Сверхвысоковакуумный затвор

 

Использование: в вакуумной технике для перекрытия магистралей ускорителей заряженных частиц. Сущность изобретения: уплотнительные диски и кольцо свервысоковакуумного затвора выполнены с периферийными упругими элементами. Уплотняющие выступы выполнены на периферийных упругих элементах. Пневмоблок двухстороннего действия выполнен в виде двух кольцевых пневмокамер, установленных на герметизирующем патрубке по разные стороны его фланца. Фланец с пружиной размещены вне вакуумной полости корпуса. 3 ил.

Изобретение относится к вакуумной технике, а именно к сверхвысоковакуумным коммутационным устройствам и может найти применение для перекрытия магистралей ускорителей заряженных частиц.

Известна конструкция затвора, содержащего корпус с вакуумной полостью, герметизирующий патрубок, установленный с возможностью осевого перемещения, две плоские пружины, закрепленные между корпусом и герметизирующим патрубком и воздействующие на патрубок в направлении разгерметизации. Внутренняя стенка корпуса и мембрана, опирающаяся на плоские пружины, образует пневмополость механизма герметизации. Между корпусом и торцем располагается уплотнительный диск, герметично контактирующий с патрубком внешней кромкой стальной упругой конической балочки [1,2] Недостатком известных устройств является резкое снижение их надежности за счет высокой чувствительности узкой зоны упругого силового контактирования и попадания твердых микрочастиц.

Этот недостаток учтен в устройстве, содержащем корпус с вакуумной полостью, уплотнительный диск с двусторонними герметизирующими выступами, герметизирующий патрубок с фланцем, расположенным вне вакуумной полости клапана, вакуумный насос, установленный на корпусе и соединенный с вакуумной полостью, пневмоблок, установленный на корпусе с возможностью осевого перемещения герметизирующего патрубка в направлении герметизации уплотнительного диска, пружину, воздействующую на фланец герметизирующего патрубка относительно корпуса в направлении разгерметизации уплотнительного диска [3] В этом устройстве уплотнительный диск герметично контактирует с корпусом и торцом герметизирующего патрубка по сравнительно широкой зоне (1 мм), что значительно снижает влияние микрозагрязнений. Существенно снизить величину натекания позволяет откачка полости затвора вакуумным насосом.

Для указанной конструкции сверхвысоковакуумного затвора неизбежен запуск атмосферы в вакуумную полость и магистраль при необходимости замены отдельных элементов (например, сильфонного узла, магнитозарядного насоса, отработавшего свой ресурс уплотнительного диска), что увеличивает время, необходимое для восстановления сверхвысокого вакуума.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является сверхвысоковакуумный затвор, содержащий корпус с седлом и вакуумной полостью, герметизирующий патрубок с фланцем, уплотнительные диск и кольцо с двухсторонними уплотнительными выступами, перемещаемые держателем между седлом корпуса и герметизирующим патрубком, пневмоблок двустороннего действия, закрепленный на корпусе и перемещающий герметизирующий патрубок в осевом направлении, и прижимы, нагружаемые фланец герметизирующего патрубка в направлении седла корпуса [4] Данные устройства разрабатывались для быстрого срабатывания в непрогреваемых сверхвысоковакуумных магистралях и поэтому их применение в условиях высокотемпературного прогрева нецелесообразно. Становится существенной величина потока газовыделения с поверхностей деталей, расположенных в полости устройства, что ведет к увеличению эксплуатационных расходов, связанных с увеличением времени обезгаживания. Использовать массивные медные уплотнительные элементы при прогревах до 400-450^оС не представляется возможным вследствие неизбежных поводок герметизирующих поверхностей, а также отжига медных уплотнительных элементов, начинающегося при 250^оС и выше. Обычно в прогреваемых затворах приходится применять привод повышенной мощности для увеличения ресурса уплотнительных элементов, однако использование нескольких пневмоцилиндров снижает рабочую площадь пневмопривода и увеличивает осевые размеры по сравнению с аналогами.

Задачей изобретения является повышение надежности герметизации устройства, повышение ресурса уплотнительных элементов, снижение осевых размеров и эксплуатационных расходов при работе в условиях высокотемпературного прогрева.

Технический результат достигается тем, что уплотнительные диск и кольцо затвора выполнены с периферийными упругими элементами, а уплотняющие выступы выполнены на упомянутых периферийных упругих элементах уплотнительных диска и кольца, при этом пневмоблок двустороннего действия выполнен в виде двух кольцевых пневмокамер, установленных на герметизирующем патрубке и по разные стороны его фланца, причем фланец с пружинами размещен вне вакуумной полости корпуса.

