Uklanja li upotreba dvostrukog brtvenog sustava O-prstena na montažnoj prirubnici curenje u PFA grijačima za primjene visokog-vakuuma (0,01 mbar)?

Zbog prodiranja kroz elastomer i mikro-propuštanja na kontaktu, jedna brtva O-prstena na montažnoj prirubnici PFA grijača ponekad je nedostatna za primjene visokog-vakuuma kojima su potrebni tlakovi niži od 0,01 mbar (10⁻¹ bara). Stope curenja mogu se smanjiti s 10⁻³–10⁻² mbar·L/s (jednostruka brtva) na 10⁻◦–10⁻² mbar·L/s (prihvatljivo za većinu aplikacija s visokim-vakuumom) s dvostrukim brtvenim sustavom O-prstena sa srednjim vakuumskim otvorom ("pumpana" dvostruka brtva). Vakuumska pumpa uklanja sav plin koji procuri pored prvog O-prstena prije nego što stigne do drugog O-prstena, stvarajući zaštićeni volumen. Metalna -zabrtvljena prirubnica (tip ConFlat) neophodna je za najviše razine vakuuma (10⁻² mbar i niže). Sustav s dva O-prstena značajno je smanjenje, a ne potpuno uklanjanje. Za srednji do visoki vakuum (10⁻³ do 10⁻◦ mbar), radi prilično dobro. Dodatna složenost za PFA grijače opravdana je samo kada su stope curenja manje od 10⁻² mbar·L/s.

Putovi curenja i mehanizam dvostrukog brtvljenja
Tri puta dovode do curenja u jednoj brtvi O-prstena (Viton ili FFKM): (1) propuštanje plina kroz elastomer (10⁻³–10⁻³ mbar·L/s po cm duljine brtve); (2) mikro-kanali na sučelju O-prstena-prirubnice (10⁻◦–10⁻³ mbar·L/s za prirubnicu od 100 mm); i (3) samo PFA-metalno sučelje (plašt grijača koji prolazi kroz prirubnicu). Obično jedna brtva može postići brzinu curenja od 10⁻³–10⁻² mbar·L/s, što je previsoko za visoki vakuum.

Drugi O-prsten i vakuumski priključak dodaju se u sustav dvostrukog O-prstena. Sićušna pomoćna vakuumska pumpa prazni prostor između O-prstenova. Svaki plin koji procuri pokraj prvog O-prstena odmah se ispumpava i nikada ne stigne do drugog. Umnožak (stopa curenja prve brtve) × (brzina curenja druge brtve) / (brzina pumpanja) je efektivna stopa curenja. U praksi su izvedive stope curenja između 10⁻² i 10⁻² mbar·L/s.

Usporedba stopa curenja za 50 mm PFA grijaće prirubnice
Materijali, konfiguracija brtve, dostižna stopa curenja (mbar·L/s), odgovarajuća razina vakuuma i povećanje troškova (%)
Kompresijski jednostruki O{0}}prsten FKM 10⁻³–10⁻¹ 1–10 mbar (grubi vakuum) 0%
Jednostruki O{0}}prsten (FFKM, Kalrez) FFKM 10⁻◦–10⁻¹ 0,1–1 mbar +10%
FKM + mast 10⁻◦–10⁻◦ 0,01–0,1 mbar + 15% pojedinačni O-prsten s brtvilom za utore (vakuumska mast)
Ne{0}}pumpani dvostruki O-prsten FKM + FKM 10⁻²–10⁻◦ 0,1–1 mbar + 20%
Dvostruki O{0}}prsten (pumpana, gruba pumpa) FKM + FKM 10⁻◦–10⁻¹ mbar +35%
Dvostruki O{0}}prsten (pumpano, turbo pumpa) FFKM + FFKM 10⁻²–10⁻◦ mbar +50%
Metalna brtva (bakrena brtva, ConFlat) Aluminij ili bakar<10⁻¹ +100% Extremely high vacuum
PFA zavaren na metalnu prirubnicu<10⁻¹ (through PFA) Welded PFA-to-metal transition (hermetic)PFA permeation limit of +200%
Praktično postavljanje PFA grijača
Za ugradnju dvostruke O-prstenaste brtve za visoki-vakuum na prirubnicu PFA grijača:

Dizajn prirubnice: strana spremnika PFA prirubnice mora imati dva koncentrična utora za O-prsten koji su međusobno udaljeni 15–25 mm. Postoji priključak (1/4 inča ili 6 mm) u prostoru između O-prstenova koji je spojen na vakuumsku pumpu (rotacijska lopatica, 10⁻² mbar).

