Устраняет ли использование системы двойного уплотнительного-кольцевого уплотнения на монтажном фланце утечку в нагревателях из PFA, работающих при высоком-вакууме (0,01 мбар)?

Из-за проникновения через эластомер и микро-утечек на контакте одного уплотнительного кольца на монтажном фланце нагревателя из PFA иногда недостаточно для применений с высоким-вакуумом, требующих давления всего 0,01 мбар (10⁻¹ бар). Скорость утечки можно снизить с 10⁻³–10⁻² мбар·л/с (одинарное уплотнение) до 10⁻◦–10⁻² мбар·л/с (приемлемо для большинства применений с высоким-вакуумом) с помощью системы двойного уплотнительного кольца -с промежуточным вакуумным портом (двойное уплотнение с накачкой). Вакуумный насос удаляет любой газ, просачивающийся мимо первого уплотнительного кольца, прежде чем он достигнет второго уплотнительного кольца, создавая защищенный объем. Металлический-герметичный фланец (тип ConFlat) необходим для самых высоких уровней вакуума (10⁻² мбар и ниже). Система двух уплотнительных колец представляет собой скорее значительное сокращение, чем полное исключение. Для среднего и высокого вакуума (от 10⁻³ до 10⁻◦ мбар) он работает вполне хорошо. Повышенная сложность нагревателей из PFA оправдана только в том случае, если скорость утечки составляет менее 10⁻² мбар·л/с.

Пути утечек и механизм двойного уплотнения
Три пути приводят к утечке в одиночном кольцевом уплотнении - (витон или FFKM): (1) проникновение газа через эластомер (10⁻³–10⁻³ мбар·л/с на см длины уплотнения); (2) микро-каналы на поверхности фланца с уплотнительным кольцом-кольцом- (10⁻◦–10⁻³ мбар·л/с для фланца диаметром 100 мм); и (3) сам металлический интерфейс PFA- (оболочка нагревателя, проходящая через фланец). Обычно одиночное уплотнение может достигать скорости утечки 10⁻³–10⁻² мбар·л/с, что слишком велико для высокого вакуума.

Второе уплотнительное-кольцо и вакуумный порт добавляются в систему сдвоенных уплотнительных колец. Крошечный вспомогательный вакуумный насос откачивает воздух из области между уплотнительными кольцами. Любой газ, просачивающийся мимо первого уплотнительного кольца, сразу же откачивается и никогда не попадает ко второму. Произведение (скорость утечки первого уплотнения) × (скорость утечки второго уплотнения) / (скорость откачки) представляет собой эффективную скорость утечки. На практике возможны скорости утечек от 10⁻² до 10⁻² мбар·л/с.

Сравнение интенсивности утечек для фланцев нагревателя PFA диаметром 50 мм
Материалы, конфигурация уплотнения, достижимая скорость утечки (мбар·л/с), соответствующий уровень вакуума и увеличение стоимости (%)
Компрессионное одинарное уплотнительное кольцо FKM 10⁻³–10⁻¹ 1–10 мбар (грубый вакуум) 0 %
Одинарное уплотнительное кольцо - (FFKM, Kalrez) FFKM 10⁻◦–10⁻¹ 0,1–1 мбар +10%
FKM + смазка 10⁻◦–10⁻◦ 0,01–0,1 мбар + 15% одинарное уплотнительное кольцо - с герметиком канавок (вакуумная смазка)
Двойное уплотнительное кольцо -без накачки- FKM + FKM 10⁻²–10⁻◦ 0,1–1 мбар + 20 %
Двойное уплотнительное-кольцо (накачиваемый насос грубой очистки) FKM + FKM 10⁻◦–10⁻¹ мбар +35%
Двойное уплотнительное-кольцо (насос, турбонасос) FFKM + FFKM 10⁻²–10⁻◦ мбар +50%
Металлическое уплотнение (медная прокладка, ConFlat)Алюминий или медь<10⁻¹ +100% Extremely high vacuum
PFA, приваренный к металлическому фланцу<10⁻¹ (through PFA) Welded PFA-to-metal transition (hermetic)PFA permeation limit of +200%
Практическая установка обогревателя PFA
Чтобы установить двойное уплотнительное кольцо -для работы в условиях высокого-вакуума на фланце нагревателя из PFA:

