Вакуумные уплотнения

А. Рот

М., «Энергия», 1971 г.

ШЛИФОВАННЫЕ И ПРИТЕРТЫЕ УПЛОТНЕНИЯ

Стеклянные, кварцевые и металлические детали можно сочленять через шлифованные или полированные поверхности. Последние могут соприкасаться как непосредственно, так и через промежуточный слой смазки, что улучшает вакуумную плотность соединения (разд. 3, §6-4).

Шлифованное уплотнение считается герметичным, если в отсутствие смазки оно не пропускает ртуть при разности давлений в 1 ат и температуре 20° С.

Указанным образом соединяют стекло со стеклом, металлом, а иногда и с пластиком, а также металл с металлом.

Конструктивно шлифованные уплотнения могут быть плоскими, конусными, цилиндрическими или сферическими.

6-1. ПЛОСКИЕ УПЛОТНЕНИЯ

Уплотнения этого типа используют в тех случаях, когда сборка и разборка должны выполняться без вращения деталей, в некоторых устройствах — для передачи движения (разд. 5, § 1-6), а также если диаметр уплотнения слишком велик для' конусных или сферических конструкций, как, налример, в случае вакуумного колпака (рис. 3-16). Чтобы изготовить плоское уплотнение, стеклянный диск, смонтированный на вращающемся столике, покрывают шлифовальной пастой. Обрабатываемая поверхность должна полностью размещаться на плоскости диска. Деталь (трубку или колпак) прижимают к шлифоваль-нику, прочно удерживая за нижний край, и перемещают от центра к периферии диска с той стороны, где он движется от оператора. Одновременно деталь вращают вокруг ее собственной оси. Указанный прием повторяют, используя все более тонкие шлифопорошки. Если необходимо, то можно притереть две сочленяемые детали одну к другой. Эта операция выполняется с помощью оправок, которые обеспечивают строгую параллельность обеих поверхностей.

Плоские уплотнения собирают либо на вакуумной смазке, либо на смолах (разд. 3, § 1-2). Если приходится сочленять две трубы (в торец), то иногда между ними помещают тонкую прокладку (рис. 3-17). Концы труб стягивают при помощи зажимов или струбцин либо за утолщенные бортики (рис. 3-16,6, в),либо за счет посадки на конус (рис. 3-17).

В случае оптической шлифовки стекла рекомендуется предварительно напылить на одну из поверхностей слой алюминия толщиной 0,1 мкм. Так как сцепление алюминия со стеклом невелико, то это облегчает разборку соединения без риска повредить шлифованные поверхности. Перед повторным использованием старый слой алюминия следует растворить и напылить новый. Из тех же соображений на стеклянный бортик наклеивается кольцо, вырезанное из листовой резины. Этот прием допустим, однако, лишь для вакуумных систем, в ко--

торых газовыделение резины не имеет значения (разд. 2, § 1-1).

При оптической полировке применение смазок не является необходимым. Отполированный торец пи-рексовой трубки использовался в качестве седла для плоской кварцевой пластинки в вакуумном затворе (см. рис. 6-32,а). Разработан также вакуумный кран (не требующий смазки) на основе двух стеклянных трубок с оптически полированными торцами (рис. 6-32,6). Другая конструкция /крана с подобным уплотнением показана на рис. 6-32,6.

Плоские металлические уплотнения используют в золотниковых устройствах откачных машин для производства ламп накаливания, электровакуумных приборов, термосов и т. п. Такое уплотнение (рис. 3-18) образуется двумя притертыми дисками, один из которых (обычно нижний) неподвижен, а другой — может вращаться. Отверстия в неподвижном диске связаны с линией откачки (насосами), а в подвижном — с обрабатываемыми изделиями.

