Verhindert die Verwendung eines Doppel-O{0}}-Ring-Dichtungssystems am Montageflansch Leckagen in PFA-Heizungen für Hochvakuumanwendungen (0,01 mbar)?

Aufgrund der Durchdringung des Elastomers und der Mikroleckage am Kontakt reicht eine einzelne O-Ring-Dichtung an einem PFA-Heizungs-Montageflansch manchmal nicht für Hochvakuumanwendungen aus, die Drücke von nur 0,01 mbar (10⁻¹ bar) erfordern. Die Leckraten können von 10⁻³–10⁻² mbar·L/s (Einzeldichtung) auf 10⁻◦–10⁻² mbar·L/s (akzeptabel für die meisten Hochvakuumanwendungen) mit einem doppelten O--Ring-Dichtungssystem mit einem Zwischenvakuumanschluss (einer „gepumpten“ Doppeldichtung) gesenkt werden. Eine Vakuumpumpe entfernt jegliches Gas, das am ersten O--Ring vorbeisickert, bevor es den zweiten O--Ring erreichen kann, wodurch ein geschütztes Volumen entsteht. Für höchste Vakuumniveaus (10⁻² mbar und darunter) ist ein metallisch abgedichteter Flansch (ConFlat-Typ) erforderlich. Das Zwei-O{19}}-Ring-System bedeutet eher eine deutliche Reduzierung als eine völlige Eliminierung. Bei mittlerem bis hohem Vakuum (10⁻³ bis 10⁻◦ mbar) funktioniert es recht gut. Die zusätzliche Komplexität für PFA-Heizungen ist nur dann gerechtfertigt, wenn die Leckraten weniger als 10⁻² mbar·L/s betragen.

Leckagewege und der Doppeldichtungsmechanismus
Drei Wege führen zu Leckagen in einer einzelnen O--Ringdichtung (Viton oder FFKM): (1) Gaspermeation durch das Elastomer (10⁻³–10⁻³ mbar·L/s pro cm Dichtungslänge); (2) Mikro--Kanäle an der O-Ring--Flanschschnittstelle (10⁻◦–10⁻³ mbar·L/s für einen 100-mm-Flansch); und (3) die PFA--Metallschnittstelle selbst (der durch den Flansch verlaufende Heizmantel). Normalerweise kann eine einzelne Dichtung eine Leckrate von 10⁻³–10⁻² mbar·L/s erreichen, was für Hochvakuum zu hoch ist.

Ein zweiter O--Ring und ein Vakuumanschluss werden in einem Doppel-O--Ringsystem hinzugefügt. Eine kleine Hilfsvakuumpumpe evakuiert den Bereich zwischen den O-Ringen. Jegliches Gas, das am ersten O--Ring vorbeisickert, wird sofort abgepumpt und gelangt nie zum zweiten. Das Produkt aus (Leckrate der ersten Dichtung) × (Leckrate der zweiten Dichtung) / (Pumpgeschwindigkeit) ist die effektive Leckrate. Leckraten zwischen 10⁻² und 10⁻² mbar·L/s sind in der Praxis realisierbar.

Vergleich der Leckraten für 50 mm PFA-Heizungsflansche
Materialien, Dichtungskonfiguration, erreichbare Leckrate (mbar·L/s), geeignetes Vakuumniveau und Kostensteigerung (%)
Kompressions-Einzel-O--Ring FKM 10⁻³–10⁻¹ 1–10 mbar (Grobvakuum) 0 %
Einzelner O--Ring (FFKM, Kalrez) FFKM 10⁻◦–10⁻¹ 0,1–1 mbar +10 %
FKM + Fett 10⁻◦–10⁻◦ 0,01–0,1 mbar + 15% einzelner O-Ring mit Nutdichtmittel (Vakuumfett)
Nicht-gepumpter Doppel-O--Ring FKM + FKM 10⁻²–10⁻◦ 0,1–1 mbar + 20 %
Doppel-O-Ring (gepumpt, Grobpumpe) FKM + FKM 10⁻◦–10⁻¹ mbar +35 %
Doppelter O-Ring (gepumpt, Turbopumpe) FFKM + FFKM 10⁻²–10⁻◦ mbar +50 %
Metalldichtung (Kupferdichtung, ConFlat)Aluminium oder Kupfer<10⁻¹ +100% Extremely high vacuum
PFA mit Metallflansch verschweißt<10⁻¹ (through PFA) Welded PFA-to-metal transition (hermetic)PFA permeation limit of +200%
Praktische Installation einer PFA-Heizung
So installieren Sie eine doppelte O{0}}Ring-Dichtung für Hochvakuumbetrieb an einem PFA-Heizungsflansch:

Flanschdesign: Die Tankseite des PFA-Flanschs muss über zwei konzentrische O--Ringnuten verfügen, die 15–25 mm voneinander entfernt sind. Im Raum zwischen den O--Ringen befindet sich ein Anschluss (1/4 Zoll oder 6 mm), der an eine Vakuumpumpe (Drehschieber, 10⁻² mbar) angeschlossen ist.

