真空閥門的設計
真空閥門是真空系統(tǒng)的重要元件。對于構成管路一部分的閥門，其流導大小是一個重要的性能參數(shù)。對于主要用來起開關氣路作用的閥門，閥板關閉的密封性能也是重要的性能參數(shù)之一。密封性能是用其漏氣率來衡量的。對于主要用來調節(jié)氣流大小的閥門，能夠調節(jié)氣流量的精度及范圍，則是一項重要的性能參數(shù)。對于全金屬超高真空閥門，每次關閉是否性能穩(wěn)定?使用壽命是否長?是其主要的性能指標。
(1)對真空閥門的一般要求
①閥門的密封性能要好，閥板密封處的漏氣率要小；
②閥板開啟后應盡可能有較大的流導；
③閥門內所用材料應有較低的飽和蒸氣壓，高抗腐蝕性能和高化學穩(wěn)定性、耐磨損、壽命長，超高真空閥門應能耐烘烤(400～450℃)；
④閥門結構要簡單，開關輕便省力，有標志，傳動機構在高壓側；
⑤真空閥門的型式、基本參數(shù)、連接尺寸和技術條件應按國家專業(yè)標準執(zhí)行。
(2)閥板的密封結構和密封力計算
①膠墊密封結構及密封力的計算
橡膠墊圈密封是利用閥板與閥座間壓緊橡膠墊圈，依靠橡膠彈性變形填塞表面不平來實現(xiàn)的密封。目前真空閥門的膠墊密封歸納起來有6種，如圖18所示。前4種用于較大口徑的閥門，后2種用于較小口徑的閥門。a種是早期采用的結構，為了便于加工閥座上的密封槽，必須把閥座與閥殼設計成可拆卸的，這就在結構上增加了一道真空密封。現(xiàn)在絕大多數(shù)閥門都采用閥板上帶密封圈的結構，如圖中(b)、(c)、d)所示。
選擇真空閥門的密封結構時應注意以下幾點：a．盡可能減少閥板下高真空側的放氣因素，例如選用放氣率小的密封墊材料等．b．關閥后密封圈截面上有最大的壓縮變形．c．結構力求簡單；d．制造方便；e．密封元件便于拆卸和修理。
閥門關閉的密封性能好壞決定于密封墊填塞閥座表面不平的程度。影響這種填塞程度的因素有二方面：a．密封墊材料的硬度和壓緊程度；b．閥座表面的粗糙度。通常閥座表面的粗度都高于3.2/Δ，密封墊的硬度都在邵氏硬度55～75之間。密封墊的壓緊程度，根據(jù)試驗結果，當橡膠的硬度在邵氏硬度50以上，而表面沒有任何擦傷時，橡膠墊的高度壓縮比在15％以上就能達到漏氣率小于1．33×10-7Pa·L／s·cFn。的密封性能。如果考慮到制造精度上允許的偏差·把壓縮比適當提高一些是必要的。因此建議真空閥門密封墊的相對壓縮比通常取為15％～25％。
膠墊密封悶板的密封力計算，多數(shù)可按0形環(huán)在矩形槽中受壓縮的密封力進行近似地計算
Fs=σBL
=σxEBxπdD Ｎ (1)
式中σ-密封比壓力，N／cm2；B-密封寬度，即密封圈與閥座的接觸寬度，cm；L-密封圈平均周長，cm；σx-相對比壓力；E-密封圈材料的相氏模量，N／cm2；Bx-密封圈的相對寬度，d-密封圈的線徑，cm；D-密封槽的中徑，cm。
有些閥門只需要單向使用，例如擴散泵入口閥門，閥板只需要封住擴散泵中的真空狀態(tài)。這種閥的設計，結構上允許閥板在壓力差作用下繼續(xù)被壓緊。因此，閥板關閉時只需要初始壓緊力就可以。我國1968年真空閥門聯(lián)合設計中提出，在上述情況下，密封的初始比壓力可以取為20N／cm。。實踐證明，這種做法是可行的。故這種閥門的初始密封力為
Fs=20BL Ｎ (2)
式中B-與密封比壓力為20N／cm2相對應的膠墊密封寬度，cm；L-膠墊的長度，cm。
有些閥門需要雙向使用，既不但需要封住閥板上方的大氣壓，有時還得封住閥板下方的大氣壓。這種閥門的閥板密封力應用下式計算：
Fs=σBL+7.85×10-5D2Pd Ｎ (3)
式中Pd是大氣壓強，Pa；其余符號同前。
②金屬墊密封結構及密封力計算
