Czy zastosowanie systemu uszczelnienia z podwójnym O-pierścieniem montażowym na kołnierzu montażowym eliminuje wycieki z nagrzewnic PFA w zastosowaniach związanych z wysoką-próżnią (0,01 mbar)?

Ze względu na penetrację elastomeru i mikro-wyciek na styku, pojedynczy O-pierścień uszczelniający na kołnierzu montażowym nagrzewnicy PFA jest czasami niewystarczający w zastosowaniach wymagających wysokiej-próżni, wymagających ciśnień tak niskich jak 0,01 mbar (10⁻¹ bar). Szybkość wycieków można obniżyć z 10⁻³–10⁻² mbar·L/s (pojedyncze uszczelnienie) do 10⁻◦–10⁻² mbar·L/s (dopuszczalne w większości zastosowań-o wysokiej próżni) za pomocą systemu uszczelnienia z podwójnym O-pierścieniem z pośrednim portem próżniowym (podwójne uszczelnienie „pompowane”). Pompa próżniowa usuwa gaz, który przedostaje się przez pierwszy-pierścień uszczelniający, zanim dotrze do drugiego pierścienia uszczelniającego,-tworząc chronioną objętość. W przypadku najwyższych poziomów podciśnienia (10⁻² mbar i mniej) niezbędny jest metalowy-uszczelniony kołnierz (typu ConFlat). System dwóch-pierścieni uszczelniających oznacza znaczną redukcję, a nie całkowitą eliminację. W przypadku średniej i wysokiej próżni (10⁻³ do 10⁻◦ mbar) działa całkiem dobrze. Dodatkowa złożoność grzejników PFA jest uzasadniona tylko wtedy, gdy współczynniki wycieków są mniejsze niż 10⁻² mbar·L/s.

Drogi wycieków i mechanizm podwójnego uszczelnienia
Do nieszczelności pojedynczego pierścienia uszczelniającego typu O-(Viton lub FFKM) prowadzą trzy ścieżki: (1) przenikanie gazu przez elastomer (10⁻³–10⁻³ mbar·L/s na cm długości uszczelki); (2) mikro-kanały na styku O-pierścienia-kołnierza (10⁻◦–10⁻³ mbar·L/s dla kołnierza 100 mm); oraz (3) sam metalowy interfejs PFA-(osłona grzejnika przechodząca przez kołnierz). Zwykle pojedyncze uszczelnienie może osiągnąć stopień nieszczelności 10⁻³–10⁻² mbar·L/s, który jest zbyt wysoki dla wysokiej próżni.

Dodano drugi pierścień O-i króciec podciśnieniowy w systemie podwójnego pierścienia O-. Mała pomocnicza pompa próżniowa opróżnia obszar pomiędzy O-pierścieniami. Gaz przedostający się za pierwszy-pierścień uszczelniający jest natychmiast wypompowywany i nigdy nie przedostaje się do drugiego. Iloczyn (szybkość wycieku pierwszego uszczelnienia) × (szybkość wycieku drugiego uszczelnienia) / (prędkość pompowania) to efektywny współczynnik wycieku. W praktyce możliwe są nieszczelności w zakresie od 10⁻² do 10⁻² mbar·L/s.

Porównanie współczynników wycieków dla kołnierzy grzejników z PFA o średnicy 50 mm
Materiały, konfiguracja uszczelnienia, osiągalny współczynnik wycieku (mbar·L/s), odpowiedni poziom próżni i wzrost kosztów (%)
Pojedynczy pierścień uszczelniający typu O- FKM 10⁻³–10⁻¹ 1–10 mbar (podciśnienie wstępne) 0%
Pojedynczy pierścień uszczelniający (FFKM, Kalrez) FFKM 10⁻◦–10⁻¹ 0,1–1 mbar +10%
FKM + smar 10⁻◦–10⁻◦ 0,01–0,1 mbar + 15% pojedynczy O-pierścień uszczelniający do rowków (smar próżniowy)
Nie-pompowany podwójny O-ring FKM + FKM 10⁻²–10⁻◦ 0,1–1 mbar + 20%
Podwójny pierścień O- (pompowany, pompa szorstka) FKM + FKM 10⁻◦–10⁻¹ mbar +35%
Podwójny pierścień O-(pompowany, turbopompa) FFKM + FFKM 10⁻²–10⁻◦ mbar +50%
Uszczelka metalowa (uszczelka miedziana, ConFlat)Aluminium lub miedź<10⁻¹ +100% Extremely high vacuum
PFA przyspawany do metalowego kołnierza<10⁻¹ (through PFA) Welded PFA-to-metal transition (hermetic)PFA permeation limit of +200%
Praktyczny montaż grzejnika PFA
Aby zainstalować podwójny pierścień uszczelniający typu O-do pracy przy wysokim-ciśnieniu na kołnierzu nagrzewnicy z PFA:

