Важнейшими компонентами вакуумных установок являются различного типа клапаны, которые позволяют отключать необходимые участки системы для их откачки, выполнения необходимых работ и проведения профилактического обслуживания. Ввиду многообразного применения клапанов в вакуумной технике существует множество соответствующих конструкций — от небольших клапанов для напуска воздуха в систему до больших проходных затворов, применяемых, например, в ускорителях для перекрывания рабочей камеры.

Однако в конструкциях большинства изготовляемых серийно клапанов используется ряд общих принципов, рассмотрение которых на типичных примерах позволит получить представление о различных конструкциях клапанов, используемых в условиях сверхвысокого вакуума. В первую очередь тип конструкции клапана определяется областью его применения1', диапазоном рабочих давлений и необходимой проводимостью в открытом положении. Кроме того, в некоторых случаях, например в ускорителях, требуются клапаны, сохраняющие неизменным направление газовог о потока. Поэтому в конструктивном отношении клапаны подразделяют на угловые и проходные. К последним относятся так называемые вакуумные затворы, которые обеспечивают максимальную проводимость.

Конструкции клапанов, предназначенных для работы в условиях сверхвысокого вакуума, должны удовлетворять ряду требований. Так, они должны иметь минимальную скорость натекания газа через уплотнительную пару 3' (ниже 10_п Па-м3-с-1), максимальную проводимость в открытом положении и не должны являться источниками загрязнения. Из последнего требования следует, что материалы клапанов, как и любые материалы, применяемые в условиях сверхвысокого вакуума, должны обладать ничтожной газопроницаемостью и допускать нагрев до 200 °С, но предпочтительнее до 450 °С, с целью обезгаживания. Требования в отношении вакуумной плотности и повышенных температур для клапанов, естественно, совпадают с требованиями, предъявляемыми к разъемным соединениям, поэтому конструкции уплотнений в клапанах примерно такие же, как во фланцевых соединениях. Открывание и закрывание клапанов осуществляются теми же способами передачи движения в вакуумную полость/

Для давлений, превышающих 10^-7 Па (верхняя граница диапазона сверхвысокого вакуума), в клапанах могут быть использованы уплотнения на основе эластомерных прокладок. Важно, чтобы используемые в этих целях синтетические материалы, например вигон А, были способны выдерживать нагрев до 200 ⁰C. Для трубопроводов с относительно небольшими диаметрами обычно используются угловые клапаны, главным образом в связи с удобством такой конструкции. Наиболее часто используются угловые клапаны с кольцевыми прокладками круглого сечения.

Корпус клапана, показанного на рис. 6.11, изготовлен из нержавеющей стали, а уплотнение подвижного штока обеспечивается с помощью сильфона. В случае уплотняющих прокладок из витона А такая конструкция допускает прогрев до 200°С. Клапаны этого типа обычно используются для перекрывания трубопроводов диаметром 15—35 мм, но могут применяться и в трубопроводах большего диаметра (до 150 мм). Для перекрытия трубопроводов больших сечений лучше использовать затворы, которые обладают рядом преимуществ, в том числе намного меньшим «паразитным» вакуумным объемом и неизменностью направления газового потока.

Одна из конструкций проходного затвора шиберного типа показана на рис. 6.12. Сначала шток надвигает шибер на горловину канала, а затем последующим усилием уплотняет его. Механизм уплотнения основан на выталкивании стальных шариков из углублений при перемещении штока. Этот метод был разработан фирмой VAT (Vacuum-Apparate Technik), специализирующейся на производстве таких затворов. Уплотнение обеспечивается с помощью кольцевой прокладки круглого сечения, изготовленной из витона А, а уплотнение штока (в нагреваемом варианте затвора) —с помощью сильфонов.

Рис. 6.12. Вакуумный затвор шиберного типа.

1 — кольцевая прокладка круглого сечения; 2— уплотняющий шибер; 3 — пружина; 4 — стальные шарики; 5 — фиксаторная канавка; 6 — опорная тарель; 7 — шток привода.

В основе конструкций большинства клапанов, используемых для создания дозированных потоков газа при давлениях, превышающих 10^-6 Па, лежит принцип плавного изменения проводимости с помощью иглы конической формы. Форма иглы (угол при вершине) определяет диапазон рабочих расходов. Коническая игла и седло изготовляются из твердого металла, обычно из нержавеющей стали; в некоторых конструкциях седло покрывается слоем мягкого металла для обеспечения более высокой герметичности. В некоторых клапанах игла снабжена плоским посадочным пояском с кольцевой прокладкой круглого сечения из витона А.