Конструкция фланца. Фланец PFA со стороны резервуара должен иметь две концентрические канавки для уплотнительных колец, расположенные на расстоянии 15–25 мм друг от друга. В пространстве между уплотнительными кольцами имеется отверстие (1/4 дюйма или 6 мм), подключенное к вакуумному насосу (лопастно-роторный, 10⁻² мбар).

Материал уплотнительного кольца: для химической совместимости с агрессивными средами используйте FFKM (Kalrez, Chemraz). Для не-агрессивных паров подходит FKM (Витон).

Момент затяжки. Чтобы сжать уплотнительные кольца -на 20–25 % от их диаметра-диаметра поперечного сечения, равномерно затяните фланцевые болты по схеме звезды.

Накачка: на протяжении всей работы объем меж-уплотнений необходимо постоянно прокачивать. Достаточно иметь небольшой специализированный вакуумный насос (10 л/мин).

Оболочка нагревателя. Другой возможный путь утечки — точка выхода из PFA-в-металлический сердечник на холодном конце. Используйте сильфонное уплотнение из сварного металла или силиконовой формы (см. статью №87).

Пример в полевых условиях
Нагреватель из PFA был необходим для поддержания в камере для исследования полупроводников температуры 80 градусов при высоком вакууме (10⁻¹ мбар). Утечка вокруг фланца нагревателя привела к скачкам давления (10⁻³ мбар) при использовании одного уплотнительного кольца. Вместо прежнего устройства было установлено двойное уплотнительное -кольцевое уплотнение (два уплотнительных кольца FKM с промежуточным портом, соединенным с крошечным диафрагменным насосом). В течение шести месяцев давление в камере оставалось постоянным на уровне 2×10⁻◦ мбар. С помощью нагревателя было проведено несколько циклов осаждения. Модернизация насоса и фланца стоила дополнительно 500 долларов.

Ограничения PFA в высоком вакууме
Даже при безупречной герметизации оболочка из PFA сама по себе является газо-проницаемой и выделяет газы, выделяя впитанную воду и остатки растворителей. Выделение газа из PFA ограничит фоновое давление при давлении ниже 10⁻² мбар (обычно 10⁻◦–10⁻² мбар). Независимо от уплотнения, PFA нельзя использовать в сверх-высоком вакууме (СВВ,<10⁻¹ mbar). PFA with a double O-ring seal is suitable for medium to high vacuum (10⁻³ to 10⁻◦ mbar).

В заключение, использование двойного уплотнительного-кольца и прокачки снижает утечку до 10⁻²–10⁻² мбар·л/с.
Двойная система уплотнительных колец на монтажном фланце нагревателя из PFA, при которой объем меж-уплотнений откачивается насосом, снижает интенсивность утечек с 10⁻³–10⁻² мбар·л/с (одинарное уплотнение) до 10⁻◦–10⁻² мбар·л/с для приложений с высоким-вакуумом до 0,01 мбар. (10⁻¹ бар). Для большинства процедур среднего и высокого-вакуума этого достаточно. Хотя утечка снижается на два-четыре порядка, технология не устраняет ее полностью. Металлическое уплотнение или герметичные переходы из PFA-к-металлу следует рассматривать при давлении менее 10⁻◦ мбар. Для вакуумных печей, камер для нанесения покрытий и систем дегазации двойное уплотнение является работоспособной альтернативой. Он превращает проблемный фланец в надежный барьер. Почти безупречен, но не совсем. Этого достаточно для большинства требований к высокому-вакууму.