超高真空氣密壁壘：KF/ISO/CF 三種真空法蘭的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

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真空法蘭概述

IVACUUM · 真空聚焦

真空系統(tǒng)，一般由腔體、管道、泵、閥門、測量元件等部件組成。任何兩個(gè)部件之間，都需要通過接頭連接以成為一個(gè)整體。真空系統(tǒng)中常用的密封連接方式有如下三種：

密封穩(wěn)固、拆卸方便的特點(diǎn)使法蘭成為了真空系統(tǒng)中zuichangyong的連接方式。

真空法蘭用于真空系統(tǒng)可拆卸部位，或處于安裝需要的活動聯(lián)結(jié)部位。法蘭聯(lián)結(jié)必須保證接合處的氣密性近似于整體材料的性能。法蘭密封面即使光潔度很高，但由于機(jī)械加工的原因，不免有微小的高低不平起伏（見圖1），這種微小的表面粗糙度有時(shí)只能用顯微鏡才能觀察到。法蘭表面過大的粗糙度會使密封失效，如果有一條深 0.25 μm 的劃痕，可引起的漏率達(dá) 10^-8 Pa·L/s 數(shù)量級。

▲ 圖1 法蘭密封示意圖

如圖1（右）所示，如果兩個(gè)法蘭密封面之間有較軟的密封物質(zhì)，則密封物質(zhì)可以充滿法蘭密封面之間的起伏，使氣體不能通過，這就達(dá)到了密封的目的。若要使密封物質(zhì)很好地充滿密封面之間，就要求密封物質(zhì)質(zhì)軟，使接觸應(yīng)力遠(yuǎn)小于法蘭材料的彈性極限。滿足這種要求的材料通常有橡膠、氟塑料、鉛、銅、鋁、銀、金等。

真空法蘭與化工、通用機(jī)械法蘭不同之處在于它是在真空下使用的，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意下列事項(xiàng)：

從密封機(jī)理上分類，真空中經(jīng)常使用的法蘭可分為橡膠密封法蘭和金屬密封法蘭。橡膠密封法蘭（如 KF、ISO 法蘭）用于高真空及中、低真空系統(tǒng)中。也可以用于超高真空裝置的大門密封，此時(shí)為了減小密封圈的出氣量，常用氟橡膠密封，或者用氟利昂冷凍機(jī)冷凍密封圈。金屬密封法蘭（如 CF 法蘭）用于超高真空系統(tǒng)，金屬密封不僅出氣量小，而且能耐受高溫烘烤。

真正意義上的標(biāo)準(zhǔn)化法蘭，在20世紀(jì)中葉，隨著鍍膜、核科學(xué)等相關(guān)真空產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展被廣泛應(yīng)用。并隨著真空使用場景的不斷變化，衍生出了三條不同的技術(shù)路線：

這三條路線，最終演變成了今天zuichangyong的三類真空法蘭：KF、ISO和CF法蘭，使用范圍覆蓋了低真空到超高真空環(huán)境。

KF 法蘭源于德語 Klein Flansche，直譯就是“小法蘭”，20世紀(jì)50年代被推出。KF 法蘭也叫“夾緊型快卸連接器”（clamped-type quick-release couplings），業(yè)內(nèi)通常都以 KF 法蘭稱呼。其對應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)有 DIN 28403、ISO 2861等，已成為小口徑中高真空管路的通用接口。

▲ 圖2 KF法蘭結(jié)構(gòu)示意圖

KF 法蘭是典型的對稱法蘭——對接的兩個(gè)法蘭wanquan一樣，無公母之分，由4部分組成：中心環(huán)（O-ring carrier）、卡箍（clamp）、連接盤/法蘭接頭（coupling）、O形圈（O-ring）。

▲ 圖3 KF法蘭分解結(jié)構(gòu)單元

以 ISO 2861：2020《Vacuum technology — Dimensions of clamped-type quick-release couplings》標(biāo)準(zhǔn)為參考，共有5種標(biāo)準(zhǔn)尺寸，本文列出部分尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)以供參考。

