所有的真空設備都離不開真空密封，所有的真空密封都怕泄漏。而所有真空設備，檢漏都是最麻煩的事情。實現真空靜密封比較容易，實現真空動密封比較困難，保證真空動密封不泄漏更難。如果采用無泄漏的磁力傳動真空動密封就能解決許多泄漏和檢漏的麻煩。

1、真空動密封的分類

在真空設備中，把運動傳遞到真空容器中所需要的密封連接稱為真空動密封連接。

各種真空設備中的動密封連接實例很多：如各種容積式真空泵旋轉軸的動力輸入；真空閥門的開啟和關閉；真空熔煉爐、真空熱處理爐的送料、拉錠、澆鑄等機構的傳動；真空鍍膜設備工件架的轉動等。

真空動密封連接結構，與工作在常壓下的密封結構有所不同。這種密封除了要求其結構本身有足夠的強度、壽命和合理的外形尺寸之外，針對真空的特點，它還必須保證密封的可靠性，即動密封連接在長期工作中必須保證外界環境不向真空容器內漏氣，或使漏氣維持在設計要求的范圍之內。

圖1 真空動密封的分類

就真空容器所要求的傳動性質來看，動密封所傳遞的運動主要有往復直線運動、旋轉運動、擺動運動和包括這三種運動形式的復合運動等四種情況。為了實現這些運動，并且根據真空的特點，動密封連接在很大程度上決定于密封部分所采用的方法。其分類如圖1所示。

2、接觸式真空動密封

在接觸式真空動密封中，根據采用的密封物質可分為固體密封和液體密封兩種形式。

2.1固體接觸式真空動密封的結構及特點

（1）J形橡膠圈密封結構

J形橡膠圈的工作原理是利用安裝后中央凸起，并緊箍在旋轉軸上呈錐形的橡膠墊圈，當內部達到真空時，外部大氣壓力把橡膠圈緊緊地壓在轉軸上而達到真空密封的目的。多適用于線速度小于2m/s、轉速小于300rpm的真空轉軸密封中。

（2）JO形橡膠圈密封結構

JO形橡膠圈的密封結構是帶鎖緊彈簧的結構，它是在Ｊ形橡膠密封圈結構的基礎上改進而成的。它的效果更好，使用的轉速小于2000rpm。油封式機械真空泵的軸封裝置常采用這種密封結構。其軸徑范圍為φ6mm~φ200mm。

（3）O形橡膠圈密封結構

O形橡膠圈密封結構又稱為橡膠填料盒密封，這種密封能傳遞圓周速度不大于2m/s的旋轉運動而且還能傳遞真空度不高于1.3×10-4Pa，速度小于0.2m/s的直線運動，其軸徑范圍為φ3mm~φ200mm。

在上述幾種動密封裝置中都需要采用真空潤滑油潤滑。為了實現密封裝置本身能自給潤滑，可借助氟塑料進行真空動密封。這是一種利用能自給潤滑的氟塑料材料制成的動密封裝置，如圖2所示。由于氟塑料本身彈性較差，易產生較大的殘余變形，因此在結構上采用了附加橡膠墊圈，把橡膠墊圈裝在密封件外面，再用螺母壓緊，就可以保證氟塑料密封圈能與軸均勻而密實地壓緊。這種結構對軸的表面粗糙度要求相當嚴格。

旋轉運動自潤滑動密封裝置還有另一種結構：法蘭內裝聚四氟乙烯軸套。它既是軸的軸承，又是輔助的密封件。動密封結構的基體內裝有支承環、中間環、聚四氟乙烯墊圈等，動密封結構的基體通過橡膠圈進行密封，外橡膠墊圈的作用在于補助氟塑料墊圈的彈性，以保證它對軸表面彈性壓縮和對基體的內表面與中間環接合處的氣密性。

