3.3 연결

3.3.1 비분리형 연결

진공 기술의 비분리형 연결은 용접, 경납땜 또는 용단에 의 해, 아니면 증착이나 다음 용접과의 소결에 의해 이루어집니 다. 최근 UHV 기술을 포함하지 않는 어플리케이션용 구성품 조립에 진공 저항 접착제도 사용되고 있습니다. 선택된 연결 기술은 요구되는 기체 기밀 뿐만 아니라 기계적 강도, 온도, 교류 열 부하와 관련된 중요한 요구조건에 따라 적절히 설계 되어야 합니다. 금속-금속, 유리-유리, 유리-금속, 금속-세라 믹, 유리-세라믹 같은 금속 페인트칠이 진공 기술에서 꽤 빈 번히 사용되고 있습니다. 금속은 대부분의 경우 용접과 경납 땜으로 결합됩니다. 유리 장비의 경우 개별 유리 구성품은 융 합을 통해 결합됩니다. 용단이나 증착, 용단이나 경납땜에 의 한 금속과 유리 연결은 UHV-호환 및 베이크 가능한 뷰포트 에 사용됩니다. 증착이나 소결에 의한 금속과 세라믹 연결은 예를 들면 진공 전류 피드 스루에서 일반적입니다.

3.3.1.1 용접

진공 장비에서 연강과 스테인레스강의 구성품은 보통 용기 와 접합부에서 용접됩니다. 또한 알루미늄 구성품을 함께 용 접하는 것도 가능합니다. 용접 후 진공 밀폐 상태인지 확인하 려면 균열이나 빈 공간이 없고 표면이 매끄럽고 그리스가 없 는 적절한 재료를 사용할 필요가 있습니다. 또한 비진공 어플 리케이션에 사용한 보통의 용접 연결과는 때때로 다른 특수 한 기하학적 설계가 필요합니다. 공학적 관점에서 가능하다 면 진공 측면 틈과 균열을 소위 잠재적 또는 가상적 누출을 피하기 위하여 내부 용접을 해야 합니다. 이것이 가능하지 않 을 경우엔 용접을 진공 측면까지 연장해야 합니다. 필요할 경 우엔 기계적 안정성을 높이기 위하여 추가 대기 측면 용접을 채용할 수 있습니다. 이런 연결에서는 필요할 경우 누출 탐지 를 가능하게 하고 공기 유입을 완전히 차단하기 위하여 이런 추가 용접을 연속으로 행하지 않는 것이 좋습니다.

진공 구성품과 진공실의 용접은 특별한 지식이 필요하며, 용 접 직원은 전문 자격증이 있어야 합니다. 보통 용접 회사는 독립적인 검사 기관을 통하여 용접공을 정기적으로 테스트 하여 이 사실을 문서화합니다. 또한 각 용접 재료와 용접 기 하학에 대한 용접 절차 테스트를 수행해야 합니다. 특별히 훈 련 받은 용접 인력(예: 용접 엔지니어 또는 용접 기술자)은 용 접 작업을 따라다니며 평가합니다.

용접 열과 상대적으로 빠른 냉각은 재료의 속성을 변화시킬 수 있습니다. 예를 들어 오스테나이트 스테인레스강의 용접 시 구조의 변화는 자기화성을 증가시키거나 알루미늄 용접 시 일어나는 기공과 고온 균열로 이어질 수 있습니다(이 점은 3.2.1.1 “스테인레스강”과 3.2.1.3“ 알루미늄”에서 이미 언급 했음). 또한 용접 영역의 높은 잔류 응력은 구성품의 왜곡을 이끄는데, 이런 왜곡은 가능한 한 낮게 유지되어야 합니다. 밀봉 표면과 같은 기능 영역이 영향을 받을 경우엔 다시 작업 해야 합니다. 재작업이 가능하지 않을 경우엔 전체 작업의 손 상으로 이어질 수 있습니다. 하지만 이를 방지하기 위하여 적 절한 용접 기하학과 용접 순서를 결합한 적절한 용접 방법, 용접 준비와 용접 후 처리, 특히 용접공의 자격과 경험을 포 함하여 다양한 용접 측정이 이루어질 수 있습니다.

진공 기술에서는 텅스텐 불활성 기체 용접(TIG)이 자주 사용 됩니다. 또한 벽이 얇은 구성품을 위한 마이크로-플라스마 용 접이나 파이프 구성품을 위한 궤도 용접과 같은 특수한 방법 뿐만 아니라 다른 유형의 기체 차폐 금속 아크 용접이 사용됩 니다. 훨씬 더 정교한 기계 절차는 레이저 용접과 전자 빔 용 접입니다. 둘 다 섬세한 구성품과 깊은 곳의 용접에 적합합니 다. 커다란 알루미늄 밸브 하우징의 용접에는 마찰 교반 용접 이 사용되는데, 이것은 용접 왜곡이 적은 정교한 기계 절차입 니다.