圖19給出金屬墊密封的幾種結構。其中圖(a)即是針閥的結構。圖(b)、(c)、(d)和(e)都是用于超高真空系統(tǒng)中的金屬墊密封閥門。一般來說，閥板用軟金屬紫銅、無氧銅、鋁、鎳和鉛等制成，銅、鋁、鎳要預先經過退火處理。閥座用硬金屬不銹鋼等制成刀口形。圖(f)、(g)和(h)是用低熔點的軟金屬及其合金作為密封材料，而閥座也是用硬金屬不銹鋼等制成。它們都是依靠軟金屬受壓產生塑性變形與閥座密合達到密封的。為保證密封，每次閥板關閉時刀口的壓痕必須重合。為此除了閥板的傳動上應有精確的導向機構外，刀口尖還應倒圓。如圖20所示，倒圓半徑一般有兩種：R0．1mm和R0．2mm，多數(shù)取為R0．1。圖(g)沒有刀口壓痕問題，密封墊的壽命較長。
刀口形狀對閥門性能也有一定影響。表2給出了一些實驗數(shù)據(jù)，從表中實驗數(shù)據(jù)可知，直角形刀口比夾角形刀口所需螺旋壓緊轉矩大些。
表2 直角型和夾角型刀口的實驗數(shù)據(jù)
刀口型式 實驗次數(shù) 所需轉動力矩(N·m) 漏 率(Pa·m3/s) 刀口型式 實驗次數(shù) 所需轉動力矩(N·m) 漏 率(Pa·m3/s)
夾角型 1 49 <6.7×lO-9 直角型 1 54 <8×lO-9
夾角型 2 49 <6.7×lO-9 直角型 2 54 <8×lO-9
夾角型 3 49 <6.7×lO-9 直角型 3 54 <8×lO-9
夾角型 4 49 <6.7×lO-9 直角型 4 54 <8×lO-9
注：本直角形如圖19（b）所示，夾角型如圖19（c）所示，漏率測量，因受儀器靈敏度的限制，測得數(shù)值是上限，而不是實際的具體數(shù)值
為了提高閥板(或金屬墊)的壽命，閥板的壓下量還可以設計成可微調的。一旦原有壓痕失去了應有的密封性能時，可通過微調，使壓痕再稍深一些。這樣能保證密封性一能，也延長了閥板的使用壽命。
目前有關金屬墊密封閥門的密封力計算通常是基于實驗數(shù)據(jù)。設計者針對所設計的密封結構進行模擬試驗，確定出密封比壓力，然后按照具體的密封尺寸進行計算。根據(jù)國內外有關資料，設計者可參考表3。根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，金屬墊密封力可按下式計算：
Fs=Ls.fls=As.fsa Ｎ (4)
式中Ls-密封口中心長度，mm；fls-單位長度的密封力，N／mm；As-密封面積，mm2；fsa-單位面積的密封力，N／mm2。
(3)閥板壓緊裝置
精確地計算閥板的密封力是真空閥門設計的首要問題，而正確地設計閥板壓緊裝置則是達到密封力的基本保證。
①閥板壓緊裝置應達到的要求
a．在壓緊密封墊時，閥板不產生橫向運動。因為橫向運動會搓傷密封墊；
b．壓緊位置要有重合性，即每次關閉都壓在同一位置上。只有這樣才能保證閥門關閉性能穩(wěn)定。金屬墊閥門對此要求嚴格，膠墊的差些；
c．要均衡壓緊密封墊。因為不均衡壓緊密封墊就可能造成封閉不嚴密；
d．壓緊后必須能自鎖，否則要有動力來維持壓緊狀態(tài)；
e．壓緊程度必須可調，因為密封墊都有一定制造公差，必須通過調整才能壓緊。
②常用的幾種壓緊方式
a．螺旋壓緊在真空閥門中應用最廣，它的結構簡單，制造容易，壓緊時增力倍數(shù)較大，適于手動、電動兩種閥門；其缺點是開關閥門時間較長、傳動效率較低。
現(xiàn)以圖21超高真空閥門的具體結構來說明螺旋壓緊。圖中1是帶刀口的閥座，2是可更換的閥板，它由帶導向槽的螺桿3帶動。螺母4擰在螺桿3上，其軸向由止推軸承限定，只能轉動。當螺母轉動時，螺桿3因導向鍵5的限制，只能作上下移動，從而帶動閥板上下移動，或打開閥門或關閉閥門。這種閥的關鍵是閥板關閉要有重合性。經驗證明，利用閥板凸出的圓周面和閥腔的內圓柱面精加工配合，可以達到閥板粗定位。該種結構還利用制動圈6來解決螺母退扣問題，效果很好。
螺旋壓緊的螺母阻力矩的計算可參照機械設計中有關的計算。壓緊后的自鎖條件是
λ=arctanf (5)
式中 λ——螺旋升角；f——螺桿與螺母材料的摩擦系數(shù)