Вакуумные клапаны – классификация и принцип работы

Вакуумные клапаны являются важным компонентом любой вакуумной системы. Существует множество различных типов, которые делятся на три основные категории – рабочие клапаны, запорные клапаны и уплотнительные клапаны (рис. 1). Выбор подходящего типа клапана требует понимания применения процесса, чтобы можно было выбрать подходящую конструкцию и / или функционирующий клапан для конкретной работы вакуумной камеры.

Рисунок 1 - Классификация вакуумных клапанов

Когда речь заходит о вакуумных клапанах, большинство людей думают о тех, которые установлены в линиях, соединяющих вакуумную камеру с вакуумным насосом: форвакуумный клапан (он же главный клапан, если не установлен комплект диффузионного насоса или другого высоковакуумного насоса), тарельчатый клапан (он же главный клапан), передний клапан и удерживающий клапан. Путь откачки газа отличается во время начальной откачки (предварительная откачка), когда газ движется по линии механического насоса с закрытым значением давления, в отличие от того, когда активирован диффузионный насос, открыт тарельчатый клапан и поток проходит через диффузионные насосы для обеспечения высокого вакуума.

Что такое вакуумный клапан?

Вакуумный клапан - это устройство, размещенное в подающем или вентиляционном трубопроводе вакуумной камеры, целью которого является изоляция или направление потока газа в вакуумный сосуд. Эти клапаны могут приводиться в действие вручную, пневматически, электропневматически, электрически или электромагнитно. Серия реле давления также установлена в большинстве линий с вакуумными клапанами (кроме ручных клапанов) для управления потоком и изменения внутреннего давления в камере в соответствии с требованиями выполняемого процесса.

Как выбрать вакуумный клапан?

Из-за природы вакуума необходимо выбрать вакуумный клапан, способный работать в рабочем диапазоне давлений камеры. Знание конечного давления является ключом к определению подходящей арматуры для конкретного применения. Примеры проектных параметров включают: 

• размер;
• геометрия;
• материал;
• отделка поверхности;
• диапазон вакуума;
• пропускная способность и условия;
• реакция отключения на утечку;
• температурные ограничения;
• стоимость;
• способ приведения в действие;
• рабочая скорость;
• конфигурация порта;
• проводимость;
• пригодность, надежность и долговечность;
• продолжительность эксплуатации;
• устойчивость к реакции;
• средство дистанционного управления или блокировки;
• установка;
• простота очистки, демонтажа и повторной сборки;
• скорость утечки (включая скорость виртуальной утечки);
• давление пара;
• выделение газов.

Далее рассмотрим систему с диффузионным насосом и какие при этом используются вакуумные клапаны.

Выпускной клапан

Предварительный клапан используется при вакуумировании камеры вакуумной камеры от атмосферного давления до так низкого вакуума (обычно в диапазоне от 10-2 до 10-3 Торр). В некоторых случаях этого уровня вакуума достаточно для запуска намеченного процесса. В других случаях к насосному комплекту добавляется диффузионный насос, а перед подключением камеры к диффузионному насосу используется форвакуумный насос.

Выпускной клапан механического насоса служит для подачи атмосферы в форвакуумную линию, тем самым “разрушая вакуум” и позволяя механическому насосу вернуться к атмосферному давлению. Он используется при отключении насосной системы вакуумной камеры или для технического обслуживания насосов или самой камеры. Если таковой имеется, сначала выключают главный насос и дают ему остыть, а затем выключают механический насос. Доведение остановленного механического насоса до атмосферного давления предотвращает возврат масла механического насоса обратно в переднюю линию. Удерживающий клапан и форвакуумный клапан должны быть закрыты во время работы, таким образом сохраняя диффузионный насос, холодосборник и перегородку в условиях высокого вакуума. Это гарантирует чистоту системы при более позднем запуске.

