ES2970802T3 - Cámara de vacío no monolítica para ejecutar aplicaciones de vacío y/o para alojar componentes de vacío - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a una cámara de vacío para realizar aplicaciones de vacío y/o para recibir componentes de vacío, que comprende un recipiente de vacío que tiene al menos una sección de brida conectada al recipiente de vacío, consistiendo dicho recipiente de vacío y dicha al menos una sección de brida de una pieza de aluminio. aleación. En una realización, el recipiente de vacío consta de una aleación de aluminio con baja emisión de gases con componentes principales de aluminio y magnesio, y la sección de brida consta de una aleación de aluminio con componentes principales de aluminio, magnesio y silicio. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Cámara de vacío no monolítica para ejecutar aplicaciones de vacío y/o para alojar componentes de vacío

La invención se refiere a una cámara de vacío para ejecutar aplicaciones de vacío y/o para alojar componentes de vacío de acuerdo con la reivindicación 1.

Las cámaras de vacío son un componente central de los sistemas de tecnología de vacío y sellan la cámara de vacío de la atmósfera circundante. Por lo tanto, las cámaras de vacío deben diseñarse para que la presión sea estable en un grado adecuado. El material de las cámaras de vacío también debe garantizar una pureza suficiente del vacío. Debe prestarse especial atención al comportamiento de desgasificación del material de la cámara a bajas presiones, ya que las sustancias desgasificadas pueden contaminar el vacío y perjudicar los procedimientos y procesos tecnológicos que tienen lugar en él.

El material preferido para la fabricación de cámaras de vacío, especialmente en el área de vacío UHV y XHV, es el acero inoxidable en una gama muy amplia de aleaciones. En “Bakable aluminium vacuum chamber and bellows with an aluminium flange and metal seal for ultrahigh vacuum”, JOURNAL OF VACUUM SCIENCE AND TECHNOLOGY, Vol. 15, No. 6, 1 de noviembre de 1978 (1978-11-01), página 1853, por Hajime Ishimaru, así como en los documentos DE 29918170 U1 y EP 1795757 A, se describen sistemas y sus juntas de tecnología de vacío.

Las bridas CF con superficies de sellado que presentan filos de corte se utilizan para el sellado en la tecnología UHV. Hasta ahora, las bridas CF con filos de corte solo se han fabricado con aleaciones de aluminio-cobre con una resistencia a la tracción de 300 N/mm2. Con estos materiales, el cobre, que en realidad es ventajoso por sus propiedades dúctiles, no puede utilizarse como material para filos de corte debido a la soldadura en frío y a la difusión del material de cobre. El acero inoxidable es suficientemente resistente a la presión y garantiza un alto nivel de pureza del vacío dentro de la cámara de vacío. Sin embargo, el acero inoxidable es un material muy caro, lo que encarece considerablemente la cámara de vacío. A esto hay que añadir la densidad comparativamente alta del acero inoxidable, lo que significa que la masa de una cámara de vacío aumenta en consecuencia, y hay que descartar un diseño ligero para las cámaras de vacío.

Ahora se trata de remediar los inconvenientes mencionados y fabricar cámaras de vacío de un material alternativo, superando los prejuicios de los expertos al respecto, con lo que la producción puede ser más rentable, la cámara de vacío en su conjunto es más ligera y, además, el vacío puede mantenerse con una calidad comparable a la de una cámara de acero inoxidable.

El problema se resuelve con una cámara de vacío para llevar a cabo aplicaciones de vacío y/o para alojar componentes de vacío con las características de la reivindicación 1. Esta comprende un recipiente de vacío con al menos una sección de brida conectada al recipiente de vacío, en donde el recipiente de vacío y la sección de brida consisten en una aleación de aluminio.

