Для приложений с высоким-вакуумом, требующих давления всего 0,01 мбар (10⁻⁵ бар), одного уплотнительного кольца на монтажном фланце нагревателя из PFA часто бывает недостаточно из-за проникновения через эластомер и микро-утечек на границе раздела. Система двойного кольцевого уплотнения -с промежуточным вакуумным портом («накачиваемое» двойное уплотнение) может снизить скорость утечки с 10⁻³–10⁻⁴ мбар·л/с (одинарное уплотнение) до 10⁻⁶–10⁻⁸ мбар·л/с, что приемлемо для большинства процессов с высоким-вакуумом. Два уплотнительных кольца создают защищенный объем; любой газ, просачивающийся через первое уплотнительное кольцо, удаляется вакуумным насосом до того, как он достигнет второго уплотнительного кольца. Для самых высоких уровней вакуума (10⁻⁷ мбар и ниже) требуется металлический-герметичный фланец (стиль ConFlat). Система двойных уплотнительных колец — это не полный отказ, а резкое сокращение. Он очень эффективен для среднего и высокого вакуума (от 10⁻³ до 10⁻⁶ мбар). Для нагревателей PFA дополнительная сложность оправдана только тогда, когда процесс требует скорости утечки ниже 10⁻⁵ мбар·л/с.
Пути утечки и функция двойного уплотнения
В одинарном кольцевом уплотнении (витон или FFKM) утечка происходит по трем путям: (1) проникновение газа через эластомер (10⁻⁵–10⁻⁷ мбар·л/с на см длины уплотнения), (2) микро-каналы на границе раздела фланцев уплотнительного кольца- (10⁻⁴–10⁻³ мбар·л/с для фланца диаметром 100 мм) и (3) сам металлический интерфейс PFA- (оболочка нагревателя, проходящая через фланец). Одиночное уплотнение обычно обеспечивает скорость утечки 10⁻³–10⁻⁴ мбар·л/с — слишком высокая для высокого-вакуума.
В систему двойных уплотнительных колец добавлено второе уплотнительное-кольцо и вакуумный порт между ними. Пространство между уплотнительными кольцами откачивается с помощью небольшого вспомогательного вакуумного насоса. Любой газ, просачивающийся мимо первого уплотнительного кольца, немедленно откачивается, не достигая второго уплотнительного кольца. Эффективная скорость утечки равна произведению: (скорость утечки первого уплотнения) × (скорость утечки второго уплотнения) / (скорость перекачки). На практике достижима скорость утечки 10⁻⁶–10⁻⁸ мбар·л/с.
Сравнение скорости утечек для фланца нагревателя из PFA диаметром 50 мм
| Конфигурация уплотнения | Материалы | Достижимая скорость утечки (мбар·л/с) | Подходящий уровень вакуума | Увеличение стоимости (%) |
|---|---|---|---|---|
| Одинарное уплотнительное-кольцо (компрессионное) | ФКМ | 10⁻³–10⁻⁴ | 1–10 мбар (грубый вакуум) | 0% |
| Одинарное уплотнительное-кольцо (FFKM, Kalrez) | ФФКМ | 10⁻⁴–10⁻⁵ | 0,1–1 мбар | +10% |
| Одинарное уплотнительное кольцо- с герметиком канавок (вакуумная смазка) | ФКМ + смазка | 10⁻⁵–10⁻⁶ | 0,01–0,1 мбар | +15% |
| Двойное уплотнительное-кольцо (без-накачки) | ФКМ + ФКМ | 10⁻⁴–10⁻⁵ | 0,1–1 мбар | +20% |
| Двойное уплотнительное-кольцо (насос грубой очистки, насос грубой очистки) | ФКМ + ФКМ | 10⁻⁶–10⁻⁷ | 10⁻⁵–10⁻⁴ мбар | +35% |
| Двойное уплотнительное-кольцо (насос, турбонасос) | ФФКМ + ФФКМ | 10⁻⁸–10⁻⁹ | 10⁻⁷–10⁻⁶ мбар | +50% |
| Металлическое уплотнение (ConFlat, медная прокладка) | Медь или алюминий | <10⁻¹⁰ | Сверх-высокий вакуум | +100% |
| Сварной переход из PFA-в-металл (герметичный) | PFA, приваренный к металлическому фланцу | <10⁻¹⁰ (through PFA) | Ограничено проникновением PFA | +200% |
Практическая установка обогревателя PFA
Чтобы установить двойное уплотнительное-кольцевое уплотнение на фланце нагревателя из PFA для работы в условиях высокого-вакуума:
Конструкция фланца: Фланец PFA должен иметь две концентрические канавки для уплотнительных колец (отстоящие друг от друга на 15–25 мм) со стороны резервуара. В области между уплотнительными кольцами - имеется порт (1/4 дюйма или 6 мм), подключенный к вакуумному насосу (лопастно-роторному, давление 10⁻² мбар).