Предохранительный клапаны

Форвакуумные и удерживающие клапаны служат для изоляции диффузионного насоса, перегородки и холодной ловушки от форвакуумной линии. По завершении предварительной откачки (примерно при 20 м/с) форвакуумный клапан закрывается до открытия переднего клапана и клапана высокого давления. Выпускной клапан коллектора впускает воздух в выпускной коллектор порта, чтобы “разрушить” вакуум и сделать возможным удаление предметов после того, как они прошли вакуумную обработку. Если насосы вакуумной системы все еще работают, во время этой операции должны быть закрыты форвакуумный клапан и удерживающий клапан. Удерживающий клапан и передняя линия обычно закрыты во время работы, что позволяет поддерживать диффузионный насос, холодосборник и перегородку в условиях высокого вакуума. Это гарантирует чистоту системы при более позднем запуске.

Тарельчатые клапаны

Тарельчатые клапаны являются стандартными для большинства систем диффузионных насосов, работающих в диапазоне вакуума до 10-7 Торр, при этом 10-4 -10-6 Торр являются более типичным диапазоном для большинства процессов термообработки.

Тарельчатый клапан состоит из относительно большого корпуса клапана и внутренней тарелки, которая перемещается линейно при приведении в действие (обычно приводом с пневматическим приводом). Когда тарельчатый клапан установлен в верхней части клапана, полость корпуса открыта для системы и поток газа беспрепятственен, что обеспечивает максимальную проводимость газа. Когда привод перемещает тарельчатый клапан к нижней части клапана, уплотнительное кольцо, прикрепленное к тарельчатому клапану, прижимается к поверхности уплотнения, останавливая поток газа и создавая вакуумно-герметичное уплотнение.

Вакуумный задвижной клапан

Вакуумный задвижной клапан предназначен для изоляции и герметизации вакуумной камеры. Задвижки делятся на три основные категории в зависимости от того, где герметизирован корпус клапана: клапаны отрицательного давления, где корпус клапана герметизирован со стороны вакуума (т.е. от низкого давления до высокого давления), уравнительные клапаны (давление в трубопроводах по обе стороны клапана одинаковое) и клапаны положительного давления клапаны, в которых корпус клапана герметичен со стороны атмосферы (т.е. от высокого давления к низкому давлению).

Задвижка обеспечивает сквозной и непрерывный поток обычно большого диаметра. Они характеризуются низким сопротивлением потоку и компактными размерами и являются идеальным клапаном для печей, где требуется максимальный зазор и проводимость потока, но пространство ограничено. Обычно они имеют внутренний диаметр около 25-300 мм.

Привод внутри клапана может привести к тому, что центральная заслонка внутри корпуса будет либо поднята, обеспечивая непрерывный поток воздуха через клапан, либо опущена, полностью останавливая поток. Задвижки обычно могут герметизироваться при перепаде давления в диапазоне 1,3-13,3 мбар (1-10 Торр).

Дроссельные или пластинчатые клапаны

Дроссельные заслонки часто используются для изоляции насосной системы вакуумной печи от основной камеры. Эти типы значений подвержены повторяющейся циклической эксплуатации и отличаются высокой надежностью в обслуживании. Их конструкция состоит из уплотнительной пластины, которая открывается с помощью уровня или наклоняется с помощью вращательного движения, при этом клапанная пластина остается в отверстии клапана. Благодаря своей конструкции дроссельные заслонки часто используются для закрытия довольно больших отверстий.

Шаровые клапаны

Шаровые клапаны менее чувствительны, чем другие вакуумные клапаны, к загрязнению частицами, что делает их идеальным решением для “грязных” вакуумных операций. Шарик запечатан внутри корпуса клапана торцевыми крышками, создавая герметичную центральную полость. Клапан открывается и закрывается поворотом штока на 90º. Шаровые клапаны имеют функцию “самоочистки”, при которой уплотнительное седло для шарика очищает шарик при его открытии и закрытии.