▲ 圖4 KF法蘭標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)示意圖

▲ 表1 KF法蘭接頭標(biāo)準(zhǔn)尺寸參數(shù)

KF 法蘭通過 O 形圈的壓縮形變實(shí)現(xiàn)密封。把裝有 O 形圈的定心環(huán)夾在兩個(gè)法蘭中間，中心環(huán)負(fù)責(zé)對中，再裝配卡箍并擰緊蝶形螺母即可完成密封。法蘭背面設(shè)計(jì)有斜面，可以把卡箍一部分徑向夾緊力轉(zhuǎn)換為軸向壓力，使 O 形圈的壓縮形變更均衡。整個(gè)過程不需要扳手等輔助工具，安裝簡易。

▲ 圖5 KF 法蘭密封配合示意圖

O 型圈的材質(zhì)一般以高分子材料為主。受限于高分子材料的特性，烘烤溫度一般不高于200℃（此溫度一般指氟橡膠，其余如丁腈橡膠等，溫度一般在100℃左右）。橡膠作為真空設(shè)備中應(yīng)用zuipubian的密封材料，具有高彈性，較高的耐磨性和適宜的機(jī)械強(qiáng)度，具有常溫下密封可靠，可反復(fù)安裝，易于加工，價(jià)格低廉的優(yōu)勢，與鋼制法蘭易形成氣密性結(jié)合。

對法蘭的密封面加工精度要求不高，一般 1~6 μm的粗糙度就可以保證密封。需要的密封力大小，大約為 10~20 kgf/cm²。缺點(diǎn)是不能承受較嚴(yán)苛的高溫和低溫的環(huán)境條件，出氣率和滲透率遠(yuǎn)相比金屬材料較大，通常只用于高真空及以下系統(tǒng)，不適用于超高真空和jigao真空系統(tǒng)。

除橡膠外，聚四氟乙烯也是常用的高分子密封材料。其化學(xué)性能穩(wěn)定，不吸水，且電絕緣性好。新型膨脹聚四氟乙烯可在 -218~320℃ 的溫度范圍內(nèi)安全使用，使用壽命也長于橡膠密封材料。缺點(diǎn)是其彈性差，裝配精度要求高。

KF 法蘭常用的高分子密封材料有如下幾種：

KF 法蘭的優(yōu)點(diǎn)在于安裝拆卸簡易，結(jié)構(gòu)輕巧，成本較低。一般適用于中、高真空管路的連接，主要用于中小型真空系統(tǒng)的管路與泵的連接，以及一些小型的檢測儀器等。使用極限真空度可達(dá) 10^-6 PaJI。

隨著真空技術(shù)的發(fā)展，KF 法蘭的尺寸上限已無法滿足真空設(shè)備大型化的需求，適配更大尺寸管路的 ISO 法蘭應(yīng)運(yùn)而生。ISO 法蘭又稱“非刀口法蘭”（non-knife edge flange），與之后介紹的刀口法蘭（CF法蘭）區(qū)分，即法蘭密封面為光滑平面，一般由O形圈密封，通過螺栓或卡鉗緊固的一系列法蘭。業(yè)內(nèi)為方便稱呼，統(tǒng)稱為 ISO 法蘭，并將利用卡鉗緊固的稱為 ISO-K 型，螺栓固定的稱為 ISO-F 型。從主體結(jié)構(gòu)與密封機(jī)理上看，前文提到的 KF 法蘭也屬于 ISO 法蘭中的一種，不過 KF 法蘭形成了單獨(dú)的標(biāo)準(zhǔn)體系（ISO 2861），故本文也將兩種法蘭分開介紹。

▲ 圖6 ISO-K 型法蘭結(jié)構(gòu)示意圖

▲ 圖7 ISO-F 型法蘭結(jié)構(gòu)示意圖

ISO 法蘭與 KF 法蘭結(jié)構(gòu)相似，也是典型的對稱法蘭，同樣由4部分組成：中心環(huán)（O-ring carrier）、緊固夾具：卡鉗（clamp）/螺栓（blot）、連接盤/法蘭接頭（coupling）、O形圈（O-ring）。