텅스텐 불활성 기체 용접(TIG)은 소모성 전극을 요구하지 않 으며, 접합 부품은 추가 재료 없이 직접 용접할 수 있습니다. 예를 들어 안정성의 이유로 추가 용접이 필요할 경우엔 용접 소모품을 사용할 수 있습니다. 이 방식의 다른 이점은 실제로 후두둑 떨어지는 소리가 없고, 슬래그 형성이 없고 범용적이 라는 것입니다. 스테인레스강, 알루미늄, 구리 역시 TIG 용접 이 가능합니다. 용접 속도 이외에도 고급 용접이 필요할 경우 엔 TIG 방식이 선호됩니다.

레이저 빔 용접 또는 레이저 용접(줄임말)은 빠른 용접 속도 와 낮은 열 왜곡이 특징입니다. 레이저의 고농축 에너지 입력 은 좁은 면적의 용접을 가능하게 하며 가열 면적의 범위를 제 한합니다. 내력 구조에 대한 깊고 좁은 용접이 가능할 뿐만 아니라 초점의 너비와 레이저 강도를 설정하면 얇은 막을 생 성할 수 있습니다. 이런 방식으로 챔버 구성품을 추가 용접 없이 설계할 수 있고, 용접 중인 플랜지 링은 밀봉 표면 기하 학의 정교한 재작업 요구 없이 파이프 말단 깊숙한 곳까지 관 통하여 용접할 수 있습니다. 접합부의 더 큰 틈새 폭은 어느 정도까지는 연결할 수 있습니다. 사용된 추가 재료가 여기서 부분적으로 사용됩니다. 단점은 투자 비용이 많다는 것입니 다.

궤도 용접은 한결같은 고급 솔기를 제공하는 완전히 기계적 인 불활성 기체 용접 공정입니다. 왜냐하면 아크가 기계적으 로 그리고 파이프 또는 둥근 구성품 주변에서 제어된 조건 하 에서 유도되기 때문입니다. 시스템 비용은 TIG 용접보다 비 쌉니다. 궤도 용접 봉은 파이프 직경의 제한된 범위만 담당합 니다. 직경 외부의 각 튜브 역시 파이프를 잡는데 적합한 장 치를 요구합니다.

전자 빔 용접 시 빠르고 집중적인 전극이 용접 지역에 필요한 에너지를 공급합니다. 전자의 산란과 흡수를 방지하기 위하 여 이 공정은 고진공 상태에서 수행됩니다. 이것은 또한 반응 이 예민한 재료의 용접을 가능하게 해줍니다. 시스템 가격이 비싸고 필요한 장비가 구성되어야만 용접 준비가 가능하기 때문에 일반적으로 용접 절차의 가격이 비싸고 주로 시리즈 구성품에 대한 사용이 제한됩니다.

오스테나이트 스테인레스강의 용접 후에는 기계적으로 매끄 러운 표면이 존재하게 됩니다. 그래서 기복 없는 평평한 크롬 산화물 보호막 층이 형성됩니다. 예를 들어 불활성 기체 차폐 (루트 베이스에 포함)는 600°C 이상의 온도에서 표면의 스케 일링을 방지합니다. 완전한 헹군 다음 기계적 또는 화학적 마 감은 표면의 탈색을 제거하고 구성품을 깨끗하게 해줍니다.

3.3.1.2 경납땜, 용단, 증착

용접 이외에도 납땜 공정은 금속을 접합하는 데에도 사용됩 니다. 600°C 이상 납땜 온도에서 용접된 접합부는 진공 기술 에서 거의 독점적으로 사용됩니다. 납땜 시 종종 높은 증기압 을 수반하는 부식성 높은 흐름의 필요성을 제거하기 위하여, 산소 없는 고강도 접합부를 얻기 위하여, 납땜 공정은 진공 상태에서 또는 깨끗한 비활성 기체 대기에서 수행됩니다. 부 드러운 납땜 접합부는 진공 어플리케이션에 적합하지 않을 때가 있습니다. 접합부는 베이크 아웃할 수 없고, 기계적 강 도가 더 낮고, 증기압이 낮은 주석 이외에 증기압이 높은 다 른 합금 구성품을 자주 포함합니다. 진공 용접과 비슷하게, 특히 조심스럽게 청소된 표면, 납땜 틈새의 조심스러운 형성, 낮은 증기압으로 기체 없는 납땜, 납땜의 양호한 흐름과 습윤 속성(기체 충진), 잘 정의된 융합 지역, 납땜과 기본 재료 사 이의 낮은 반응과 같은 요구조건이 충족되면 진공 용접 연결 이 이루어집니다. 표준 납땜 합금은 두 개의 주요 그룹으로 나눌 수 있습니다. 무거운 금속(주로 은)에 기반한 납땜 합금 과 니켈 기반 납땜 합금. 구조화된 무거운 금속 기반 낮은 용 융점 납땜 합금은 더 높은 용융점 니켈 기반보다 훨씬 더 비 쌉니다. 따라서 기술적으로 가능할 경우 그리고 더 높은 처리 온도가 적절한 경우 니켈 기반 합금의 사용이 선호됩니다. 구 성품들의 배열과 구성품 사이의 납땜 간격이 납땜 공정과 일 치해야 합니다. 사용된 납땜과 납땜 온도와 구성품의 열 팽창 의 성격에 따라 실온에서의 납땜 간격은 일반적으로 0.03~0.1mm입니다. 용접 시간과 납땜 사용 시간의 문제는 일반적이고 포괄적인 방식으로 답할 수 없습니다. 용접이 불 가능한 경우는 제외하고, 가능한 한 많은 연결 지점이 일괄적 으로 동시에 발생할 때 납땜은 이점이 있습니다.

