一种大型托卡马克真空室非圆通道超高真空密封法兰结构

摘要

本发明属于磁约束核聚变技术，具体为一种大型托卡马克真空室非圆通道超高真空密封法兰结构，包括的凹法兰、凸法兰和接管；凹法兰和凸法兰相对端面内侧加工配合的两级90°密封台阶，两者之间放置铜丝圈，使得凹法兰和凸法兰沿轴向保留间隙；通过双头螺纹销或双头螺柱将凹法兰和凸法兰连接。通过90°密封台阶压缩无氧铜丝的结构方式，可以满足不同形状的非圆通道窗口法兰的超高真空密封需求，减少了非圆窗口的密封面的加工和维护难度。

说明书

技术领域

本发明属于磁约束核聚变技术领域，具体涉及一种托卡马克真空室密封法兰结构。

背景技术

随着等离子体实验参数的不断提高，托卡马克实验装置向着大型化和精密化方向发展。新一代的托卡马克实验装置真空室容器本体的外直径大于5.2米，高大于3.2米，其主要作用之一是为等离子体实验的运行提供超高真空环境。为了给加热、诊断、真空抽气、引线和物料进出等提供通道，在真空室上开设有位置不同、大小不等的窗口，窗口采用金属密封法兰结构型式，法兰在工作时的漏率须小于1×10

托卡马克装置真空室在开始运行阶段为获得≤10

现有非圆通道超高真空法兰密封技术在300℃高温烘烤时的真空密封可靠性、振动冲击下的密封性能和结构可维护性等方面还有较大不足。

发明内容

本发明的目的是提供一种大型托卡马克真空室非圆通道超高真空密封法兰结构。

本发明的技术方案如下：

一种大型托卡马克真空室非圆通道超高真空密封法兰结构，包括与真空室固定焊接的凹法兰、位于凹法兰一端的凸法兰，以及与凸法兰连接的接管；所述的凹法兰面向凸法兰的端面内侧加工凹陷的两级90°密封台阶，凸法兰的面向凹法兰的端面内侧加工凸出的两级90°密封台阶，凹陷的两级90°密封台阶和凸出的两级90°密封台阶相配合，两者之间放置铜丝圈，使得凹法兰和凸法兰沿轴向保留间隙；所述的凹法兰和凸法兰上设有连接安装孔，连接安装孔内放置双头螺纹销或双头螺柱，将凹法兰和凸法兰连接。

所述的凹法兰的端面上沿着周向均匀分布螺纹盲孔，对应安装双头螺纹销的螺纹盲孔为双头螺纹销安装孔，对应安装双头螺柱的螺纹盲孔为双头螺柱安装孔；所述的凸法兰对应端面上沿着周向均匀分布的螺栓通孔；所述的螺纹盲孔和螺栓通孔数量相同。

所述的双头螺纹销安装孔为两个，分别位于所述的凹法兰的竖直中心线位置的上下侧；所述的双头螺柱安装孔为凹法兰竖直中心线之外的螺纹盲孔。

所述的凹法兰和凸法兰的截面形状相同。

所述的双头螺纹销或双头螺柱穿过凸法兰上的螺栓通孔，一端分别进入双头螺纹销安装孔或双头螺柱安装孔，另一端位于凸法兰外，通过碟形弹簧和螺母固定压紧。

所述的双头螺纹销安装孔的内侧为螺纹，外侧为光孔；所述的双头螺纹销包括位于中间的中部光杆和两端的头部螺纹，中部光杆与双头螺纹销安装孔的外侧光孔和凸法兰的螺栓通孔组成销孔配合。

所述的凹陷的两级90°台阶密封面101的尖部加工为半径为R0.05mm～R0.1mm的圆角。

所述的凹陷的两级90°台阶密封面101和凸出的两级90°台阶密封面的表面粗糙度为Ra0.8μm。

所述的铜丝圈的材质为无氧铜TU2，铜丝直径为Φ1.5mm～Φ2.0mm；铜丝圈的压缩量为铜丝直径的30％～50％。

所述的凹法兰、凸法兰和螺母的材质为奥氏体不锈钢S31603，碟形弹簧、双头螺纹销和双头螺柱的材质为GH2132。

所述的螺母与一个或者2～4个碟形弹簧搭配安装，对法兰进一步压紧。

所述的凹法兰上的螺纹盲孔相邻螺纹孔间距在40mm～50mm。

所述的接管与凸法兰内侧密封连接。

所述的接管有3～6个，分别与凸法兰一端密封连接，使得接管均与凸法兰内侧密封连通。

本发明的显著效果如下：通过90°密封台阶压缩无氧铜丝的结构方式，可以满足不同形状的非圆通道窗口法兰的超高真空密封需求，减少了非圆窗口的密封面的加工和维护难度。通过各零部件的材料合理组合，减少了各种材料在烘烤升温和降温阶段的热膨胀差，保证了法兰在烘烤工况下的真空密封性。利用碟形弹簧拥有较大弹性能的特点，使密封铜丝在烘烤和振动冲击工况下拥有较稳定的压紧力，尤其是提高了法兰在烘烤工况下的真空密封性能。双头螺纹销的设计可使凹法兰与凸法兰在装配时快速准确定位，且销孔配合提高了法兰的抗振动冲击的能力，提高了法兰承受电磁力冲击时的真空密封可靠性。整个法兰密封结构相对磁导率小于1.05，结构简单，易于加工和维护。

