СВЕРХВЫСОКОВАКУУМНЫЙ ЗАТВОР

Область техники
Полезная модель относится к области вакуумной техники и предназначена для повышения герметичности и цикличности срабатывания крупногабаритных, прогреваемых сверхвысоковакуумных затворов (Ду 250 мм и более) при наличии пыли в вакуумной системе.
Уровень техники
-6
-9
-8
-4
-7
-9
В статье (C.L. Foerster and D. McCafferty "Selection and evaluation of ultrahigh vacuum gate valve for ISABELLE beam line vacuum system". J. Vac. Sci. Technol. April 1981, p. 997-1000) были представлены результаты термоциклических испытаний опытного образца затвора Ду 88 мм с медным двусторонним уплотнением. После 56 циклов термоциклирования в интервале температур +25°С - +250°С величина натекания по гелию через 1 зону герметизации была 9,2⋅10 лТор/с. Эта величина соответствует потоку последовательно через 2 зоны герметизации на уровне 1⋅10 лТор/с и повышению потока до 1⋅10 лТор/с через 24 часа. Повышение верхнего предела температурного интервала испытаний до +350°С привело к повышению потока через 1 зону герметизации до величины 3,0⋅10 лТор/с, что соответствует потоку последовательно через 2 зоны герметизации на уровне 1,4⋅10 лТор/с. Данное значение значительно превышает принятую допустимую величину 1⋅10 лТор/с. В заключение публикации авторы отмечают наличие проблемы создания прогреваемых затворов и необходимости проведения дополнительных испытаний на прототипах.
Повышение потока натекания в этом конструктивном выполнении затвора обусловлено в наибольшей мере изменением условий взаимодействия в зоне герметизации вследствие отжига медного уплотнителя.
-9
3
-8
-6
3
-5
-10
3
-9
В исследовательской поисковой работе (В.В. Вязовецков, В.Л. Орлов, Н.И. Столяров «Выбор материала и испытания уплотнительных пар типа сталь-сталь для плоских затворов». Тезисы докладов научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника». Гурзуф, 1994 г., с. 156) представлены результаты термоциклических испытаний уплотнительного диска со сдвоенными герметизирующими стальными посеребренными выступами шириной 1 мм и диаметром 82 мм. Установлено, что при температуре 300 К поток натекания по гелию через 2 параллельно соединенные зоны герметизации был равен величине 1⋅10 мПа/с (0,75⋅10 лТор/с). После термоциклирования макета от 300 К до 673 К поток натекания по гелию через 2 параллельно соединенные зоны герметизации возрос до величины 2⋅10 мПа/с (1,5⋅10 лТор/с). Учитывая прохождение потока в закрытом состоянии устройства последовательно через 2 зоны герметизации и возможность дополнительной откачки полости затвора вполне достижимо получение натекания через затвор на уровне 1⋅10 мПа/с (0,75⋅10 лТор/с) и ниже.
К недостаткам данного конструктивного решения можно отнести применение уникальных материалов и технологий изготовления узла герметизации. Повышение натекания с увеличением температуры верхнего предела термоциклирования до 400°С объясняется появлением микроповодок герметизирующих поверхностей, вызванных неизбежной релаксацией высоких локальных механических напряжений в зоне герметизации и неравномерным изменением размеров герметизирующих элементов. В связи с этим при повышении усилий герметизации и размеров перекрываемого отверстия надежность герметизации таких прогреваемых затворов будет снижаться.
-11
3
-7
3
Известны цельнометаллические сверхвысоковакуумные затворы, в которых герметизация устройства осуществляется по узкой зоне герметизации. Испытания по влиянию пыли на герметичность таких цельнометаллических затворов показали увеличение величины потока натекания после 100 циклов закрытия-открытия от 1⋅10 мПа/с до 2,9⋅10 мПа/с (Kenjiro Obara, Tetsuys Abe, Yoshio Murarami, Masahiro Yamamoto, Masatsugu Shimizu, Kiyoshy Chiba and Kazuo Itoh "Development of All Metall Gate Valve for JT-60 Diagnostic Port (I), (II)", Journal of the vacuum Society Japan, 1983, V. 26, N 5, p. 435-444). Пыль в вакуумной камере образуется от взаимодействия высокоэнергетических частиц со стенками камеры, а также появляется при трении силовых элементов во внутрикамерных механизмах. Для указанной конструкции затвора пыль является вредным фактором, неизбежно и необратимо снижающим его герметичность.
