СВЕРХВЫСОКОВАКУУМНЫЙ КЛАПАН Российский патент 1995 года по МПК F16K51/02 

Изобретение относится к вакуумной технике и предназначено для использования в сверхвысоковакуумных системах, эксплуатируемых в нестационарных температурных условиях, и может найти применение в вакуумном технологическом оборудовании, криогенных вакуумных системах, ускорителях заряженных частиц, установках по исследованию физики плазмы.

Известна конструкция клапана, в которой закругленная кромка твердого выступа взаимодействует с кольцевой рабочей поверхностью пластичного уплотнителя, расположенного на упругой оболочке [1]
Недостатком устройства является зависимость величины натекания от места расположения зоны герметизации вследствие изменения жесткости упругого элемента уплотнительной пары. Непосредственное закрепление запорного органа на штоке может привести к разгерметизации устройства при возникновении превышения температуры корпуса над температурой внутренних силовых элементов.

Эти недостатки учтены в конструкции сверхвысоковакуумного клапана [2] где герметизирующий выступ выполнен упругим в радиальном направлении, а запорный оpган связан со штоком посредством упругого элемента с возможностью поперечного и продольного перемещения относительно седла.

Упругая связь запорного органа со штоком позволяет осуществлять самоустановку его на седле, повышает надежность герметизирующего контакта при наличии резких термических перепадов. Однако передача герметизирующих усилий посредством плоскости нажимного звена и сферической поверхности сегмента запорного органа создает в зоне взаимодействия значительные контактные напряжения, что в условиях многократного срабатывания при высоких температурах прогрева может привести к понижению надежности вакуумноплотного контакта вследствие нарушения условий равномерного распределения нагрузки по уплотняемому контуру.

В предлагаемом устройстве, содержащем корпус, седло с посадочной поверхностью, полый запорный орган, соосно устанавливаемый на нем уплотнительный элемент из пластичного материала с кольцевой уплотнительной поверхностью, нажимное звено механизма герметизации с торцевой контактной плоскостью, опорный элемент со сферической поверхностью, размещенный в полости запорного органа с возможностью взаимодействия с контактной поверхностью нажимного звена, на внутренней стенке запорного органа выполнен кольцевой бурт, опорный элемент выполнен в виде усеченной сферы с цилиндрическим хвостовиком и размещен с возможностью контакта сферической поверхности с указанным буртом, а торца хвостовика с контактной поверхностью нажимного звена. При этом диаметр контактной поверхности больше диаметра хвостовика, а опорный элемент выполнен из более твердого материала, чем бурт запорного органа.

На фиг. 1 изображен сверхвысоковакуумный клапан с пневмоприводом, общий вид; на фиг.2 сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 вид Б на фиг.1; на фиг.4 вид В на фиг. 1; на фиг.5 сечение Г-Г на фиг.4; на фиг.6 сечение Д-Д на фиг.4; на фиг. 7 датчик индикации открытого положения; на фиг.8 ручной привод, установленный на корпусе клапана; на фиг.9 опорный элемент; на фиг.10 деформационный профиль уплотнителя и посадочной поверхности седла; на фиг.11 зона предпочтительных значений герметизирующих элементов.

Устройство содержит корпус 1, седло 2 с посадочной поверхностью 3, полый запорный орган 4 с кольцевым буртом 5, пластичным кольцевым уплотнительным элементом 6, пружину 7, нажимное звено 8 с контактной поверхностью 9, опорный элемент 10 со сферической поверхностью 11 и цилиндрическим хвостовиком 12 с торцевой поверхностью 13, сильфонный узел 14, ограниченный в угловом перемещении стакан 15 с внешней резьбой 16, жестко соединенный с приводом 17, установленную на нажимное звене 8 трубу 18, на внутренней поверхности которой выполнена резьба 19, а на внешней имеются наклонные 20 и продольные 21 пазы, на корпусе 1 установлены подпружиненные к пазам 20, 21 пальцы 22 с возможностью поворачивания трубы 18 относительно нажимного звена 8, датчики 23, 24 индикации закрытого и открытого положения устройства, а также датчик 25, указывающий окончание эксплуатационного ресурса пластичного кольцевого уплотнителя.

Клапан работает следующим образом (фиг.1).