Materijal O-prstena: Za kemijsku kompatibilnost s neprijateljskim medijima koristite FFKM (Kalrez, Chemraz). Za ne-agresivne pare prikladan je FKM (Viton).

Zakretni moment: za komprimiranje O-prstenova za 20–25% njihovog promjera-presjeka, ravnomjerno zategnite vijke prirubnice u zvjezdastom uzorku.

Pumpanje: Tijekom rada, među{0}}volumen brtvi treba neprestano pumpati. Dovoljno je imati specijaliziranu malu vakuum pumpu (10 L/min).

Plašt grijača: Drugi mogući put curenja je izlazna točka PFA-u-metalnu jezgru na hladnom kraju. Upotrijebite brtvu s mijehom od zavarenog metala ili silikonski kalup (vidi članak #87).

Primjer na terenu
PFA grijač je bio potreban da bi se komora za istraživanje poluvodiča održala na 80 stupnjeva pri visokom vakuumu (10⁻¹ mbar). Propuštanje oko prirubnice grijača generiralo je skokove tlaka (10⁻³ mbar) pomoću jedne brtve O-prstena. Brtva s dvostrukim O-prstenom s pumpanjem (dva FKM O-prstena s međupriključkom povezanim s malom membranskom pumpom) postavljena je umjesto prethodnog rasporeda. Tijekom šest mjeseci, tlak u komori je ostao konstantan na 2×10⁻◦ mbar. Nekoliko ciklusa taloženja je postignuto s grijačem. Nadogradnja pumpe i prirubnice koštala je dodatnih 500 USD.

PFA ograničenja u visokom vakuumu
Čak i uz besprijekorno brtvljenje, sam PFA omotač je plino{0}}propusan i ispušta plinove, otpuštajući apsorbiranu vodu i zaostala otapala. Ispuštanje plina iz PFA ograničit će pozadinski tlak pri tlakovima ispod 10⁻² mbar (obično 10⁻◦–10⁻² mbar). Bez obzira na brtvljenje, PFA se ne može koristiti pri ultra-visokom vakuumu (UHV,<10⁻¹ mbar). PFA with a double O-ring seal is suitable for medium to high vacuum (10⁻³ to 10⁻◦ mbar).

U zaključku, korištenje dvostrukog O-prstena i pumpanje smanjuje istjecanje na 10⁻²–10⁻² mbar·L/s.
Sustav brtvljenja s dvostrukim O-prstenom na montažnoj prirubnici PFA grijača, s među-volumenom brtve koji se prazni pomoću pumpe, smanjuje stope curenja s 10⁻³–10⁻² mbar·L/s (jednostruka brtva) na 10⁻◦–10⁻² mbar·L/s za primjene visokog-vakuuma do 0,01 mbar (10⁻¹ bar). Za većinu postupaka srednjeg i visokog-vakuma ovo je dovoljno. Iako je curenje smanjeno za dva do četiri reda veličine, tehnologija ga u potpunosti ne uklanja. Metalno brtvljenje ili hermetički prijelazi PFA-na-metal trebaju se uzeti u obzir za tlakove manje od 10⁻◦ mbar. Za vakuumske pećnice, komore za premazivanje i sustave za otplinjavanje, dvostruka brtva je izvodljiva alternativa. Pretvara problematičnu prirubnicu u pouzdanu barijeru. Gotovo besprijekoran, ali ne baš. Dovoljan je za većinu zahtjeva visokog-vakuma.