-9
Известны цельнометаллические сверхвысоковакуумные затворы (UK Patent Application GB 2152195 А, Application published 31 Jul 1985. Seal device for a gate valve. Applicants Fuji Seiko Kabushiki Kaisha (Japan) и другие, Inventors Kenzaburo Sugisaki, Mutsuro Onada, Hajime Ishimaru), конструктивное выполнение которых предназначено для снижения влияния пыли на герметизирующие свойства устройства. Герметизация затвора осуществляется прижатием к двустороннему плоскому запорному элементу 2-х плоских алюминиевых мембран и применением высоковакуумной откачки полости затвора. В статье (Н. Ishimaru, T. Kuroda, О. Kaneko, Y. Oka and K. Sakurai All aluminum alloy, 800-mm-inner diameter gate valve using dual flat-face seals together with differential pumping, Journal of the vacuum science and technology, A 3 (3), May/Jun 1985, p. 1703-1706) представлены результаты испытаний такого затвора Ду 800 мм с откачкой его полости турбомолекулярным насосом с быстротой откачки 50 л/с. Величина потока через затвор соответствовала значению 1,5⋅10 лТор/с. Затвор прогревался до 150°С в открытом или закрытом состоянии. Отмечается допустимость больших скоростей нагрева и охлаждения устройства.
-6
Недостатком является чувствительность к пыли, твердость которой превышает твердость алюминиевой мембраны. Особенностью технологии изготовления затвора является получение герметизирующего контакта уплотнительных элементов посредством доведения взаимодействующих поверхностей до зеркального состояния. Проводимость одинарного такого контакта оценивалась на уровне 2,6⋅10 л/с, что является сравнительно большой величиной.
Известны прогреваемые затворы серии ЗПТ, в которых уплотняющий диск содержит эластомерный уплотнитель из фторкаучука (Авторское свидетельство СССР на изобретение №708096, К.Д. Данилов, М.В. Шнитко, O.К. Курбатов и др. Вакуумный затвор. Опубл. 05.01.1980. Бюллетень №1, 1980 г. Л.В. Аринин, К.Д. Данилов, Э.П. Коллеров, В.И. Казаков, О.К. Курбатов, Б.Г. Львов, М.В. Шнитко Высоковакуумные и сверхвысоковакуумные плоские затворы маятникового типа, Приборы и техника эксперимента, 1985 г., №2, с. 214-215).
-11
3
-10
В процессе высокотемпературного обезгаживающего прогрева затвора до 450°С предотвращение перегрева эластомерного уплотнителя заслонки достигается посредством водяного охлаждения седла. Такие затворы способны сохранять герметизирующую способность при многократном срабатывании (ресурс безотказной работы > 100000 циклов открытий-закрытий, поток натекания менее 1,33⋅10 мПа/с (1⋅10 л⋅ммрт.с/с)). Экспериментально подтверждена работоспособность затворов ЗПТ 250 на термоядерной установке Т-10 при наличии частиц пыли в разрядной камере.
Недостатком таких затворов является сравнительно большая величина газовыделения из эластомера в перекрываемую сверхвысоковакуумную магистраль. Поэтому в настоящее время эластомерные уплотнители в чистых сверхвысоковакуумных системах ускорителей не применяются. Другим ограничением является возможность взаимодействия высокоэнергетического потока частиц с эластомером (например, в волноводах гиротронных комплексов в термоядерных установках).
В монографии (Джордж Фредерик Уэстон «Техника сверхвысокого вакуума»: Пер. с англ. - Москва, Мир, 1988 г., табл. 2.7, с. 71) приведены значения удельной скорости газовыделения при комнатной температуре эластомера витон А после предварительной подготовки:
-6
3
2
- при предварительной откачке в течение 51 часа без нагрева - 130⋅10 мПа/с⋅м;
-6
3
2
- после нагрева до 200°С в течение 24 часов и общей откачки в течение 101 часов - 2,7⋅10 мПа/с⋅м;
-6
3
2
- после выдержки на воздухе в течение 24 часов и продолжительности откачки в 48 часов - 40⋅10 мПа/с⋅м.