1.密封座；2.氟塑料；3.橡膠圈；4.壓墊；5.壓緊螺母；6.轉軸

圖2 利用氟塑料襯套的動密封結構

固體接觸式真空動密封雖然具有結構簡單、成本低廉、傳遞轉矩大、易于發現故障等一系列優點，但是為了防止軸在高速旋轉下氣體的泄漏，只能通過增加密封接觸界面上的壓緊力來保證。由此而產生的摩擦發熱，不但功耗損失大，使用壽命短，橡膠密封圈需要經常更換，而且產生氣體泄漏的問題更難以解決。因此在要求真空容器內漏率極小的設備上，這種密封裝置的采用就受到了限制。

2.2液體式真空動密封的結構及特點

目前，液體式真空動密封有兩種形式。

（1）液態金屬真空動密封

液體用于真空動密封的結構原理如圖3所示。

圖3采用液體密封物質的真空動密封結構原理

圖3（a）采用液體薄膜密封，它是利用小間隙中液體薄膜的表面張力和壓差的平衡狀態來實現的。在轉軸處于靜止狀態時，其可靠的密封條件是：

δ＜2γ/p1

式中γ——流體的表面張力，其值見表1；

p1—密封外側的壓力。

圖3（b）是液體壓差密封的裝置，其中

（p1-p2）應該等于液柱高ΔX的壓強，為了減小所需的液柱高度，一般把密封器設置在真空室與單獨抽真空的中間室之間。這種裝置的缺點是它只能用于軸處在垂直的位置，而且需要設置中間抽氣室。一旦中間室的壓力增大，就會產生向真空室噴出密封流體的危險。

表1 幾種液體的表面張力

注：1Torr=133.322Pa，下文同。

液體密封在高溫下工作時，流體的蒸汽有污染真空室的可能性。幾種易熔金屬的蒸汽壓力值見表2。由表2可見，這些金屬作為液態密封物質是可以的。

表2 易熔金屬的蒸汽壓力

（2）磁流體真空動密封

磁流體就是由磁性納米顆粒，經過特殊處理將其均勻地分散到具有很低飽和蒸氣壓的液體（載液）中，通過分散劑與液體混合后既不沉淀，又不凝固的一種固液相結合的膠狀液體。它既有液體的流動性又具有磁性。磁流體真空動密封就是基于這種特性而實現的，其原理如圖4所示。

圓環形永久磁鐵1、極靴2和放置軸3所構成的磁性回路，在磁鐵產生的磁場作用下，把放置在軸與極靴頂端縫隙間的磁流體4加以集中，使其形成一個所謂的“O”形環，將縫隙通道堵死而達到密封的目的。

這種密封方式可用于轉軸是磁性體［圖4（a）］和非磁性體［圖4（b）］兩種場合，前者磁束集中于間隙處并貫穿轉軸而構成磁路，而后者磁束不通過轉軸，只是通過密封間隙中的磁性流體而構成磁路。

1.永久磁鐵；2.極靴；3.放置軸；4.磁流體

圖4 磁流體的真空動密封原理及其密封方式

這種密封技術具有如下特點。

①磁性流體密封真空轉軸可消除密封件與軸間接觸所產生的摩擦損失，提高軸的轉速（可達120000rpm），極大地減少泄漏。如果采用低蒸汽壓的磁性流體，可將真空室內的真空度維持在1.3×10-7Pa以上。而且與固體密封相比較可以極大地減少功耗。

②磁性流體的密封結構簡單、維護方便、軸與極靴間的間隙較大，因此可不必要求過高的制造精度。

③磁性流體在密封空隙中是由磁鐵所產生的磁場所固定，因此轉軸的啟動和停止較方便。這種密封裝置的缺點是磁性流體在高溫下難以穩定，工作溫度一般在-30℃~120℃之間，軸在過高或過低溫度下工作時須采用冷卻或升溫措施，從而使密封結構復雜化，適用介質的種類范圍窄，耐高壓能力差。

本文首發于《真空》雜志2014年第1期

原文標題：無泄漏的磁力傳動真空動密封

文章作者》王德喜１，謝元華2，趙克中3，徐成海2

作者單位：1.沈陽工業大學化工裝備學院；2.東北大學機械工程與自動化學院；3.甘肅省科學院磁性器件研究所