При закрывании устройства усилием привода 17 нажимное звено 8 с запорным органом 4 перемещается к седлу 2. Пальцы 22 скользят по дну продольных пазов 21, имеющих уменьшаемую глубину, переходят на цилиндрическую поверхность, а затем срываются на дно начальных участков наклонных пазов 20 и выходят из зацепления с трубой 18 (фиг.2-6). После касания запорного органа 4 седла 2 происходит его самоустановка по зоне предыдущего цикла герметизации усилиями пружины 7 и сильфонного узла 14. Продолжая свое движение, нажимное звено 8 отрывается от запорного органа 4 и касается контактной поверхностью 9 торцевой поверхности 13. Происходит разворот опорного элемента 10 на кольцевом бурте 5 и полное перекрывание торцевой поверхности 13 хвостовика 12 контактной поверхностью 9. Усилие герметизации посредством сферической поверхности 11 и кольцевого бурта 5 передается на кольцевой пластичный уплотнительный элемент 6. Его излишняя деформация предотвращается упором стакана 15 в корпус 1. При этом срабатывает датчик 23.

Если в закрытом состоянии клапана температура корпуса 1 будет значительно превышать температуру нажимного звена 8 (например, при высокой скорости нагрева устройства), то возможен разрыв контакта между поверхностями 9 и 13. Однако герметичность соединения посадочной поверхности 3 седла 2 и пластичного кольцевого элемента 6 запорного органа 4 будет поддерживаться упругим воздействием пружины 7. При существенном превышении температуры внутренних силовых элементов над температурой корпуса 1 (например, при наружном криогенном охлаждении или резком остывании клапана) возможна дополнительная деформация уплотнительного элемента 6, что не приведет к потере герметичности устройства. При этом необходимо, чтобы увеличение хода нажимного звена было достаточным для обеспечения деформации уплотнительного элемента 6 в последующем цикле закрывания клапана.

При открывании клапана усилием привода 17 нажимное звено 8 перемещается от седла 2. Происходит разрыв силового контакта поверхностей 9 и 13, затем непосредственное касание нажимного звена 8 и запорного органа 4 и совместное перемещение. На некотором участке пути наклонные пазы 20 входят в соприкосновение с подпружиненными пальцами 22, разворачивая трубу 18 относительно стакана 15 по резьбовому соединению 16 и 19. В конце пути пальцы 22 переходят с наклонных пазов 20 на продольные пазы 21 и срабатывает датчик 24 под действием торца трубы 18 (фиг.1 и 7).

После деформации гарантированной длины рабочей зоны кольцевого уплотнительного элемента 6 труба 18 выворачивается из резьбового соединения 16 и 19 до такого положения, при котором в открытом положении устройства стакан 15 закорачивает контакты датчика 25 (фиг.1).

На фиг.1-8 представлен вариант выполнения сверхвысоковакуумного клапана с дистанционным и ручным управлением, прогреваемый в закрытом состоянии до 400^оС. Основным конструкционным материалом клапана является аустенитная сталь 12Х18Н10Т. Из нее изготовлены корпус, запорный орган, нажимное звено (шток), сильфонный узел. Причем шток и запорный орган сульфидированы. Уплотнитель выполнен из меди М1 и отожжен совместно с запорным органом, опорный элемент электроэрозионной обработкой выполнен из шарика, материалом которого является отожженная при 400^оС сталь 95Х18Ш. Пружину предполагается изготовить из стали ЭР700. Седло изготавливается из стали 12Х18Н10Т в виде листа толщиной 40 мм, причем посадочная поверхность будет покрываться пленкой нитрида титана для повышения твердости и пассивации поверхности. Пальцы и трубу изготовляют из стали 40Х13.

На фиг.9-11 показаны геометрия и рекомендуемые параметры узла герметизации. При рекомендуемых величинах наблюдается резкое снижение напряжения деформирования уплотнителя с повышением обжатия, что способствует центрированию запорного органа относительно седла. Кроме этого, при высоких значениях макродеформации пластичного уплотнителя в большей степени будет протекать конкурирующий процесс микродеформации выступов шероховатости, отвечающий в большей степени за герметизацию соединения. Граничным условием является появление валика из материала уплотнителя перед посадочной поверхностью. Другим ограничением является появление в материале уплотнителя значительных растягивающих напряжений.