Las aleaciones de aluminio presentan una densidad menor que el acero inoxidable, lo que reduce significativamente la masa total de la cámara de vacío. Hasta ahora, las aleaciones de aluminio se consideraban desventajosas para su uso en cámaras de vacío, sobre todo en lo que respecta a la porosidad y al comportamiento de desgasificación. Sin embargo, se ha descubierto que determinadas aleaciones de aluminio forman capas de óxido relativamente densas en determinadas condiciones de tratamiento, lo que da lugar a tasas de desgasificación suficientemente bajas, haciendo posible su uso en la tecnología del vacío.

En un diseño adecuado, el recipiente de vacío consiste en una aleación de aluminio de baja desgasificación, cuyos componentes principales son el aluminio y el magnesio. Con tales aleaciones, se ha demostrado que forman una capa de óxido durante la manipulación habitual de producción con lubricantes refrigerantes y procesos de limpieza química húmeda, que es densa y provoca tasas de desgasificación suficientemente bajas.

En otra realización, se prevé un tubo de conexión entre el recipiente de vacío y la sección de brida. Este tubo de conexión también consiste en la aleación de baja desgasificación con los componentes principales de aluminio y magnesio o también puede consistir en una aleación de aluminio con los componentes principales de aluminio, magnesio y silicio. La elección entre las dos aleaciones se realiza, por ejemplo, en función de lo grande que sea la superficie interior del tubo de conexión en comparación con la superficie interior total de la cámara de vacío y de lo elevada que sea la contribución de la desgasificación causada por el tubo de conexión a la composición del vacío en el área total de la cámara de vacío.

En otra realización, la sección de brida consiste en una aleación de aluminio cuyos componentes principales son aluminio, magnesio y silicio. En el caso de este tipo de aleación, se trata de un material con una resistencia suficientemente alta, lo cual es de importancia decisiva para la función de la sección de brida. Dado que la sección de brida constituye la parte más pequeña de la cámara de vacío, pueden aceptarse los índices de desgasificación ligeramente mayores en esta zona, especialmente porque la sección de brida suele estar situada en la periferia de la cámara de vacío y, por lo tanto, suficientemente alejada del volumen del recipiente de vacío.

En una realización, la sección de brida presenta una superficie de sellado con un filo de corte. El diseño de la superficie de sellado con un filo de corte es particularmente útil porque la aleación de AIMgSi proporcionada en el área de la sección de brida presenta una alta resistencia y, por lo tanto, se puede utilizar para un sello de filo de corte.

Se ha demostrado que las aleaciones de AlMgSi con una resistencia comparable a la del acero inoxidable son adecuadas para las bridas CF y garantizan una geometría estable del filo de corte incluso durante varios ciclos de uso y períodos de tiempo más largos. Sin embargo, estas aleaciones no tienen una desgasificación tan baja como las aleaciones de aluminio/magnesio y presentan tasas de desgasificación de 10-12 a 10-13 mbar l/cm2. Además, estas bridas pueden sellarse con materiales de cobre, ya que no contienen cobre en la propia aleación.

Además, en una realización, se prevé un sello de filo de corte para su uso con el filo de corte, por lo que el sello de filo de corte está hecho de un material de cobre de bajo oxígeno o libre de oxígeno.

La temida corrosión por contacto no se produce gracias al uso de cobre OFHC en particular.

La invención se explicará ahora con más detalle utilizando ejemplos de realizaciones. Las Figuras 1 a 6 se utilizan a modo de aclaración, utilizándose los mismos símbolos de referencia para las partes idénticas o que actúan de manera idéntica.

En ellas:

Fig. 1 muestra una representación de ejemplo de una cámara de vacío con los componentes correspondientes,

Fig. 2 muestra una representación de ejemplo de una sección de brida y un tubo de conexión asociado,

Fig. 3 muestra una representación espacial de la disposición de la Fig. 2,

Fig. 4 muestra dos representaciones de ejemplo de una sección de brida,

Fig. 5 muestra una vista general de ejemplo de una brida de conexión con una ilustración de la superficie de sellado y del filo de corte, así como del material de sellado,

Fig. 6 muestra un perfil de ejemplo del filo de corte de una brida de conexión en estado nuevo y después de 50 ciclos de sellado.