-6
3
2
В учебнике (Розанов Л.Н. «Вакуумная техника: учебник для вузов по специальности «Вакуумная техника». - 2-е изд. - Москва. «Высшая школа», 1990 г. - 320 с.) в таблице 11.6 величина удельного газовыделения эластомера ИРП-2043 при максимальной температуре 250°С оценивается величиной 30⋅10 мПа/с⋅м.
Из приведенных значений очевидна необходимость обезгаживающего прогрева эластомера и его охлаждение до комнатной температуры для снижения потока газовыделения.
-9
3
2
Удельная скорость газовыделения нержавеющей стали после высокотемпературного обезгаживающего прогрева оценивается величиной 10 мПа/с⋅м (таблица 11.2, Розанов Л.Н. «Вакуумная техника: учебник для вузов по специальности «Вакуумная техника». - 2-е изд. - Москва. «Высшая школа», 1990 г. - 320 с.), которая по сравнению с вышеприведенными значениями удельных скоростей газовыделения с эластомера ниже на 3-4 порядка.
Надежность прогреваемых сверхвысоковакуумных затворов определяется конструкцией именно узла герметизации. Цельнометаллическое исполнение устройства ведет к сравнительно малой величине газовыделения из полости затвора в перекрываемую сверхвысоковакуумную магистраль в открытом состоянии, но обладает малой цикличной надежностью герметизации (большим потоком натекания) в условиях термоциклирования и наличия частиц пыли в вакуумной системе. Кроме того, цельнометаллическое выполнение таких затворов требует применения уникальных материалов и технологий изготовления герметизирующих элементов. Альтернативное выполнение затворов с использованием упругих эластичных уплотнителей позволяет повысить циклическую надежность их герметизации. Однако при таком выполнении устройства поток газовыделения из уплотнителя значительно больше, чем при цельнометаллическом исполнении.
Конструкция запирающих элементов затвора с герметизирующими поверхностями, сжатие которых с уплотняющими выступами уплотнительного диска, перекрывающего вакуумную магистраль, может быть выполнена разным образом.
Например, оба запирающих элементов затвора могут перемещаться в осевом направлении и прижиматься к единому детали, совмещающей уплотнительные диск и кольцо, подобно аналогу (UK Patent Application GB 2152195 A, Application published 31 Jul 1985. Seal device for a gate valve. Applicants Fuji Seiko Kabushiki Kaisha (Japan). H. Ishimaru, T. Kuroda, O. Kaneko, Y. Oka and K. Sakurai All aluminum alloy, 800-mm-inner diameter gate valve using dual flat-face seals together with differential pumping, Journal of the vacuum science and technology, A 3 (3), May/Jun 1985, p. 1703-1706).
Возможно неподвижное закрепление запирающих элементов затвора на корпусе затвора. В процессе закрывания затвора осуществляется осевое перемещение обоих уплотняющих выступов уплотнительного диска затвора к запирающим элементам корпуса затвора ( and WIKBERG. Т., Vacuum, 21, 457, 1971).
Третий вариант выполнения затворов предусматривает наличие одного неподвижного запирающего элемента, обычно изготовленного заодно с корпусом затвора, а другой запирающий элемент осуществляет перемещение в осевом направлении. Этот вариант выполнения запирающих элементов применен в затворе (патент РФ 2059914), выбранного в качестве прототипа.
Для всех вариантов характерно повышение натекания при наличии пыли, уникальность материалов и технологий изготовления запирающих элементов и уплотнительных дисков. Предлагаемые конструктивные нововведения применимы для любой разновидности затвора. Поэтому будем использовать в описании затвора вместо признака «седло», примененного в описании прототипа, более широкое понятие - «запирающее кольцо» затвора. Кроме того, в прототипе не оговаривался существенный признак «герметизирующая поверхность» запирающего элемента, который, безусловно, существуют. Так как этот признак важен для выполнения нового вводимого признака, то его наличие приписывается прототипу.