Практически все конструкции клапанов этого типа не допускают нагрева, хотя вакуумный ввод подвижного штока выполнен с применением сильфонов, а все используемые материалы являются высоковакуумными. Регулировка клапана осуществляется с помощью микрометрической головки, которая связана с дифференциальным винтом; так как положение иглы легко фиксируется, клапан может быть отградуирован по потоку газа с достаточной степенью точности.

Для более низких давлений (ниже 10^-6 Па) применяются цельнометаллические клапаны. Первый такой клапан был сконструирован Альпертом в начале 1950-х гг. Он состоит (рис. 6.13) из двух разъемных частей: собственно клапана и механизма привода, который отсоединяется на время прогрева клапана. Рабочий орган клапана представляет собой медную чашку с двумя отверстиями, в которые впаяны медные трубки внутренним диаметром ~6 мм. Чашка запаяна упругой мембраной из ковара, в центре которой расположен 90°-ный полированный конус из ковара, который вдавливается в седло центрального отверстия.

Рис. 6.13. Клапан Альперта.

Все паяные соединения выполняются серебряно-медным припоем в водородной печи для предотвращения возможного окисления. При первом закрытии клапана происходит деформирование края медного седла, которое создает необходимую для эффективного уплотнения зону контакта. Для этого требуется усилие порядка 10 кН. Механизм привода представляет собой дифференциальный винт, позволяющий с достаточной степенью точности фиксировать положение конуса относительно центра седла. Поэтому клапан такого типа может быть использован и для регулирования газового потока. Мембрана допускает перемещение конуса приблизительно на 3 мм.

Клапаны подобной конструкции выпускаются серийно как для металлических, так и для стеклянных вакуумных установок; в некоторых случаях вместо меди используется инконель, а мембраны изготовляются из нержавеющей стали. Клапаны в обычном исполнении допускают прогрев до 450 ⁰C в открытом положе нии, тогда как последние могут нагреваться и в закрытом положении.

В более крупных клапанах вместо мембран используются сильфоны, которые обеспечивают значительно больший ход конуса и соответственно более высокую проводимость. Для больших проходных отверстий система конус — седло не годится, и в этом случае обычно используются клапаны с уплотнением по заостренному кольцевому выступу седла. Многие фирмы, выпускающие вакуумное оборудование, изготовляют такие клапаны стандартных размеров, подсоединяемых с помощью фланцев типа ISO (для трубопроводов диаметрами 16, 35, 63 мм и т. д., см. табл. 6.1). Тарель изготавливается из меди либо из более твердого материала, например нержавеющей стали или даже сапфира. В последнем случае заостренный выступ или нижняя поверхность тарели покрывается тонким слоем золота.

Рис. 6.14. Сверхвысоковакуумный угловой клапан.

1 — заостренный кольцевой выступ седла; 2 — медная тарель; 3—головка штока; 4 — отсоединяемый фланец; 5 — вакуумное уплотнение; 6 — сильфон.

 Поскольку заостренный выступ выдавливает на медной тарели канавку, важно чтобы механизм подачи тарели обеспечивал точное совмещение этой канавки с выступом при каждом запирании клапана.

Устройство такого сверхвысоко-вакуумного клапана показано на рис. 6.14. В большинстве конструкций клапанов предусмотрена возможность замены тарели после ее износа, но лишь в некоторых заменяется седло или осуществляется повторная механическая обработка заостренного кольцевого выступа.

Все эти клапаны, несмотря на конструктивные различия, обладают достаточно близкими характеристиками. Так, все клапаны допускают нагрев до 4500C в открытом положении, многие из них могут нагреваться и в закрытом положении (некоторые также до 450 ⁰С). Вообще говоря, 'клапаны с тарелями, изготовленными из твердых материалов, допускают больший нагрев по сравнению с медными (450 ⁰C против ЗОО-400 °С), так как медь после отжига становится более мягкой. Кроме того, если в клапан при нагреве попадает кислород (например, в случае кла пана для напуска в систему атмосферного воздуха), медная тарель может окисляться.

Поэтому вместо обычной меди нередко используют высокотемпературный медный сплав, имеющий примерно такие же механические свойства, как у не-отожженной меди. Для запирания клапана требуется довольно высокий крутящий момент, особенно в случае тарели из твердого материала (несколько Н-м). Поэтому может возникнуть проблема смазки механизма привода липания при нагревании до высоких температур. Если клапан должен прогреваться в открытом состоянии, то механизм привода целесообразно отделять от клапана на время нагрева; в некоторых конструкциях предусмотрены специальные меры, облегчающие эту операцию.