La Fig. 1 muestra una representación de ejemplo de una cámara de vacío con los componentes correspondientes. La cámara de vacío comprende un recipiente 2 de vacío y, en este caso, varias secciones 3 de brida que están conectadas directamente al recipiente de vacío o secciones de brida que están conectadas al recipiente de vacío a través de un tubo 4 de conexión. El recipiente de vacío constituye el recipiente propiamente dicho y aloja, por ejemplo, los componentes de vacío pertinentes, como sensores de presión, soportes, calentadores, tecnología de medición, sensores, y similares. Se evacúa a través de los tubos de conexión o puede conectarse a otros recipientes de vacío. En este último caso, la cámara de vacío se compone de varios recipientes de vacío conectados entre sí mediante tubos de conexión, en los que el acoplamiento tiene lugar a través de las secciones de brida.

Todas las partes de la cámara de vacío están hechas de una aleación de aluminio. En una realización particularmente práctica, se utilizan dos aleaciones diferentes, que se ilustran en el ejemplo dado aquí por áreas no sombreadas y sombreadas.

Los componentes no sombreados consisten en una aleación de aluminio cuyos principales componentes son el aluminio y el magnesio. Los componentes sombreados consisten en una aleación de aluminio cuyos principales componentes son aluminio, magnesio y silicio.

Como puede verse en la ilustración, el recipiente 2 de vacío está hecho de una aleación de AlMg, mientras que todas las secciones 3 de brida están hechas de la aleación de AlMgSi. Los tubos 4 de conexión pueden estar hechos de la aleación de AlMg o de la aleación de AlMgSi, dependiendo de los requisitos.

La razón de que las aleaciones de aluminio se formen de manera diferente es que se ha demostrado que las aleaciones de AlMg, en particular, forman capas de óxido relativamente densas durante la manipulación de la producción y bajo la influencia de los lubricantes de refrigeración habituales y la posterior limpieza química húmeda. Estas capas densas de óxido presentan índices de desgasificación sorprendentemente bajos, que pueden ser inferiores a 10-14 mbar l/cm2. Por lo tanto, son adecuadas para su uso como material de pared del recipiente de vacío, ya que solo contaminan el vacío del interior del recipiente en muy pequeña medida. Sin embargo, estas aleaciones no tienen una gran resistencia de material, lo que no es primordial a la hora de diseñar el recipiente de vacío.

Por el contrario, todas las secciones 3 de brida están hechas de una aleación de AlMgSi de alta resistencia. Estas se sueldan a los componentes correspondientes, es decir, al recipiente de vacío o a la tubería de conexión. La resistencia a la tracción de estas aleaciones es del orden de magnitud de la resistencia a la tracción del acero inoxidable. Esta resistencia es necesaria porque las secciones de brida tienen que absorber la presión de contacto de la conexión de brida y garantizar el sellado. El peor comportamiento de desgasificación de 10-13 a 10-12 mbar l/cm2 de la aleación de AIMgSi puede aceptarse, en este caso, si las secciones de brida son pequeñas en comparación con el volumen del recipiente de vacío o están situadas a una distancia suficientemente grande del recipiente central de vacío.

Dependiendo de la longitud, la carga esperada o el tamaño, los tubos de conexión pueden estar hechos de la aleación de AlMg o de la aleación de AlMgSi. Se prefiere una aleación de AlMg si los tubos de conexión tienen una superficie interior relativamente grande o si están situados cerca de partes sensibles de la cámara de vacío. Se prefiere una aleación de AlMgSi para los tubos de conexión predominantemente si están expuestos a una mayor carga, si solo son cortos y tienen una superficie interior relativamente pequeña, o si la fijación de la sección de brida lo requiere debido a su diseño estructural. Dentro del ámbito de los requisitos de diseño y del uso previsto de la cámara de vacío, el experto no está limitado en su elección.