▲ 圖8 ISO法蘭分解結(jié)構(gòu)示意圖

參考 ISO 1609：2020《Vacuum technology — Dimensions of non-knife edge flanges》標(biāo)準(zhǔn)，ISO-K 型法蘭的標(biāo)準(zhǔn)通徑為10~630，ISO-F 型法蘭的標(biāo)準(zhǔn)通徑在K型的基礎(chǔ)上增加了更大的800和1000規(guī)格。這里，我們以 ISO 1609：2020 標(biāo)準(zhǔn)中的螺栓法蘭（bolted flange）和卡鉗法蘭（clamped flange）為參考，列出部分尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)以供參考。

▲ 圖9 ISO-F 型法蘭接頭剖面結(jié)構(gòu)

ISO 法蘭的密封原理和 KF 法蘭類似，也是依靠 O 形圈的壓縮形變實(shí)現(xiàn)密封，只是將尺寸進(jìn)行了放大，緊固方式改成卡鉗緊固或螺栓緊固。因此，可參考前文KF法蘭的密封機(jī)理，此處不再贅述。

如果說 KF 法蘭適配的是小型管路的連接，那 ISO 法蘭就是大型管路連接的buerzhixuan。ISO 法蘭密封的極限真空度可達(dá) 10^-6 Pa  JI，適配中、高真空度工況。典型應(yīng)用是鍍膜設(shè)備、半導(dǎo)體產(chǎn)線等大口徑真空管路。

1940年后，真空技術(shù)擴(kuò)展到真空冶金、真空鍍膜和冷凍干燥等應(yīng)用，并開始成為一門獨(dú)立學(xué)科。而原子物理學(xué)研究和高質(zhì)量電子管的需求，進(jìn)一步推動了真空技術(shù)的發(fā)展，特別是1957年離子泵的發(fā)明，正式將真空技術(shù)帶進(jìn)了超高真空時(shí)代。由于獲得超高真空時(shí)通常需要烘烤除氣，而普通的橡膠圈密封法蘭無法承受高溫，最早的超高真空設(shè)備不同的組件之間一般采用焊接的方式連接。

1961年，瓦里安科技（現(xiàn)安捷倫科技）發(fā)明了一種可拆卸的，能承受高溫烘烤的金屬靜密封法蘭，并將其命名為“ConFlat”法蘭。因其良好的密封性和能承受高溫烘烤的特性，被廣泛的使用，并逐漸成為超高真空和jigao真空法蘭的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。通常稱其為刀口法蘭（knife-edge flange）或簡稱為CF法蘭。

▲ 圖11 CF法蘭結(jié)構(gòu)示意圖

CF 法蘭主要由3部分組成，分別是：墊片（gasket）、法蘭接頭（flange）、螺栓（bolt）

其結(jié)構(gòu)上最大的特點(diǎn)就是在法蘭密封面上設(shè)計(jì)了一道銳利的楔形刀口，可以緊緊楔入金屬墊片，實(shí)現(xiàn)jihao的密封效果。

▲ 圖12 CF 法蘭分解結(jié)構(gòu)示意圖

▲ 圖13 刀口結(jié)構(gòu)

參考ISO 3669：2026《Vacuum technology — Dimensions of knife-edge flanges》，CF法蘭標(biāo)準(zhǔn)通徑從10~400，其中16、40、63、100、160、200、250規(guī)格使用最為廣泛。國內(nèi)制定了GB/T 6071-2003《超高真空法蘭》，對其材質(zhì)、尺寸、加工方式等技術(shù)要求進(jìn)行了規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)通徑從16~250。我們以國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)為參考，列出部分參數(shù)以供參考。

▲ 圖14 標(biāo)準(zhǔn)CF法蘭剖面結(jié)構(gòu)

CF 法蘭通過金屬墊片與法蘭上刀口的過盈配合實(shí)現(xiàn)密封。擰緊螺栓后，法蘭上的刀口楔入較軟的金屬墊片使其發(fā)生塑性變形以填滿刀口與法蘭刀口上的微觀缺陷，形成金屬對金屬的密封——這，是極限真空的最后一道防線。