附图说明

图1为法兰装配示意图；

图2为凹法兰竖直中心的断面图；

图3为凸法兰竖直中心的断面图；

图4为双头螺纹销示意图；

图5为凹法兰的外形示意图；

图中：V-真空室壳体、1-凹法兰、2-凸法兰、3-铜丝圈、4-双头螺纹销、5-螺母、6-碟形弹簧、7-接管、101.凹陷的两级90°台阶密封面、102-尖部；103-双头螺纹销安装孔、104-双头螺柱安装孔、201-凸出的两级90°台阶密封面、202-螺栓通孔、401-中间光杆、402-头部螺纹。

具体实施方式

下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，凹法兰1焊接在真空室V的壳体上，凸法兰2焊接在接管7的端部。整个法兰结构可以位于真空室的外侧壳体的上部、中部、下部区域。如果法兰的接管能从线圈的空档引出来，也可以线圈位置布置法兰结构。

接管7的作用是与真空室壳体和法兰一起构成超高真空边界，连接位于托卡马克装置真空室外部的等离子体诊断、加热和真空抽气等设备。在真空室V和接管7之间设计法兰结构，形成超高真空通道。

接管7就是连接诊断、加热、真空抽气、引线穿透等设备的一个通道，在装置运行时，使真空室内部保持超高真空，使得诊断、加热等设备与真空室连通，物理量测量引线能够输入和输出。

在实际使用时，接管7可以与凸法兰2内侧密封连接，也可以在凸法兰2上开设多个管道余接管7连接。

本实施例中，设计的凹法兰1和凸法兰2的截面可以设计成相同形状。凹法兰1面向凸法兰2的端面内侧加工凹陷的两级90°密封台阶101，凸法兰2的面向凹法兰1的端面内侧加工凸出的两级90°密封台阶201，凹陷的两级90°密封台阶101和凸出的两级90°密封台阶201相配合，两者之间放置铜丝圈3，使得凹法兰1和凸法兰2沿轴向保留间隙。

如图2和图3所示，凹法兰1的端面上沿着圆环周向均匀分布螺纹盲孔，凸法兰2的对应端面上沿着圆环周向均匀分布数量相同的螺栓通孔202，上述安装孔结构，用于安装双头螺纹销4或双头螺柱(图中未示出)。双头螺纹销4或双头螺柱穿过凸法兰2上的螺栓通孔202，一端进入凹法兰1的螺纹盲孔螺纹固定，另一端通过碟形弹簧6和螺母5装配连接，进一步压紧两个法兰，从而给铜丝圈3提供压紧力。对应安装双头螺纹销的螺纹盲孔为双头螺纹销安装孔103，对应安装双头螺柱的螺纹盲孔为双头螺柱安装孔104，图2中未示意出，在图5中示意出。

凹陷的两级90°台阶密封面101的尖部102加工为半径为R0.05mm～R0.1mm的圆角，凹陷的两级90°台阶密封面101和凸出的两级90°台阶密封面201的表面粗糙度为Ra0.8μm，在法兰工作时，凹陷的两级90°台阶密封面101及其刀尖和凸出的两级90°台阶密封面201直接参与压缩铜丝圈3，此精度设置可减少密封处的漏气率，提高法兰的真空密封性能。

尖部102加工为圆角的作用就是区别于一般机加工产品的边缘倒角(一般0.5mm至2mm)，法兰密封面的尖部的尖角也叫刀口，用于切入密封材料，如果刀尖圆角太大，减弱刀口切入效果，即减少了密封时的比压强，降低密封效果。然而在实际加工时，这个尖部102的圆角又不可能无限小，所以有一个限制，既要考虑加工的能力，又要考虑实际密封效果，选择尖部圆角R0.05mm～R0.1mm可以满足上述的要求。

铜丝圈3的材质为无氧铜TU2，铜丝直径为Φ1.5mm～Φ2.0mm；在法兰工作时，铜丝圈3的最佳压缩量为铜丝直径的30％～50％。

凹法兰1、凸法兰2和螺母5的材质为奥氏体不锈钢S31603，双头螺纹销4和双头螺柱的材质为GH2132，此材料组合设置是利用GH2132比S31603的材料强度大而材料热膨胀系数相近的特点，使双头螺纹销和双头螺柱拥有较高的材料强度，同时还可使各零部件在烘烤阶段的热膨胀差异很小。另外，GH2132和S31603的材料相对磁导率小于1.05，保证了整个法兰结构的相对磁导率小于1.05。

碟形弹簧6材料为GH2132，结构型式和尺寸按国家标准GB/T1972-2005选取。在法兰工作时，一个螺母可搭配一个或多个碟形弹簧使用。通过碟形弹簧的设置，可减少在烘烤升温和降温阶段的铜丝圈受压力的波动，提高了法兰在烘烤工况下的超高真空密封可靠性。

如图2和5所示，开设于凹法兰端面上的螺纹盲孔的螺纹规格为M12，两相邻螺纹孔间距在40mm～50mm之间；其中，位于凹法兰竖直中心线位置的螺纹盲孔作为双头螺纹销安装孔103，该孔内侧为M12螺纹，外侧为光孔；位于凹法兰1竖直中心线之外的螺纹盲孔作为双头螺柱安装孔104。

如图4所示，双头螺纹销4包括位于中间的中部光杆401和两端的M12的头部螺纹402，中部光杆401与双头螺纹销安装孔103的外侧光孔和凸法兰2的螺栓通孔202组成销孔配合，配合间隙为0.02mm～0.05mm。此种设置是利用双头螺纹销的销孔定位和抗剪原理来提高法兰装配精度和抗冲击振动的能力，提高了法兰在受振动冲击时的真空密封可靠性。