Указанная конструкция соединения нажимного звена с запорным органом может быть использована в клапанах с другим деформируемым уплотнителем.

Отличительные признаки данной конструкции существенно увеличивают надежность клапана.

При сохранении компенсирующего эффекта несовпадения осей посадочной поверхности седла и нажимного звена площадь взаимодействия между сферической поверхностью и кольцевым буртом запорного органа значительно превышает площадь контакта между плоскостью нажимного звена и сферической поверхностью опорного элемента. Это позволяет существенно снизить контактные напряжения, а значит повысить надежность устройства вследствие поддержания условий равномерного распределения усилий по герметизируемому контуру.

Указанное выполнение опорного элемента по сравнению, например, с полусферой в некоторых случаях также достигает некоторые выгоды. Уменьшение сферической поверхности при некоторых условиях позволит снизить затраты на изготовление. Срезание сегмента позволяет, кроме этого, снизить осевые размеры запорного органа. Снижение торцевой поверхности хвостовика позволяет уменьшить диаметр контактной плоскости нажимного элемента, что является важным при разработке клапанов на небольшие условные проходы ( ≅ Ду 25 мм, например).

В процессе многократного срабатывания возможно некоторое проворачивание опорного элемента на поверхности кольцевого бурта. Если равномерное деформирование кольцевого бурта не приведет к значительному изменению геометрических условий силового взаимодействия, то в случае деформации сферической поверхности опорного элемента будет наблюдаться повышенное натекание в виду перегрузки одних участков зоны герметизации и недогрузки других. Кроме этого, следует учесть, что объем зоны контактного напряжения у опорного элемента меньше, а значит величина напряжения выше. Таким образом, выполнение опорного элемента из более твердого материала, чем кольцевой бурт запорного органа, повысит надежность клапана.

Превышение опорной поверхности нажимного элемента позволяет полностью перекрыть торцевую поверхность хвостовика при некотором несовпадении их осей, что обеспечивает равномерное распределение усилия герметизации по кольцевому бурту и пластичному уплотнителю.

Предлагаемая концепция конструирования сверхвысоковакуумных клапанов позволяет в принципе по сравнению с серийно выпускаемыми устройствами повысить пределы и скорости нагрева или охлаждения клапана, снизить зависимость от чистоты вакуумной среды в связи с возможностью переноса зоны герметизации на более чистый участок, не генерируя при работе частиц износа в полость устройства, автоматизировать управление, при высокой степени герметичности повысить долговечность уплотнителя (с 50 до 1000 циклов), использовать широко освоенные материалы и технологию изготовления подобных устройств.

Сущность изобретения: на полном запорном органе соосно установлен уплотнительный элемент из пластичного материала с кольцевой уплотнительной поверхностью. Опорный элемент с сферической поверхностью размещен в полости запорного элемента с возможностью взаимодействия с контактной поверхностью нажимного звена. На внутренней стенке запорного органа выполнен кольцевой бурт. Опорный элемент выполнен в виде усеченной сферы с цилиндрическим хвостовиком и размещен с возможностью контакта сферической поверхности с буртом, а торца хвостовика с контактной поверхностью нажимного звена. Диаметр контактной поверхности больше диаметра хвостовика. Опорный элемент выполнен из более твердого материала, чем бурт. 11 ил.

СВЕРХВЫСОКОВАКУУМНЫЙ КЛАПАН, содержащий корпус, седло с посадочной поверхностью, полый запорный орган, соосно установленный на нем уплотнительный элемент из пластичного материала с кольцевой уплотнительной поверхностью, нажимное звено механизма герметизации с торцевой контактной плоскостью, опорный элемент со сферической поверхностью, размещенный в полости запорного органа с возможностью взаимодействия с контактной поверхностью нажимного звена, отличающийся тем, что на внутренней стенке запорного органа выполнен кольцевой бурт, опорный элемент выполнен в виде усеченной сферы с цилиндрическим хвостовиком и размещен с возможностью контакта сферической поверхности с указанным буртом, а торца хвостовика с контактной поверхностью нажимного звена, причем диаметр контактной поверхности больше диаметра хвостовика, а опорный элемент выполнен из более твердого материала, чем бурт запорного органа.