Выбор в качестве прототипа затвора (патент РФ 2059914) объясняется осуществимостью замены уплотнительных элементов без снятия затвора с перекрываемой магистрали и расположением пневмосистемы механизма герметизации вне вакуумной полости затвора в отличие от аналогов, что повышает удобства наладки и эксплуатации затвора.
Недостатками затвора являются:
- малая герметичность затвора (большой поток натекания через затвор) и низкий ресурс работоспособности затвора в процессе термоциклирования и наличия пыли в перекрываемой магистрали;
- высокая стоимость затвора вследствие использования уникальных материалов и технологий выполнения герметизирующих поверхностей;
- сложность конструкции затвора, большие габариты и вес затвора вследствие сравнительно больших усилий герметизации.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности многократной герметизации перекрываемой магистрали.
Для достижения этого результата предложен сверхвысоковакуумный затвор, содержащий корпус с запирающими кольцами, снабженными герметизирующими поверхностями, уплотнительное кольцо и уплотнительный диск с уплотняющими выступами, механизм перемещения уплотнительного кольца и уплотнительного диска, механизм герметизации затвора с возможностью сжатия уплотняющих выступов уплотнительного кольца и диска с герметизирующими поверхностями запирающих колец, патрубок системы откачки, при этом уплотняющие выступы уплотнительного диска выполнены упругоэластичными.
Кроме того, вокруг упругоэластичного уплотняющего выступа уплотнительного диска установлен трубопровод с охлаждающей жидкостью.
Кроме того, уплотнительный диск выполнен с двумя упругоэластичными уплотняющими выступами.
Кроме того, на запирающих кольцах, кроме имеющихся герметизирующих поверхностей дополнительно выполнены внешние герметизирующие поверхности, причем уплотняющие выступы уплотнительного диска выполнены с возможностью их сжатия с внешними герметизирующими поверхностями запирающих колец, а уплотняющие выступы уплотнительного кольца выполнены с возможностью их сжатия с внутренними поверхностями запирающих колец.
В предлагаемой полезной модели герметизации магистрали от атмосферы осуществляется более надежным упругим эластичным уплотняющим выступом, а наличие откачки полости затвора обеспечивает снижение потока в перекрываемую магистраль в открытом состоянии затвора. При этом степень герметичности, а также число гарантированных циклов срабатывания многократно увеличивается.
Важным является снижение требования к состоянию герметизирующих поверхностей. При больших размерах сечения перекрываемой магистрали возможны отклонения от правильной геометрической формы герметизирующих поверхностей, вызванные неточностью изготовления, установки затвора и появлением поводок герметизирующих поверхностей при термоциклировании затвора. Поэтому создание надежных высоко герметичных крупногабаритных сверхвысоковакуумных прогреваемых цельнометаллических затворов проблематично.
Снижение потока газовыделения с упругого эластичного уплотнителя при прогревах затворах достигается его принудительным охлаждением. Установка трубопровода с охлаждающей жидкостью вокруг упругого эластичного уплотнителя позволяет увеличить площадь теплопередающей поверхности, что повышает эффективность системы охлаждения по сравнению с охлаждением плоскости седла в аналоге (Авторское свидетельство СССР на изобретение №708096, К.Д. Данилов, М.В. Шнитко, O.К. Курбатов и др. Вакуумный затвор. Опубл. 05.01.1980. Бюллетень №1, 1980 г. Л.В. Аринин, К.Д. Данилов, Э.П. Коллеров, В.И. Казаков, О.К. Курбатов, Б.Г. Львов, М.В. Шнитко Высоковакуумные и сверхвысоковакуумные плоские затворы маятникового типа, Приборы и техника эксперимента, 1985 г., №2, с. 214-215). Кроме этого появляется возможность прогрева затвора в открытом состоянии до больших температур.
Взаимодействие уплотняющих выступов уплотнительного диска с внешними герметизирующими поверхностями запирающих колец, а уплотняющих выступов уплотнительного кольца с внутренними герметизирующими поверхностями запирающих колец позволяет снизить влияние пыли магистрали на степень герметичности закрывания затвора.