На фиг.1 изображен затвор, общий вид; на фиг.2 узел I на фиг.1 (в закрытом положении затвора); на фиг.3 вариант выполнения I.

Сверхвысоковакуумный затвор содержит корпус 1 с седлом 2 и вакуумной полостью 3, патрубок откачки 4, герметизирующий патрубок 5, вакуумноплотно соединенный с корпусом 1, посредством мембраны 6 и сильфонного компенсатора 7, фланец 8, пневмоблок двустороннего действия в виде двух кольцевых пневмокамер: разгерметизации 9 и герметизации 10, пружину 11, прижимаемую к фланцу 8 разрезным кольцом 12, расположенный между торцем 13 герметизирующего патрубка 5 и седлом 2 держатель 14, в котором уплотнительный диск 15 и уплотнительное кольцо 16 закреплены посредством разъемных колец 17, 18 и пружин 19, 20. Уплотняющие выступы 21, 22, выполненные на периферийных упругих элементах 23, 24 аналогичным образом на уплотнительном диске 15 и уплотнительном кольце 16, жесткие выступы 25 уплотнительного диска 15. Фланец 8 с пружиной 11 размещены вне вакуумной полости 3 корпуса 1.

Устройство работает в режимах аварийного срабатывания и оперативного управления.

При оперативном управлении в случае нахождения затвора в открытом положении (см. фиг.1) после поступления команды на закрытие устройства подается сигнал для откачки вакуумной полости 3 через патрубок откачки 4 и подается давление в пневмополость разгерметизации 9. Одновременно сбрасывается давление из полости герметизации 10. Возникающее при этом усилие между корпусом 1 и фланцем 8, преодолевая усилие пружины 11, отводит торец 13 герметизирующего патрубка 5 в направлении от седла 2. При этом после восстановления свободной формы упругих элементов 23, 24 уплотнительного кольца 16 вначале разрывается контакт между выступом 21 и седлом 2 под действием пружины 20, а после окончания рабочего хода пружины 20 прекращается взаимодействие выступа 22 с торцем 13. Движение герметизирующего патрубка 5 ограничивается корпусом 1. С появлением зазоров между седлом 2 и выступом 21, а также между торцем 13 и выступом 22 держатель 14 переводится в другое крайнее положение, при котором уплотнительный диск 15 устанавливался соосно седлу 2 и торцу 13. Затем давление в полости разгерметизации стравливается и одновременно повышается давление в полости герметизации 10. Усилие, создаваемое совместным действием пневмополостей 9, 10 и пружины 11, посредством фланца 8 перемещает герметизирующий патрубок 5 в направлении седла 2. По мере продвижения происходит касание торца 13 с герметизирующим выступом 22 уплотнительного диска 15 и совместное их перемещение до контакта герметизирующего выступа 21 с седлом 2, сжимание при этом пружины 19. Через определенное время давление в пневмополостях 9, 10 стабилизируется и осуществляется вакуумноплотный контакт между выступом 22 и торцем 13, а также между выступом 21 и седлом 2.

В случае подачи газа в перекрываемую магистраль предпочтительно это осуществлять со стороны герметизирующего патрубка. По величине получаемого разрежения в вакуумной полости после нескольких подобных циклов можно примерно оценить величину натекания через затвор. При малой газовой нагрузки средства откачки могут быть отключены.

Открытие затвора происходит аналогичным образом.

На прогреве устройства в открытом или закрытом состоянии давление в обеих пневмополостях 9, 10 полностью сбрасывается, и усилие на уплотнительные элементы создается одними пружинами 11, кроме которых дополнительная нагрузка в направлении герметизации имеется в виду упругого закрепления герметизирующего патрубка 5 относительно корпуса 1 и наличия разности давлений между вакуумной полостью 2 и окружающим корпус газом.

Во время эксплуатации устройства в режиме аварийного срабатывания герметизирующий патрубок 5 контактирует с корпусом 1 под воздействием полости разгерметизации 9. Уплотнительные выступы 21, 22 уплотнительного кольца 16 не контактируют с седлом 2 и торцем 13 герметизирующего патрубка 5. Вакуумная полость 3 откачивается насосом. При подаче сигнала на закрытие устройства сразу осуществляется перевод держателя в другое крайнее положение. В дальнейшем работа затвора осуществляется описанным способом.