Материал уплотнительного-кольца: Используйте ФФКМ (Калрез, Чемраз) для химической совместимости с агрессивными средами. FKM (Витон) допускается для не-агрессивных паров.
Крутящий момент: Равномерно затяните фланцевые болты (звездочкой), чтобы сжать уплотнительные кольца на 20–25 % от их-диаметра поперечного сечения.
Накачка: Объем меж-уплотнений должен постоянно прокачиваться во время работы. Достаточно специального небольшого вакуумного насоса (10 л/мин).
Оболочка нагревателя: Точка выхода PFA-в-металлический сердечник на холодном конце является еще одним потенциальным путем утечки. Используйте силиконовую накладку (см. статью №87) или сварное металлическое сильфонное уплотнение.
Пример поля
В камере для исследования полупроводников требовался нагреватель из PFA для поддержания температуры 80 градусов в условиях высокого вакуума (10 ⁻ ⁵ мбар). Одиночное уплотнительное кольцо - привело к скачкам давления (10⁻³ мбар) из-за утечек вокруг фланца нагревателя. Система была модернизирована и теперь оснащена двойным уплотнительным кольцом - (два уплотнительных кольца FKM, промежуточный порт, подключенный к небольшому диафрагменному насосу). Давление в камере оставалось стабильным на уровне 2×10⁻⁶ мбар в течение 6 месяцев. Нагреватель успешно использовался для нескольких циклов осаждения. Дополнительные затраты на модификацию фланца и насоса составили 500 долларов США.
Ограничения PFA в высоком вакууме
Даже при идеальной герметизации оболочка из PFA сама выделяет газы (высвобождает впитанную воду и остатки растворителей) и проницаема для газов. При давлении ниже 10⁻⁶ мбар фоновое давление будет ограничено выделением газа из PFA (обычно 10⁻⁶–10⁻⁷ мбар). Для сверх-высокого вакуума (СВВ,<10⁻⁸ mbar), PFA cannot be used regardless of sealing. For medium to high vacuum (10⁻³ to 10⁻⁶ mbar), PFA with a double O-ring seal is acceptable.
Вывод: двойное уплотнительное кольцо -с нагнетанием снижает утечку до 10⁻⁶–10⁻⁸ мбар·л/с.
Для применений с высоким-вакуумом до 0,01 мбар (10⁻⁵ бар) система двойного кольцевого уплотнения на монтажном фланце нагревателя из PFA с откачкой объема между-уплотнениями насосом снижает скорость утечек с 10⁻³–10⁻⁴ мбар·л/с (одинарное уплотнение) до 10⁻⁶–10⁻⁸ мбар·л/с. Этого достаточно для большинства процессов среднего и высокого-вакуума. Система не устраняет утечку полностью, но уменьшает ее на 2–4 порядка. При давлении ниже 10⁻⁶ мбар рассмотрите возможность использования металлических уплотнений или герметичных переходов из PFA---металла. Двойное уплотнение является практичным решением для вакуумных печей, камер для нанесения покрытий и систем дегазации. Он превращает проблемный фланец в надежный барьер. Не идеально, но близко. Для большинства потребностей в высоком-вакууме этого достаточно.
