однако простота контроля в значительной мере зависит от конструкции клапана. На большинстве дистанционно управляемых клапанов имеются конечные выключатели. Эти выключатели обеспечивают индикацию того, что шток клапана находится на одном или другом пределе своего хода, а также могут использоваться для того, чтобы сообщить о выполнении клапаном команды открытия или закрытия.

Внутренние уплотнения клапанов

Клапаны, обеспечивающие отсечку газа, имеют либо металлическое, либо полимерное уплотнение между диском и корпусом. Полимеры стоят дешево, но могут повреждаться в результате процесса, обладают более высокими просачиваемостью и газовыделением, могут быть источником частиц и обычно не подходят для условий сверхвысокого вакуума. Пределы температуры термической обработки клапанов обычно определяются используемыми полимерами — либо в вакууме, либо для пневматических уплотнений исполнительного механизма. Клапаны с металлическим уплотнением часто имеют более высокие температуры термической обработки, но некоторые из этих клапанов не могут подвергаться термической обработке в закрытом положении.

Уплотнительные кольца, используемые в качестве уплотнений затворов или наконечников, должны быть соответствующим образом закреплены, в противном случае они могут выпасть из своей канавки во время эксплуатации. Соответствующие канавки уплотнительных колец имеют трапецеидальное сечение и вентилируются. Полимерные уплотнительные материалы могут также приклеиваться прямо к пластине клапана. Клапаны с металлическими уплотнениями затвора или наконечника являются более дорогими, поскольку механизм работы более сложный, и на уплотнительных поверхностях требуется лучшее качество обработки поверхности. Число закрытий, которое может быть получено с помощью металлических уплотнений пластины, зависит от вида применения и аккуратности ухода за клапаном во время его использования. Металлические уплотнения более подвержены повреждению частицами, чем полимерные уплотнения.

Многие клапаны имеют съемное уплотнение корпуса, которое часто называется уплотнением крышки, что позволяет снимать компоненты в вакууме для очистки и сервисного обслуживания. Уплотнение крышки может быть уплотнительным кольцом или другим фасонным эластомером либо металлическим уплотнением. На некоторых клапанах металлические и полимерные уплотнения могут использоваться взаимозаменяемо. Клапаны для сверхвысокого вакуума могут предусматривать устранение уплотнения корпуса в результате использования цельносварной конструкции для корпуса.

Во многих клапанах используется металлическое уплотнение в качестве уплотнения крышки и полимер в качестве уплотнения диска. Это обеспечивает преимущества металлического уплотнения для стабильного уплотнения корпуса без увеличения стоимости и сложности уплотнительного механизма для металлического уплотнения пластины. При такой схеме полимер погружен в вакуум. Как объясняется в подразделе 4.6, уплотнительное кольцо в вакууме гораздо в меньшей степени представляет собой источник газа, чем уплотнительное кольцо, находящееся под действием атмосферы.

Фланцы, трубчатые конструкции и проводимость клапана

Если клапан крепится с помощью фланцев, его можно снимать для сервисного обслуживания или модернизации системы. В некоторых случаях клапаны устанавливаются постоянно посредством сварки или пайки к трубопроводу системы. Проводимость клапана и любого связанного с ним трубопровода должна учитываться в конструкции системы. Формулы и всестороннее рассмотрение расчетов проводимости можно найти у Рота или Бермана. В литературе не содержится большого количества работ по проводимости клапанов. Проводимости клапанов-бабочек были рассчитаны и измерены Гуммером, Хальтером и Гресслем.

Таблица 2. Зависимость проводимости угловых клапанов от давления

Значения проводимости углового клапана часто принимаются «аналогичными проводимости колена того же номинального размера». Штайнберц привел несколько замеренных значений проводимости нескольких размеров угловых клапанов. Эти значения приведены в табл. 2. Эти данные показывают, как проводимость компонента зависит от режима давление- поток. Розанов, Щенев и Акимов рассчитали значения проводимости угловых клапанов с помощью методов Монте-Карло. Они также смоделировали эти клапаны в виде серии трубок отверстий и перегородок. Реальные клапаны затем были экспериментально испытаны, и была установлена хорошая согласованность двух моделей. Эта работа показала, что зазор вокруг сильфона имеет значение для высокой проводимости. В более позднее время Хабланиан, Нуцци и Пфланц измерили проводимость угловых клапанов, в которых размеры корпуса были оптимизированы для получения высокой проводимости. Они также установили, что зазор между корпусом и сильфоном оказывает большее воздействие на проводимость, чем отверстие клапана. В клапане, где наконечник не задевал боковое окно, проводимость не увеличивалась на протяжении последних 20% хода открытия клапана. Розанов и его коллеги также отметили, что после определенного открытия клапана проводимость значительно не увеличивалась. Преимущество конструкций с коротким ходом заключается в том, что значительно увеличивается срок службы сильфона. Хабланиан и его коллеги исследовали клапан без сильфона с электрическим приводом и пришли к выводу, что его проводимость составляет приблизительно 90% проводимости колена такого же номинального размера.