O--Ringmaterial: Für chemische Kompatibilität mit aggressiven Medien verwenden Sie FFKM (Kalrez, Chemraz). Für nicht-aggressive Dämpfe ist FKM (Viton) geeignet.

Drehmoment: Um O-Ringe um 20–25 % ihres Querschnittsdurchmessers zu komprimieren, ziehen Sie die Flanschschrauben gleichmäßig sternförmig an.

Pumpen: Während des gesamten Betriebs muss das Zwischendichtungsvolumen kontinuierlich gepumpt werden. Es reicht aus, eine spezielle kleine Vakuumpumpe (10 l/min) zu haben.

Heizmantel: Ein weiterer möglicher Leckpfad ist der Austrittspunkt von PFA-zu-dem Metallkern am kalten Ende. Verwenden Sie eine Balgdichtung aus geschweißtem Metall oder eine Silikonumspritzung (siehe Artikel Nr. 87).

Beispiel aus der Praxis
Um eine Halbleiter-Forschungskammer bei Hochvakuum (10⁻¹ mbar) auf 80 Grad zu halten, war eine PFA-Heizung erforderlich. Leckagen rund um den Heizungsflansch führten bei Verwendung einer einzelnen O--Ringdichtung zu Druckspitzen (10⁻³ mbar). Anstelle der vorherigen Anordnung wurde eine gepumpte Doppel-O--Ringdichtung (zwei FKM-O--Ringe mit einem Zwischenanschluss, verbunden mit einer winzigen Membranpumpe) installiert. Der Kammerdruck blieb sechs Monate lang konstant bei 2×10⁻◦ mbar. Mit der Heizung wurden mehrere Abscheidungsläufe durchgeführt. Für die Aufrüstung der Pumpe und des Flansches fielen zusätzliche Kosten in Höhe von 500 US-Dollar an.

PFA-Einschränkungen im Hochvakuum
Selbst bei einwandfreier Abdichtung ist die PFA-Hülle selbst gas-durchlässig und entgast, wodurch absorbiertes Wasser und verbleibende Lösungsmittel freigesetzt werden. Das Ausgasen aus dem PFA begrenzt den Hintergrunddruck bei Drücken unter 10⁻² mbar (normalerweise 10⁻◦–10⁻² mbar). Unabhängig von der Abdichtung kann PFA nicht im Ultrahochvakuum (UHV) verwendet werden.<10⁻¹ mbar). PFA with a double O-ring seal is suitable for medium to high vacuum (10⁻³ to 10⁻◦ mbar).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Verwendung eines doppelten O--Rings und das Pumpen die Leckage auf 10⁻²–10⁻² mbar·L/s reduziert.
Ein Doppel-O{0}}-Dichtungssystem an einem PFA-Heizungs-Montageflansch, bei dem das Zwischendichtungsvolumen durch eine Pumpe evakuiert wird, reduziert die Leckageraten von 10⁻³–10⁻² mbar·L/s (Einzeldichtung) auf 10⁻◦–10⁻² mbar·L/s für Hochvakuumanwendungen bis hinunter zu 0,01 mbar (10⁻¹ bar). Für die meisten Mittel- und Hochvakuumverfahren ist dies ausreichend. Obwohl die Leckage um zwei bis vier Größenordnungen reduziert wird, wird sie durch die Technologie nicht vollständig beseitigt. Für Drücke unter 10⁻◦ mbar sollten eine Metallabdichtung oder hermetische PFA-zu--Übergänge in Betracht gezogen werden. Für Vakuumöfen, Beschichtungskammern und Entgasungssysteme ist die Doppeldichtung eine praktikable Alternative. Es verwandelt einen problematischen Flansch in eine zuverlässige Barriere. Nahezu makellos, aber nicht ganz. Es ist für die meisten Hochvakuumanforderungen ausreichend.