真空阀门的设计

真空阀门是真空系统的重要元件。对于构成管路一部分的阀门，其流导大小是一个重要的性能参数。对于主要用来起开关气路作用的阀门，阀板关闭的密封性能也是重要的性能参数之一。密封性能是用其漏气率来衡量的。对于主要用来调节气流大小的阀门，能够调节气流量的精度及范围，则是一项重要的性能参数。对于全金属超高真空阀门，每次关闭是否性能稳定?使用寿命是否长?是其主要的性能指标。

    (1)对真空阀门的一般要求
    ①阀门的密封性能要好，阀板密封处的漏气率要小；
    ②阀板开启后应尽可能有较大的流导；
   ③阀门内所用材料应有较低的饱和蒸气压，高抗腐蚀性能和高化学稳定性、耐磨损、寿命长，超高真空阀门应能耐烘烤(400～450℃)；
    ④阀门结构要简单，开关轻便省力，有标志，传动机构在高压侧；
    ⑤真空阀门的型式、基本参数、连接尺寸和技术条件应按国家专业标准执行。

    (2)阀板的密封结构和密封力计算
    ①胶垫密封结构及密封力的计算
   橡胶垫圈密封是利用阀板与阀座间压紧橡胶垫圈，依靠橡胶弹性变形填塞表面不平来实现的密封。目前真空阀门的胶垫密封归纳起来有6种，如图18所示。前4种用于较大口径的阀门，后2种用于较小口径的阀门。a种是早期采用的结构，为了便于加工阀座上的密封槽，必须把阀座与阀壳设计成可拆卸的，这就在结构上增加了一道真空密封。现在绝大多数阀门都采用阀板上带密封圈的结构，如图中(b)、(c)、d)所示。
   选择真空阀门的密封结构时应注意以下几点：a．尽可能减少阀板下高真空侧的放气因素，例如选用放气率小的密封垫材料等．b．关阀后密封圈截面上有*大的压缩变形．c．结构力求简单；d．制造方便；e．密封元件便于拆卸和修理。
   阀门关闭的密封性能好坏决定于密封垫填塞阀座表面不平的程度。影响这种填塞程度的因素有二方面：a．密封垫材料的硬度和压紧程度；b．阀座表面的粗糙度。通常阀座表面的粗度都高于3.2/Δ，密封垫的硬度都在邵氏硬度55～75之间。密封垫的压紧程度，根据试验结果，当橡胶的硬度在邵氏硬度50以上，而表面没有任何擦伤时，橡胶垫的高度压缩比在15％以上就能达到漏气率小于1．33×10-7Pa·L／s·cFn。的密封性能。如果考虑到制造精度上允许的偏差·把压缩比适当提高一些是必要的。因此建议真空阀门密封垫的相对压缩比通常取为15％～25％。
    胶垫密封闷板的密封力计算，多数可按0形环在矩形槽中受压缩的密封力进行近似地计算
Fs=σBL
  =σxEBxπdD   Ｎ          (1)
   式中σ-密封比压力，N／cm2；B-密封宽度，即密封圈与阀座的接触宽度，cm；L-密封圈平均周长，cm；σx-相对比压力；E-密封圈材料的相氏模量，N／cm2；Bx-密封圈的相对宽度，d-密封圈的线径，cm；D-密封槽的中径，cm。
   有些阀门只需要单向使用，例如扩散泵入口阀门，阀板只需要封住扩散泵中的真空状态。这种阀的设计，结构上允许阀板在压力差作用下继续被压紧。因此，阀板关闭时只需要初始压紧力就可以。我国1968年真空阀门联合设计中提出，在上述情况下，密封的初始比压力可以取为20N／cm。。实践证明，这种做法是可行的。故这种阀门的初始密封力为
Fs=20BL    Ｎ      (2)
    式中B-与密封比压力为20N／cm2相对应的胶垫密封宽度，cm；L-胶垫的长度，cm。
   有些阀门需要双向使用，既不但需要封住阀板上方的大气压，有时还得封住阀板下方的大气压。这种阀门的阀板密封力应用下式计算：
Fs=σBL+7.85×10-5D2Pd   Ｎ      (3)
    式中Pd是大气压强，Pa；其余符号同前。
    ②金属垫密封结构及密封力计算
   图19给出金属垫密封的几种结构。其中图(a)即是针阀的结构。图(b)、(c)、(d)和(e)都是用于超高真空系统中的金属垫密封阀门。一般来说，阀板用软金属紫铜、无氧铜、铝、镍和铅等制成，铜、铝、镍要预先经过退火处理。阀座用硬金属不锈钢等制成刀口形。图(f)、(g)和(h)是用低熔点的软金属及其合金作为密封材料，而阀座也是用硬金属不锈钢等制成。它们都是依靠软金属受压产生塑性变形与阀座密合达到密封的。为保证密封，每次阀板关闭时刀口的压痕必须重合。为此除了阀板的传动上应有**的导向机构外，刀口尖还应倒圆。如图20所示，倒圆半径一般有两种：R0．1mm和R0．2mm，多数取为R0．1。图(g)没有刀口压痕问题，密封垫的寿命较长。
   刀口形状对阀门性能也有一定影响。表2给出了一些实验数据，从表中实验数据可知，直角形刀口比夹角形刀口所需螺旋压紧转矩大些。
 

表2 直角型和夹角型刀口的实验数据

刀口型式 实验次数 所需转动力矩(N·m) 漏 率(Pa·m3/s) 刀口型式 实验次数 所需转动力矩(N·m) 漏率(Pa·m3/s)
夹角型 1 49 <6.7×lO-9  直角型 1 54 <8×lO-9 
夹角型 2 49 <6.7×lO-9  直角型 2 54 <8×lO-9 
夹角型 3 49 <6.7×lO-9  直角型 3 54 <8×lO-9 
夹角型 4 49 <6.7×lO-9  直角型 4 54 <8×lO-9 
注：本直角形如图19（b）所示，夹角型如图19（c）所示，漏率测量，因受仪器灵敏度的限制，测得数值是上限，而不是实际的具体数值

   为了提高阀板(或金属垫)的寿命，阀板的压下量还可以设计成可微调的。一旦原有压痕失去了应有的密封性能时，可通过微调，使压痕再稍深一些。这样能保证密封性一能，也延长了阀板的使用寿命。
   目前有关金属垫密封阀门的密封力计算通常是基于实验数据。设计者针对所设计的密封结构进行模拟试验，确定出密封比压力，然后按照具体的密封尺寸进行计算。根据国内外有关资料，设计者可参考表3。根据表中的数据，金属垫密封力可按下式计算：
Fs=Ls.fls=As.fsa   Ｎ       (4)
   式中Ls-密封口中心长度，mm；fls-单位长度的密封力，N／mm；As-密封面积，mm2；fsa-单位面积的密封力，N／mm2。