На фиг. 3 представлен вариант изготовления герметизирующего выступа, непосредственно являющийся частью упругой оболочки тора. Седло 2 и торец 13 имеют наклонные герметизирующие поверхности. Такое исполнение позволяет в зоне герметизации иметь радиальную упругую составляющую усилия герметизации, что создает дополнительную надежность вакуумноплотного контакта в процессе эксплуатации в условиях неравномерного и нестационарного воздействия (прогрева или криогенного охлаждения). Благодаря радиальной упругости возможно осуществлять беззазорную установку уплотнительных элементов в разрезное кольцо держателя. Жесткие выступы 25 предназначены для предотвращений герметизирующих выступов от радиального удара от центра, а также снижают крутящий момент на уплотнительном диске при наличии существенной разницы давлений в перекрываемых объемах особенно при больших проходных сечениях.

Механизм перемещения держателя может быть различным и поэтому на фигурах не указан. Не указаны также средства откачки, которые также могут быть разные. При перекрывании магистрали от атмосферного воздуха предпочтительней применение магниторазрядного насоса (также как и в устройствах [3,4] вследствие возможности индикации давления в вакуумной полости по величине проходящего в насосе тока.

Чтобы не загромождать чертеж также не показаны дополнительные патрубки, через которые можно вынимать уплотнительный элемент, не находящийся в это время в контакте с седлом и торцем герметизирующего патрубка. Для герметизации патрубка предполагается применить быстроразъемное цельнометаллическое соединение.

Основным конструкционным материалом является аустенитная сталь 12Х18Н10Т. Из нее изготавливается корпус, подвижный патрубок, фланец, мембрана, сильфон. Пружины 19, 20, 11, уплотнительный диск и уплотнительное кольцо изготовлены из дисперсионно-твердеющей немагнитной стали 3П 700, которая сохраняет свои упругие и прочностные свойства при прогревах до 600^оС и имеет коэффициент термического расширения близкий к стали 12Х18Н10Т. Ширина герметизирующего выступа, показанного на фиг.2, равна 1 мм. Выступ покрыт серебром с толщиной покрытия 25 ± 5 мкм. Седла корпуса и торец подвижно патрубка выполнены из дисперсионно-отвердеющей стали ЭК 2 ИД и герметично приварены.

Были проведены испытаны уплотнительных дисков на специально разработанном стенде. Величина натекания для диска, выполненного согласно фиг.2 была порядка 5 ^.10^-9 м³ Па/с сразу через обе зоны герметизации. Было проведено около сотни циклов. Таким образом, натекание через одну зону будет не более этой величины и этот поток вполне может быть откачен магниторазрядным насосом с производительностью 5 л/с. После прогрева узла герметизации до 400^оС отслаивание или переноса частиц серебряного покрытия не наблюдалось.

Величина натекания через обе зоны уплотнительного диска, показанного на фиг. 3 была порядка 5 ^.10^-7 м³ Па/с. При рассмотрении образца на серебряном покрытии были видны следы пересечения зон герметизации в процессе многократного срабатывания. Несмотря на допустимость этой величины натекания следует обратить внимание на воспроизводимость установки этого уплотнительного элемента относительно седла и торца.

Таким образом, по сравнению с прототипом, преимущества предлагаемого устройства состоят в том, что сохраняя возможность замены уплотнительных элементов без напуска в магистраль атмосферного воздуха (что по сути дела снимает в значительной мере вопрос о ресурсе уплотнительных элементов) повышается надежность устройства и снижаются эксплуатационные расходы. Это выражается в возможности снижения давления в пневмосистеме, уменьшения газовыделения в вакуумной полости устройства, разработаны и испытаны уплотнительные элементы, способные прогреваться в закрытом состоянии до высоких температур. Кроме этого удалось снизить осевые размеры устройства.

Формула изобретения

СВЕРХВЫСОКОВАКУУМНЫЙ ЗАТВОР, содержащий корпус с седлом и вакуумной плоскостью, герметизирующий патрубок с фланцем, уплотнительные диск и кольцо с двусторонними уплотняющими выступами, перемещаемые держателем между седлом корпуса и герметизирующим патрубком, пневмоблок двустороннего действия, закрепленный на корпусе и перемещающий герметизирующий патрубок в осевом направлении, и пружина, нагружающая фланец герметизирующего патрубка в направлении седла корпуса, отличающийся тем, что уплотнительные диск и кольцо выполнены с периферийными упругими элементами, а уплотняющие выступы выполнены на упомянутых периферийных упругих элементах уплотнительных диска и кольца, при этом пневмоблок двустороннего действия выполнен в виде двух кольцевых пневмокамер, установленных на герметизирующем патрубке по разные стороны его фланцы, причем фланец с пружиной размещены вне вакуумной полости корпуса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3