Junto con la Fig. 3, la Fig. 2 muestra un ejemplo de una sección 3 de brida y un tubo 4 de conexión. Además, aquí se prevé una cubierta 5 de brida, que está conectada a la sección 3 de brida mediante una serie de tornillos 6 de fijación. La sección 3 de brida está unida al tubo de conexión mediante una costura 7 de soldadura. Independientemente del tipo de aleación del tubo de unión y de la sección de brida, en este caso, se puede utilizar el procedimiento de soldadura comúnmente empleado para aleaciones de aluminio. En particular, se trata del procedimiento de soldadura TIG, es decir, soldadura con gas inerte de tungsteno.

En una realización, la superficie de sellado de la sección de brida está provista de un filo de corte de modo que la sección de brida forma un sello de filo de corte junto con la cubierta de brida. En la Fig. 4, se muestran diseños de ejemplo de la sección de brida.

La ilustración superior de la Fig. 4 muestra una sección de brida que corresponde a la realización de las Fig. 2 y 3. Esta presenta un resalte 8 de tubo y un collarín 9 de brida. En la ilustración inferior de la Fig. 4, se muestra una sección de brida que consta exclusivamente de un collarín 9 de brida y, por lo tanto, está diseñada como un anillo con forma de disco.

Las superficies de sellado de los collarines 9 de brida de la sección 3 de brida presentan cada una filos 10 de corte.

La Fig. 5 muestra una sección 3 de brida de ejemplo diseñada aquí como brida CF, que está fabricada en su totalidad con la aleación de aluminio AlMgSi antes mencionada según la invención. La Figura muestra una sección de brida que se combina aquí con una contraparte correspondiente. La sección de brida CF presenta una superficie de sellado que contiene un filo 10 de corte anular en la zona periférica. El perfil del filo de corte se muestra en detalle en la ilustración individual que figura a continuación. La sección de brida presenta una serie de orificios 11 para insertar los medios de sujeción no mostrados aquí, en particular tornillos de sujeción.

La fuerza de sujeción ejercida por estos medios de sujeción provoca una presión de contacto que actúa sobre los filos de corte tanto de la sección de brida como de su contraparte. Como resultado, los filos de corte penetran en un material 12 de sellado situado debajo. Este material de sellado está diseñado aquí en forma de un anillo de sellado que se coloca en los filos de corte. Se pueden utilizar diferentes materiales como material de sellado. En una realización práctica, se utiliza material de cobre OFHC libre de oxígeno.

El aluminio puro no puede utilizarse como material de sellado, ya que el aluminio es tan blando que presenta muchas microdesigualdades en la superficie, por lo que no pueden alcanzarse los índices de fuga de <10-10 mbar l/s requeridos en la tecnología UHV.

Se imponen diversos requisitos al material de sellado. El material debe ser suficientemente bajo en desgasificación y tener una baja permeabilidad a los gases. Por lo tanto, solo los metales pueden considerarse materiales de sellado. Se trata principalmente de metales blandos suficientemente resistentes a los arañazos, como el material de cobre OHFC antes mencionado y el aluminio no puro. El material de sellado no debe formar una unión inseparable con el filo de corte durante el proceso de sellado o cuando esté expuesto al agua, a lubricantes refrigerantes o al calor. El sellado del filo de corte formado mediante el material de sellado metálico y la sección de brida formada a partir de la aleación de aluminio se caracteriza por el hecho de que no se produce corrosión por contacto ni soldadura en frío a alta presión de contacto ni se forman aleaciones indeseables.

En lugar de las configuraciones de brida CF mostradas aquí, también puede preverse una configuración de brida conocida como QCF, no mostrada aquí, que no requiere ningún orificio o medio de sujeción y tornillos de sujeción guiados a través de ella. La configuración QCF se basa en un cuerpo de disco de la brida de conexión que es cónico hacia la periferia, por lo que se proporciona un medio tensor en forma de cadena o banda alrededor de la circunferencia de la brida de conexión, que puede tensarse concéntricamente mediante uno o más dispositivos tensores adecuados y, de este modo, ejerce una presión de contacto sobre las superficies de sellado y los filos de corte a través del cuerpo de disco cónico.