При расположении упругоэластичного уплотняющего выступа с одной стороны уплотнительного диска повышается надежность герметизации именно этого контакта, однако поток газовыделения в магистраль через щель между уплотнительным диском и запирающим кольцом будет больше по сравнению с вариантом взаимодействия металлического герметизирующего выступа с герметизирующей поверхностью запирающего кольца при наличии откачанной полости затвора. В большинстве случаев величина потока с упругого эластичного уплотнителя несущественна для режима эксплуатации с перекрытой магистралью. Однако для некоторых случаев важным является исключение взаимодействия мощных электромагнитных волн с материалом упругого эластичного уплотнителя, тогда следует располагать в такой части перекрытой магистрали металлический герметизирующий выступ уплотнительного диска.
Расположение упругого эластичного герметизирующего выступа со стороны запирающего кольца, выполненного в корпусе затвора, позволяет более надежно перекрывать примыкающую к ним область вакуумной магистрали. Это объясняется меньшей зависимостью натекания от разности давлений в перекрытых областях магистрали и меньшей чувствительностью к появлению натекания в полости затвора через вводы движения в вакуум.
Размещение упругих эластичных герметизирующих выступов с обеих сторон уплотняемого диска (см фиг.) позволяет надежно перекрывать полость затвора от магистрали. При этом становится возможным открыть полость затвора на атмосферу и поменять уплотняемое кольцо без напуска в магистраль атмосферного воздуха.
Поток газовыделения с упругого эластичного уплотнителя и других внутрикамерных поверхностей значительно меньше потока через неплотности цельнометаллического герметизирующего контакта при перекрытии атмосферы от вакуума. Поэтому быстроту откачки насоса можно значительно снизить. В закрытом состоянии затвора с упругими эластичными уплотняющими выступами на уплотнительном диске откачка полости затвора может даже отключаться.
По сравнению с затвором, выполненным в виде цельнометаллической конструкции, усилие герметизации существенно снижается, что позволяет упростить конструкцию механизма герметизации, снизить вес и габариты всего затвора.
Краткое описание чертежа модели
На фигуре схематично показан вариант выполнения сверхвысоковакуумного затвора в закрытом состоянии со следующими элементами:
1 - корпус затвора;
2, 3 - запирающие кольца;
4, 5 - внутренние герметизирующие поверхности запирающих колец 2, 3;
6, 7 - внешние герметизирующие поверхности запирающих колец 2, 3;
8 - мембрана;
9 - держатель разъемный;
10 - уплотнительное кольцо;
11 - уплотняющие выступы уплотнительного кольца 10;
12 - уплотнительный диск;
13, 14 - уплотняющие выступы уплотнительного диска 12;
15, 16 - пружины;
17 - трубопровод с охлаждающей жидкостью;
18, 19 - разъемные соединения корпуса затвора;
20 - механизм перемещения уплотнительного кольца 10 и уплотнительного диска 12;
21 - механизм герметизации затвора;
22 - пневмокамера механизма герметизации затвора;
23 - возвратная пружина механизма герметизации;
24 - патрубок системы откачки.
Осуществление полезной модели
Основным конструкционным материалом затвора является аустенитная сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72. Пружины 15, 16 и 23 выполняются из немагнитного сплава 36НХТЮ8М ГОСТ 10994 - 74. В качестве материала уплотняющих выступов 13, 14 может использоваться упругий эластомер марки ИРП 51-1578 на основе фторкаучука СКФ-26 ТУ 38105116-81.
Внутренние герметизирующие поверхности 4, 5 запирающих колец 2, 3, взаимодействующие с уплотняющими выступами 11 уплотнительного кольца 10, полируются. Внешние герметизирующие поверхности 6, 7 запирающих колец 2, 3, взаимодействующие с упругими эластичными уплотняющими выступами 13, 14 уплотнительного диска 12, выполнены тонким точением.
В зависимости от температуры прогрева в закрытом состоянии материалом покрытия уплотняющих выступов 11 уплотнительного кольца 10 является алюминий или серебро.
Механизм перемещения 20 содержит две одинаковые направляющие, ограничивающие перемещение разъемного держателя 9 в поперечном направлении, закреплены к разъемному соединению 18 корпуса 1 и запирающему кольцу 2. В связи с несущественностью и многообразием возможного конструктивного выполнения этих элементов они не отражены на фигуре.