Konstrukcja kołnierza: kołnierz PFA od strony zbiornika musi mieć dwa koncentryczne rowki na pierścienie uszczelniające typu O-, oddalone od siebie o 15–25 mm. W przestrzeni pomiędzy O-pierścieniami znajduje się przyłącze (1/4 cala lub 6 mm), które jest podłączone do pompy próżniowej (łopatka obrotowa, 10⁻² mbar).

Materiał-pierścienia uszczelniającego: aby zapewnić zgodność chemiczną z wrogimi mediami, użyj FFKM (Kalrez, Chemraz). W przypadku nie-agresywnych oparów odpowiedni jest FKM (Viton).

Moment dokręcania: Aby ścisnąć pierścienie uszczelniające o-o 20–25% ich-średnicy przekroju poprzecznego, równomiernie dokręć śruby kołnierza w układzie gwiazdy.

Pompowanie: podczas pracy-należy stale pompować objętość między uszczelkami. Wystarczająca jest specjalistyczna mała pompka próżniowa (10 l/min).

Osłona nagrzewnicy: Inną możliwą drogą wycieku jest punkt wyjścia PFA-do-metalowego rdzenia na zimnym końcu. Użyj uszczelki mieszkowej wykonanej ze spawanego metalu lub silikonowej formy (patrz artykuł #87).

Przykład w terenie
Do utrzymania komory badawczej półprzewodników w temperaturze 80 stopni i wysokiej próżni (10⁻¹ mbar) potrzebny był grzejnik PFA. Wyciek wokół kołnierza nagrzewnicy spowodował skoki ciśnienia (10⁻³ mbar) przy użyciu pojedynczego pierścienia uszczelniającego typu O-. Zamiast poprzedniego układu zainstalowano pompowany podwójny pierścień O-(dwa pierścienie O-FKM z portem pośrednim połączonym z małą pompą membranową). Przez sześć miesięcy ciśnienie w komorze utrzymywało się na stałym poziomie 2×10⁻◦ mbar. Za pomocą grzejnika przeprowadzono kilka cykli osadzania. Modernizacja pompy i kołnierza wiązała się z dodatkowym kosztem 500 USD.

Ograniczenia PFA dotyczące wysokiej próżni
Nawet przy doskonałym uszczelnieniu sama osłona PFA jest-przepuszczalna dla gazów i odgazowuje, uwalniając wchłoniętą wodę i resztki rozpuszczalników. Odgazowanie z PFA ograniczy ciśnienie tła przy ciśnieniach poniżej 10⁻² mbar (zwykle 10⁻◦–10⁻² mbar). Niezależnie od uszczelnienia, PFA nie można stosować w-bardzo wysokiej próżni (UHV,<10⁻¹ mbar). PFA with a double O-ring seal is suitable for medium to high vacuum (10⁻³ to 10⁻◦ mbar).

Podsumowując, użycie podwójnego O-ringu i pompowanie zmniejsza wycieki do 10⁻²–10⁻² mbar·L/s.
System podwójnego pierścienia uszczelniającego typu O-na kołnierzu montażowym nagrzewnicy z PFA, z-objętością uszczelnienia wewnętrznego odprowadzaną przez pompę, zmniejsza współczynniki wycieków z 10⁻³–10⁻² mbar·L/s (pojedyncze uszczelnienie) do 10⁻◦–10⁻² mbar·L/s w zastosowaniach z wysoką-próżnią do 0,01 mbar (10⁻¹ bar). W przypadku większości procedur ze średnią i wysoką{10}próżnią to wystarczy. Chociaż wycieki są zmniejszone o dwa do czterech rzędów wielkości, technologia nie eliminuje ich całkowicie. W przypadku ciśnień mniejszych niż 10⁻◦ mbar należy rozważyć uszczelnienie metalu lub hermetyczne przejścia PFA-do-metalu. W przypadku pieców próżniowych, komór powlekania i systemów odgazowywania, podwójne uszczelnienie jest praktyczną alternatywą. Zamienia kłopotliwy kołnierz w niezawodną barierę. Prawie bez zarzutu, ale nie do końca. Jest wystarczający dla większości-wymagań dotyczących wysokiej próżni.