Durante el proceso de sellado, se produce un microendurecimiento en la punta del filo de corte de los materiales aquí mencionados, lo que se traduce en una resistencia aún mayor del material. Cuando las dos bridas que se van a sellar, se introducen en el bloque, en donde la brida que conecta con la sección de brida puede ser de aluminio, así como de acero inoxidable y otros metales de alta resistencia, no se produce ninguna deformación del filo de corte, sino que se produce un aumento adicional de la resistencia en el filo de corte debido a la microcompactación.

A continuación se discutirá la resistencia de los filos de corte de la brida de unión CF según la invención con respecto a las fuerzas de compresión que actúan sobre ellos, con lo que la resistencia al calor de los filos de corte asegurada por el diseño dimensional de las bridas de unión también puede verse influida favorablemente en términos de resistencia.

Esquemáticamente, las condiciones de presión y los efectos de deformación que se producen en la punta de un filo de corte al penetrar en la superficie del material de sellado pueden simularse mediante elementos finitos. Cuando el filo de corte penetra en la superficie del material de sellado, se produce una reducción de los elementos finitos en su punta, el material del filo de corte prácticamente se comprime, mientras que el material de sellado se separa directamente delante de la punta del filo de corte, con lo que se pone de manifiesto el efecto de corte del filo de corte. Es interesante observar que el proceso de corte solidifica el material del filo de corte en su punta, dificultando la deformación de la punta.

Sin embargo, este proceso de endurecimiento por deformación del filo de corte también puede utilizarse durante el proceso de fabricación del perfil del filo de corte si la sección de la brida está fabricada con la aleación de AlMgSi. En este caso, el filo de corte se produce mediante un procedimiento de conformado sin arranque de viruta, por ejemplo, estampando o laminando el perfil del filo de corte en la pieza bruta de la brida de unión, con lo que se produce la consolidación de la microestructura correspondiente junto con un curso característico de las fibras del material en la zona del filo de corte. El procedimiento de fabricación puede demostrarse fácilmente en el rectificado del filo de corte junto con el grabado del rectificado en la brida de unión acabada.

Para comprobar si un filo de CF fabricado con una aleación de aluminio puede soportar múltiples procesos de sellado, las simulaciones de elementos finitos mencionadas pueden compararse con los resultados experimentales y verificarse en el proceso. Teniendo en cuenta los datos del material, se coloca una malla adecuada sobre el filo de corte como parte de las simulaciones y se tira de las bridas sobre el bloque utilizando una junta. La fuerza se determinó utilizando el movimiento necesario de 350 pm.

Se puede observar que la deformación máxima se produce en la punta del filo de corte, que luego disminuye rápidamente con los ciclos de sellado posteriores y, finalmente, se detiene. En este caso, se obtienen resultados especialmente buenos con configuraciones de brida/junta en las que las bridas de conexión y, por lo tanto, los filos de corte están hechos de una aleación Alu6xxx, mientras que el material de sellado intermedio está hecho de Alu1000 y, por lo tanto, de aluminio puro. En general, se ha demostrado que es conveniente que el material de sellado no supere una resistencia a la tracción de 30 MPa para no perjudicar los efectos de endurecimiento mencionados en la presente. Para una configuración de brida/material de sellado Alu6xxx-1xxx-6xxx, se midieron los siguientes resultados para las deformaciones en función del número de ciclos de sellado:

■ primer ciclo de sellado: 6 pm de deformación

■ segundo ciclo de sellado: 5 pm de deformación

■ del tercer al noveno ciclo de sellado: menos de 1 pm de deformación

■ a partir del décimo ciclo de sellado: 0 deformación

Por lo tanto, cada proceso de sellado provoca el endurecimiento por deformación del material, lo que conduce a un aumento de la resistencia en la zona del filo de corte. Esto desencadena un proceso de autoacondicionamiento para el uso duradero de los filos de corte de aluminio.