Положения разъемного держателя 9 в открытом и закрытом положении затвора определяются его фиксацией механизмом перемещения 20, который может управляться ручным, пневматическим, электромеханическим, электромагнитным приводом или их комбинацией.
Работоспособность упругоэластичного уплотнителя уплотняющих выступов 13, 14 уплотнительного диска 12 при обезгаживающем прогреве затвора обеспечивается его принудительным охлаждением жидкостью, пропускаемой по трубопроводу 17, расположенному в непосредственной близости от уплотняющего выступа. Важным является возможность прогрева затвора в открытом состоянии до больших температур, что повышает качество процесса обезгаживания магистрали.
Повышенная надежность эластомерного уплотнителя марки ИРП 51-1578 на основе фторкаучука СКФ-26 ТУ 38105116-81 в качестве упругоэластичного уплотнителя создает возможность его установки как с одной, так и с другой из сторон уплотнительного диска 12 или с обеих его сторон. Варианты выполнения герметизирующих выступов определяются требованиями к условиям эксплуатации сверхвысоковакуумной системы.
Вакуумирование корпуса затвора 1 проводится с помощью системы откачки, присоединяемой к патрубку 24.
При чрезмерном снижении герметичности вследствие накопления пыли в зоне герметизации проводится смена уплотнительного кольца 10 в закрытом состоянии затвора через разъемное соединение корпуса затвора 19. Снятие уплотнительного диска 12 и общая чистка полости затвора проводится после изъятия разъемного держателя 9 с механизмом перемещения уплотнительных кольца 10 и диска 12 через разъемные соединения 18, 19 корпуса затвора 1.
При горизонтальном расположении оси перекрываемой магистрали уплотнительный диск 12 предпочтительно устанавливать в верхнем положении разъемного держателя 9 для понижения энергии привода и времени его перемещения в процессе закрытия затвора.
Механизм герметизации затвора 21 содержит закрепленные на корпусе затвора 1 кольцевую пневмокамеру 22 и возвратную пружину 23.
Срабатывание затвора осуществляется следующим образом.
Примем за начальное положение затвора его открытое состояние, в котором уплотняющие выступы 11 уплотнительного кольца 10 герметично сжимаются с внутренними герметизирующими поверхностями 4, 5 запирающих колец 2, 3 усилием пневмокамеры 22, преодолевая усилия пружины 15 и возвратной пружины 23. Полость затвора откачивается высоковакуумной откачкой полости затвора через патрубок 24, снижая поток газовыделения в перекрываемую магистраль вследствие малой разности давлений в корпусе затвора и магистрали.
После подачи сигнала на закрытие затвора давление из полости пневмокамеры герметизации 22 сбрасывается и под воздействием пружин 15 и 23, запирающее кольцо 3 перемещается до упоров в осевом направлении от запирающего кольца 2 (вниз согласно фигуре) с образованием зазоров между уплотняющими выступами 11 уплотнительного кольца 10 и запирающими кольцами 2, 3. Далее механизм перемещения 20 переводит разъемный держатель 9 в крайнее левое положение с установкой уплотнительного диска 12 между запирающими кольцами 2, 3. Затем подается давление в пневмокамеру 22 и, преодолевая усилие пружин 16 и 23, осуществляется закрытие затвора посредством сжатия внешних герметизирующих поверхностей 6, 7 запирающих колец 2, 3 с уплотняющими выступами 13, 14 уплотнительного диска 12. Расположение основных элементов затвора в его закрытом состоянии показано на фигуре.
Открытие затвора производится аналогичным образом.
Предложенная конструкция сверхвысоковакуумного затвора по отношению к прототипу имеет следующие преимущества:
- повышает герметичность перекрытия магистрали затвора и цикличность закрывания затвора;
- позволяет изготавливать и проводить ремонт сверхвысоковакуумных затворов больших габаритов (Ду 400 мм и более) с использованием освоенных материалов и технологий в отличие от необходимости применения уникальных материалов и технологий, характерных для изготовления герметизирующих элементов цельнометаллических затворов;
- сохраняет работоспособность затвора при наличии пыли;
- позволяет повысить скорость нагрева и охлаждения затвора по сравнению с затвором, выполненным в виде цельнометаллической конструкции.