Използването на уплътнителна система с двоен О-пръстен на монтажния фланец елиминира ли изтичането в PFA нагреватели за приложения с висок-вакуум (0,01 mbar)?

Поради проникване през еластомера и микро-изтичане при контакта, единично уплътнение на О-пръстена върху монтажен фланец на PFA нагревател понякога е недостатъчно за приложения с висок-вакуум, изискващи налягане до 0,01 mbar (10⁻¹ bar). Степента на изтичане може да бъде намалена от 10⁻³–10⁻² mbar·L/s (единично уплътнение) до 10⁻◦–10⁻² mbar·L/s (приемливо за повечето приложения с висок-вакуум) с уплътнителна система с двоен О-пръстен с междинен вакуумен порт („изпомпвано“ двойно уплътнение). Вакуумната помпа отстранява всеки газ, който преминава през първия О-пръстен, преди да достигне до втория О-пръстен, създавайки защитен обем. Метален -запечатан фланец (тип ConFlat) е необходим за най-високите нива на вакуум (10⁻² mbar и по-ниски). Системата с два О-пръстена е по-скоро значително намаляване, отколкото пълно премахване. За среден до висок вакуум (10⁻³ до 10⁻◦ mbar) той работи доста добре. Допълнителната сложност за PFA нагревателите е оправдана само когато нивата на течове са по-малки от 10⁻² mbar·L/s.

Пътища за изтичане и механизъм с двойно уплътнение
Три пътя водят до изтичане в едно уплътнение с О-пръстен (Viton или FFKM): (1) проникване на газ през еластомера (10⁻³–10⁻³ mbar·L/s на cm дължина на уплътнението); (2) микро-канали на интерфейса на фланеца на О-пръстена- (10⁻◦–10⁻³ mbar·L/s за 100 mm фланец); и (3) самият PFA-метален интерфейс (обвивката на нагревателя, минаваща през фланеца). Обикновено едно уплътнение може да достигне скорост на изтичане от 10⁻³–10⁻² mbar·L/s, което е твърде високо за висок вакуум.

Втори О-пръстен и вакуумен порт са добавени в система с двоен О-пръстен. Малка спомагателна вакуумна помпа евакуира зоната между О-пръстените. Всеки газ, който преминава през първия О-пръстен, се изпомпва веднага и никога не достига до втория. Произведението от (скорост на теч на първо уплътнение) × (скорост на теч на второ уплътнение) / (скорост на изпомпване) е ефективният процент на теч. Скорости на течове между 10⁻² и 10⁻² mbar·L/s са осъществими на практика.

Сравнение на нивата на течове за 50 mm PFA нагревателни фланци
Материали, конфигурация на уплътнението, постижима скорост на теч (mbar·L/s), подходящо ниво на вакуум и увеличение на разходите (%)
Компресионен единичен О{0}}пръстен FKM 10⁻³–10⁻¹ 1–10 mbar (груб вакуум) 0%
Единичен О{0}}пръстен (FFKM, Kalrez) FFKM 10⁻◦–10⁻¹ 0,1–1 mbar +10%
FKM + грес 10⁻◦–10⁻◦ 0,01–0,1 mbar + 15% единичен О-пръстен с уплътнител за канали (вакуумна грес)
Не{0}}изпомпван двоен О-пръстен FKM + FKM 10⁻²–10⁻◦ 0,1–1 mbar + 20%
Двоен О-пръстен (изпомпван, груба помпа) FKM + FKM 10⁻◦–10⁻¹ mbar +35%
Двоен О-пръстен (изпомпван, турбо помпа) FFKM + FFKM 10⁻²–10⁻◦ mbar +50%
Метално уплътнение (медно уплътнение, ConFlat) Алуминий или мед<10⁻¹ +100% Extremely high vacuum
PFA заварен към метален фланец<10⁻¹ (through PFA) Welded PFA-to-metal transition (hermetic)PFA permeation limit of +200%
Инсталиране на PFA нагревател на практика
За да инсталирате уплътнение с двоен О-пръстен за висок-вакуум на фланец на нагревател от PFA:

Конструкция на фланеца: Страната на резервоара на фланеца на PFA трябва да има два концентрични жлеба за О-пръстен, които са на 15–25 mm един от друг. Има порт (1/4 инча или 6 мм) в пространството между О-пръстените, който е свързан към вакуумна помпа (ротационна перка, 10⁻² mbar).

Материал на О-пръстена: За химическа съвместимост с враждебни среди използвайте FFKM (Kalrez, Chemraz). За не-агресивни изпарения FKM (Viton) е подходящ.

Момент на завъртане: За да компресирате О-пръстените с 20–25% от техния диаметър на напречното-сечение, затегнете равномерно болтовете на фланеца под формата на звезда.

Изпомпване: По време на работа обемът на между{0}}уплътненията трябва да се изпомпва непрекъснато. Достатъчно е да имате специализирана малка вакуумна помпа (10 L/min).

Нагревателна обвивка: Друг възможен път на изтичане е изходната точка от PFA-към-металната сърцевина в студения край. Използвайте силфонно уплътнение, направено от заварен метал или силиконова отливка (вижте артикул #87).

Пример в полето
Необходим е PFA нагревател, за да се поддържа полупроводникова изследователска камера на 80 градуса при висок вакуум (10⁻¹ mbar). Изтичането около фланеца на нагревателя генерира скокове на налягането (10⁻³ mbar) при използване на единично уплътнение на О-пръстена. Изпомпвано двойно уплътнение на О-пръстена (два FKM О-пръстена с междинен порт, свързан с малка диафрагмена помпа) беше монтирано на мястото на предишното разположение. В продължение на шест месеца налягането в камерата остава постоянно при 2×10⁻◦ mbar. Бяха извършени няколко цикъла на отлагане с нагревателя. Надграждането на помпата и фланеца беше с допълнителна цена от $500.

Ограниченията на PFA във висок вакуум
Дори и с безупречно уплътняване, самата обвивка от PFA е газопропусклива-и отделя газове, освобождавайки абсорбирана вода и остатъци от разтворители. Отделянето на газове от PFA ще ограничи фоновото налягане при налягания под 10⁻² mbar (обикновено 10⁻◦–10⁻² mbar). Независимо от запечатването, PFA не може да се използва при ултра-висок вакуум (UHV,<10⁻¹ mbar). PFA with a double O-ring seal is suitable for medium to high vacuum (10⁻³ to 10⁻◦ mbar).

В заключение, използването на двоен О-пръстен и изпомпване намалява изтичането до 10⁻²–10⁻² mbar·L/s.
Уплътнителна система с двоен О{0}}пръстен върху монтажен фланец на PFA нагревател, с между-уплътнителен обем, вакуумиран от помпа, намалява скоростите на течове от 10⁻³–10⁻² mbar·L/s (единично уплътнение) до 10⁻◦–10⁻² mbar·L/s за приложения с висок-вакуум до 0,01 mbar (10⁻¹ bar). За повечето процедури със среден и висок{10}}вакуум това е достатъчно. Въпреки че изтичането е намалено с два до четири порядъка, то не се елиминира напълно от технологията. Метално уплътнение или херметични преходи от PFA-към-метал трябва да се имат предвид за налягания под 10⁻◦ mbar. За вакуумни пещи, камери за нанасяне на покрития и системи за обезгазяване, двойното уплътнение е работеща алтернатива. Той превръща проблемния фланец в надеждна преграда. Почти безупречен, но не съвсем. Достатъчно е за повечето изисквания за висок-вакуум.