Estos resultados pueden verificarse experimentalmente midiendo los filos de corte en el estado inicial sin usar y después de cada ciclo de sellado utilizando un perfilómetro. Un perfilómetro es un dispositivo que funciona táctilmente mediante barrido mecánico, o bien ópticamente para la medición microscópica o submicroscópica de geometrías superficiales.

En la Fig. 6, se muestra, a modo de ejemplo, un resultado de medición correspondiente. El diagrama muestra una geometría de superficie de un filo 10 de corte en la zona de la periferia de la superficie de sellado registrada con el perfilómetro. El perfil real mostrado corresponde análogamente a la representación detallada en el dibujo técnico de la Fig. 5. La representación de la Fig. 6 muestra una diferencia de altura vertical con respecto a un valor de referencia especificado en función de la posición lateral en el eje y.

En esta ilustración, se muestra un perfil de filo de corte nuevo y un perfil de filo de corte medido de nuevo tras 50 ciclos de sellado. Ambas curvas son prácticamente indistinguibles entre sí.

En todos los ciclos de sellado, se alcanzó un índice de fugas de la disposición de sellado inferior a 1 x 10-9 mbar l/s.

Para cumplir su función, la resistencia a la tracción en el filo de corte debe ser de al menos 200 MPa. Estas condiciones las cumplen los materiales de aluminio endurecibles por envejecimiento de los grupos 5 y 6 de la norma EN AW con los principales elementos de aleación magnesio y silicio. Se considera que el filo de corte cumple su función cuando la brida se abre y se cierra varias veces si la deformación del filo de corte en el eje de la brida, es decir, la reducción de la altura del filo de corte, se mantiene por debajo de 5 pm.

Las mediciones muestran que la deformación del filo de corte se mantiene por debajo del límite de 5 pm después de 60 ciclos de sellado.

Así pues, las investigaciones demuestran que los filos de corte de aluminio fabricados con aleaciones de aluminio de la serie 6000 en combinación con materiales de aluminio puro son adecuados para un uso estable a largo plazo en la zona de las secciones de brida. Por lo tanto, la resistencia mecánica de las aleaciones de aluminio de la serie 6000 es suficiente para producir filos de corte de FC estables. Es importante que, durante el proceso de fabricación y en la aplicación, no se superen las temperaturas máximas del material para mantener la resistencia mecánica necesaria. El dispositivo según la invención se ha explicado con referencia a realizaciones de ejemplo. Otras realizaciones son posibles dentro del ámbito de la técnica. Estas también resultan de las subreivindicaciones.

Lista de símbolos de referencia

1 Cámara de vacío

2 Recipiente de vacío

3 Sección de brida

4 Tubo de conexión

5 Tapa de la brida

6 Tornillo de fijación

7 Costura de soldadura

8 Resalte de tubo

9 Collarín de brida

10 Filo de corte

11 Orificio

12 Material de sellado

Claims (4)

REIVINDICACIONES

1. Cámara (1) de vacío para llevar a cabo aplicaciones de vacío y/o para alojar componentes de vacío, que comprende un recipiente (2) de vacío con al menos una sección (3) de brida conectada al recipiente de vacío, caracterizada porque el recipiente de vacío está constituido en su totalidad por una aleación de aluminio y la al menos una sección de brida está constituida en su totalidad por una aleación de aluminio y la al menos una sección (3) de brida presenta una superficie de sellado con un filo (10) de corte constituido por una aleación de aluminio.

2. Cámara de vacío de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque, entre el recipiente de vacío y la al menos una sección de brida, está previsto un tubo de conexión, en donde el tubo (4) de conexión está compuesto de una aleación de aluminio de baja emisión con los componentes principales aluminio y magnesio o de una aleación de aluminio con los componentes principales aluminio, magnesio y silicio.

3. Cámara de vacío de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque la sección (3) de brida está formada por una aleación de aluminio con los componentes principales aluminio, magnesio y silicio.

4. Cámara de vacío de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque se prevé una junta (12) de filo de corte para su uso con el filo (10) de corte, en donde la junta de filo de corte está hecha de un material de cobre OHFC.