Рассмотренная конструкция с небольшими изменениями, как показано на рис. 6.15, может быть использована и в прямых проходных клапанах. В этом случае проходное отверстие при максимальном раскрытии клапана будет относительно ограничено, однако следует отметить, что единственной конструкцией клапана, обеспечивающей значительную проводимость, является затвор шиберного типа.

Разработка полностью металлического шибер_ного затвора сопряжена со значительными техническими проблемами, возникающими вследствие необходимости достижения необходимого усилия, обеспечивающего герметичность уплотнения между металлическими шибером и седлом затвора. Это усилие по меньшей мере на порядок должно превосходить усилие в случае эластомерных кольцевых прокладок.

Кроме того, для возможности многократного использования затвора конструкция должна также обеспечивать точное совмещение уплотняющего шибера с седлом. Все эти факторы являются причиной недостаточно высокой надежности цельнометаллических шиберных затворов. Для подобных затворов практически невозможно обеспечить такой же ресурс эксплуатации, как и для обычных угловых клапанов, особенно в режиме частых изменений температуры. Чем крупнее затвор, тем труднее выполнить эти условия. Крупногабаритные затворы используются главным образом в ускорителях элементарных частиц и изготовляются небольшими партиями.

Как и в случае углового цельнометаллического клападля предотвращения его зана, в затворах обычно применяется уплотнение по заостренному кольцевому выступу. При использовании медного шибера существует упомянутая выше проблема точного совмещения выступа с канавкой на шибере. С этой точки зрения герметичность шибера, изготовленного из твердого металла и покрытого тонким слоем золота или серебра, намного эффективнее.

Если такое покрытие наносится на заостренный кольцевой выступ, то центровка положения шибера не столь важна, но в этом случае требуется значительно большее уплотняющее усилие. Механизм привода может быть таким же, как и в клапанах с уплотняющей кольцеобразной прокладкой круглого сечения. Однако вследствие значительных усилий, необходимых для герметичного уплотнения затвора, возникают трудности с обеспечением относительно низкого трения в механизме привода, поскольку использование вакуумных смазок (жидких или твердых) в этом случае недопустимо.

Существуют конструкции затворов, в которых эта проблема решена с помощью системы пневматического привода для уплотнения ш ибера. Примером такой конструкции является затвор, выпускаемый фирмой Granville — Phillips Corp., в котором относительно тонкий шибер вначале устанавливается на место, а затем поджимается с помощью сжатого воздуха, нагнетаемого в пространство между двумя коаксиальными сильфо-нами (рис. 6.16).

Более сложная конструкция затвора с двумя шиберами описана в работе [14]. Каждый из шиберов по отдельности уплотняется посредством пневмопривода сложной конструкции на своем посадочном месте. Уплотнение осуществляется выступом из мягкого металла. Пространство между шиберами откачивается с помощью дополнительного насоса, чтобы минимизировать перетекание газа через такой затвор. Дополнительным достоинством такого затвора с пневматическим приводом является постоянство уплотняющего усилия в процессе эксплуатации затвора.

Фирмой Varian Associates был разработан затвор нового типа, в котором решено большинство из рассмотренных проблем [15]. Устройство этого затвора показано на рис. 6.17. Тонкая металлическая заслонка конической формы, края которой покрыты слоем золота, поджимается к седлу с помощью специального клинового устройства. В результате происходит деформация металла по краю заслонки с образованием герметичного уплотнения (см. показанную на рис. 6.17 в увеличенном масштабе область контакта).

 Благодаря конической форме заслонки и тому, что уплотнение осуществляется вдоль ее кромки, к затвору предъявляются менее жесткие требования по центровке заслонки по сравнению с методом уплотнения по кольцевому выступу. Кроме того, масса этого затвора намного меньше.

Обычно температура нагрева затворов ниже, чем для угловых клапанов; фирмы-изготовители не рекомендуют проводить нагрев затворов выше 300 °С.

Поскольку в угловых цельнометаллических клапанах достигается высокая точность посадки тарели на седло, практически любой клапан, при использовании микрометрического привода, может эксплуатироваться в качестве регулятора потока газа. Так как для этого достаточен небольшой ход рабочего органа, наиболее подходящей конструкцией является клапан с мембранным уплотнением, который обладает минимальным «паразитным» объемом. Для достижения большей точности при повороте головки клапана ее снабжают удлинительной рукояткой.

Такие клапаны должны обеспечивать высокоточное и воспроизводимое регулирование газового потока, хотя не все фирмы-изготовители указывают величины допусков. Часто требуется создание на клапане постоянного перепада давления, что может быть легко достигнуто в клапанах с регулируемой проводимостью.

Рис. 6.17. Затвор фирмы Varian Associates.

1 — клин привода; 2 — металлическая заслонка конической формы; 3 — седло.