▲ 圖15 常見真空法蘭金屬墊片密封形式：(a) 平墊平面密封；(b) 墊片臺階密封；(c) 錐形密封；(d) 金屬絲臺階密封；(e)  尖頭墊平面密封；(f) 楔形密封

金屬密封法蘭用于超高真空金屬系統(tǒng)上?？拷饘倜芊馊?墊片塑性變形后充滿法蘭密封面表面之間來密封。金屬的塑性較橡膠差，因而法蘭加工精度要求高，且密封圈通常只能用一次，這些都是金屬密封的不足之處。但他的突出優(yōu)點(diǎn)是出氣兩校，能耐烘烤，這是橡膠密封所不能及的。由于大多數(shù)金屬密封圈只能用一次，這給日常設(shè)備的使用和維修更換帶來了諸多不便。近幾年出現(xiàn)了兩種新型的密封圈。密封力小，可多次使用。

圖16（a）所示是彈簧外面包上軟金屬片制成的。當(dāng)密封圈受壓時(shí)，彈簧變形，并使軟金屬片充滿密封面的表面之間達(dá)到密封。

圖16（b）所示為金屬空心O形圈，其外部蒸鍍銀，或者蒸鍍金、銅、鎳、銦，空心環(huán)受壓時(shí)起彈性變形作用，而鍍層起到密封作用。

▲ 圖16 新型金屬密封圈示意圖

CF 法蘭的材料通常使用奧氏體不銹鋼，為了保證烘烤時(shí)的氣密性，法蘭連接螺栓材料的線膨脹系數(shù)必須與其一致，應(yīng)選擇相同材料。金屬密封有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：①放氣遠(yuǎn)比橡膠少，②可在高溫下烘烤去氣，因此能滿足超高真空的要求。

但金屬密封也有很多缺點(diǎn)：

CF 法蘭常用的金屬密封件有如下幾種：

▲ 圖17 CF法蘭密封機(jī)理示意圖

CF 法蘭具備兩個(gè)優(yōu)勢，一是密封性強(qiáng)，可在超高真空環(huán)境下使用；二是可在高溫下烘烤。CF 法蘭廣泛應(yīng)用在對真空度要求較高的表面科學(xué)研究、粒子加速器、同步輻射、EUV 光刻、半導(dǎo)體刻蝕與薄膜沉積。極限真空可達(dá) 1×10^-11 Pa，烘烤溫度可至450℃。

▲ 安捷倫真空組件與硬件系列產(chǎn)品，包含真空閥、轉(zhuǎn)換頭、真空法蘭、真空饋通件、真空密封膠等，圖片來源于安捷倫真空

在具體應(yīng)用中，可以參照如下標(biāo)準(zhǔn)選擇合適的真空法蘭。

三種法蘭選型的本質(zhì)，是在真空等級、接口尺寸、是否需要烘烤等因素間做權(quán)衡。

真空法蘭在過去100余年間快速發(fā)展，如今部分技術(shù)已趨成熟。筆者認(rèn)為，未來真空法蘭產(chǎn)品會按以下三個(gè)方向進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。

方向一：鋁基超高真空組件。鋁的磁導(dǎo)率低、放氣率低、質(zhì)輕，是超高真空的理想材料，但是硬度不夠，易磨損。已有國外研究者通過對CF法蘭的刀口結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大降低了使用過程中的磨損。

方向二：全金屬快卸密封。傳統(tǒng)CF法蘭裝配好所有緊固螺栓需要較長時(shí)間，如在殘余輻射、必須快速拆裝的高能加速器環(huán)境里，快速拆裝顯得尤為重要。

方向三：智能化發(fā)展。自補(bǔ)償式金屬密封結(jié)構(gòu)、預(yù)緊力在線監(jiān)測已成為重要發(fā)展方向。3D打印技術(shù)也讓一些法蘭的一些復(fù)雜設(shè)計(jì)成為可能。

更低的放氣率、更簡易的裝配以及智能化，將是真空法蘭未來的重要發(fā)展方向。