При совпадении отверстий изделие подключается к насосам. Поверхности уплотнения смазываются маслом, циркулирующим в кольцевых канавках золотника. Притирка дисков должна быть весьма тщательной. Ее выполняют с помощью кинематической схемы, обеспечивающей такое перемещение притираемых деталей, что они никогда не занимают в точности одинаковое относительное положение более чем 1 раз. Это достигается за счет вращения одного диска при возвратно-поступательном движении другого, причем число оборотов за единицу времени некратно числу ходов.

6-2. КОНУСНЫЕ И ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ УПЛОТНЕНИЯ

Конусные шлифованные уплотнения состоят из двух деталей — внутренней и внешней. Второй из них может быть трубка, горло колбы, устье камеры или колпачковая крышка. Внутренняя деталь обычно выполняется полой, но иногда она может быть и сплошной.

Конусные уплотнения из етекла изготовляют путем соответствующей формовки и последующей пришли-фовки деталей с помощью вращающегося шпинделя. Технологические тонкости обработки шлифов и кранов рассматриваются в специальных работах [Л. 95, 96]. Для снятия напряжения после шлифовки обработанные поверхности можно слегка протравить.

Разнодвидность уплотнения этого типа используют в спаях кзарца с металлом (рис. 2-86,а) и в платиновых выводах через стекло пирекс. В последнем случае платиновую проволоку впаивают в трубочку из пирекса, которую выше места спая частично заполняют ртутью. Последняя гарантирует плотность спая и одновременно замыкает электрическую цепь между платиной и вторым электродом, погруженным в ртуть.

Устройство с жидкостной герметизацией круглых кольцевых прокладок показано на рис. 3-31,г. Фигурный стакан на нижней трубке содержит ртуть, в которую погружен подвижный колпачок, снабженный буртиком. Последний садится на прокладку. Пока давление в аппаратуре равно атмосферном, колпачок и прокладка плавают на ртути. Откачка внутреннего пространства заставляет колпачок тонуть; прокладка прижимается к седлу, образуя уплотнение. В таких узлах диаметром около 50 мм контактирующие поверхности не притирались (Л. 100]. В случае меньших размеров может потребоваться, очевидно, легкая шлифовка седла.   Недостаток   конструкции   состоит в том, что большое зеркало ртути сообщается с откачиваемым пространством.

Погруженный в ртуть плоский торцевой шлиф изображен на рис. 3-31,д; внутрь этого шлифа ртуть не попадает. Перед разборкой уплотнения ртуть сливают из стакана через трубку.

Иммерсионное уплотнение в отличие от заливного содержит жидкость внутри (см. рис. 3-32). Если деталь 2 такого уплотнения повернуть так, чтобы ее отверстие погрузилось в ртуть 3, соединение между 2 и / перекрывается. Краны, сконструированные на этом принципе, могут располагаться как горизонтально, так и наклонно (см. также разд. 6, § 1-2).

Щелевые уплотнения со шлифом и с двумя прокладками изображены на рис. 3-33. В первом случае вблизи краев шлифа предусмотрены два паза, которые заполняются ртутью после сборки. Тот же принцип использован и для уплотнения на прокладках, где жидкость содержится в зазоре между ними (рис. 3-33,6).

7-3. СПЕЧЕННОЕ СТЕКЛО, УПЛОТНЕННОЕ РТУТЬЮ ИЛИ ГАЛЛИЕМ

Вследствие высокого поверхностного натяжения (табл. 3-12) ртуть не проходит через сухое пористое стекло (даже при разнице давлений в 1 ат), если диаметр пор составляет менее 10 мкм. Если же смочить стекло другой жидкостью (вода, спирт), то оно становится проницаемым для ртути.

Это явление можно использовать в устройстве, показанном на рис. 3-34,а. Слой ртути помещают на пробку из спеченного пористого стекла, что обеспечивает вакуумную герметичность пробки при весьма большом перепаде давлений, если результирующее усилие действует со стороны ртути, и при перепаде, равном высоте столба жидкости,— в обратном случае (большое давление со стороны стекла). Такое уплотнение было использовано в циркуляционном насосе и в кранах (разд. 6, § 1-1 и 1-3).