용단 공정은 유리 장비 및 유리-금속 연결에 기본적으로 사용 됩니다. 유리-금속 용단은 진공 밀폐 전류 피드스루의 생산에 서, 베이크 가능 뷰포트에, 진공 측정기 생산에서 특히 중요 합니다. 유리-금속 전이를 융합하려면 이 재료들의 열 팽창 계수가 넓은 온도 범위를 통하여 가능한 한 서로 유사한 방식 으로 재료를 선택해야 합니다. 실제로는 그렇지 않기 때문에 많은 특수 합금이 소위 비적용 유리-금속 실을 위해 개발되었 습니다. 용접된 립의 형태를 한 특수 합금은 유리와 뷰포트용 스테인레스강 사이의 유연한 접촉을 제공합니다. 용단은 석 영 유리와 함께 수행하기가 어렵습니다. 왜냐하면 용단은 열 팽창이 무척 낮고, 금속과 금속 합금은 어디서도 이렇게 낮은 열 팽창에 도달할 수 없기 때문입니다.

세라믹-금속 연결은 고도로 베이크 가능하고 절연 가능한 전 류 피드스루에 사용됩니다. 이런 연결은 무엇보다도 고성능 전송 튜브의 생산과 대규모 물리 연구의 입자 가속기를 위한 세라믹 진공실을 만들기 위하여 사용됩니다. 세라믹을 사용 한 연결(예: 알루미늄 산화물, 92%~98%의 Al₂0₃ )은 금속으로 접합할 지점에서 사전에 증착됩니다. 이 연결에서는 얇은 금 속 층(몰리브덴 또는 티타늄)이 세라믹 점착 기면과 함께 빈 공간과 기공이 없는 완전한 연결을 만드는 것을 확인하는 것 이 특히 중요합니다. 전기 피드스루의 생산을 위하여 니켈 층 이 그 다음에 적용되고, 여기에 금속 캡이 납땜되고 그 다음 에 전도체가 납땜됩니다.

3.3.2 분리형 플랜지 연결

진공 시스템의 개별 구성품(예: 진공실, 펌프, 밸브, 측정 기 구 등)은 직접적으로 아니면 파이프 구성품이나 탄력 있는 요 소들에 의해 서로 연결되어 있습니다. 구성품 간의 분리형 인 터페이스는 진공 밀폐 상태가 되어야 합니다. 그러나 진공 시 스템 구성 시 가능한 한 최소의 분리형 접합부를 사용해야 합 니다. 왜냐하면 분리형 접합부는 비분리형 접합부보다 더 자 주 사용되는 잠재적인 누출 소스를 대표하기 때문입니다.

스테인레스강, 알루미늄, 강철로 만들어진 플랜지 구성품을 연결 요소로 사용할 수 있습니다. 유연한 접합부에는 스테인 레스강으로 만들어진 금속 호스가 벽이 두꺼운 고무나 열가 소성 수지보다 선호됩니다. 이 호스는 앞으로 더 낮은 중간 진공 범위에서 반드시 필요합니다.

저진공 범위에서 고진공 범위까지 명목상 폭이 DN 10~DN 50인 ISO-KF 플랜지 연결은 분리형 연결에 사용되고, DN 63~DN 1000인 ISO-K와 ISO-F 플랜지에는 더 큰 명목상 크 기가 사용됩니다. 초고진공 호환 및 해제 가능 연결은 CF 플 랜지 연결로써 명목상 폭이 DN 16~DN 400이고, COF 플랜 지의 명목상 직경은 이보다 더 큰 DN 400~DN 800입니다.

3.3.2.1 오링 실과 홈

진공 기술 구성품이 분리형으로 접합될 경우 주변 공기가 진 공 속으로 흘러들어가는 것을 방지하기 위하여 실을 사용해 야 합니다. 이를 방지하기 위하여 어플리케이션과 압력 범위 에 따라 서로 다른 유형의 실이 있습니다.

오링은 모든 실 중에서 가장 빈번하게 사용됩니다. 서로 다 른 재질의 오링을 사용할 수 있는데, 경도 범위가 65~80 Shore A인 탄성 중합체가 일반적으로 사용됩니다. 단위 Shore A는 유연성의 단위로 연성 탄소 중합체에 사용됩니 다. 숫자가 클수록 동일하게 적용된 힘에 대한 변형이 더 작 습니다. 훌륭한 진공 실로써의 오링의 적합성은 짝을 이룬 표면의 철저한 불균일성에서 유래합니다. 오링의 표면은 그 리스나 탈크의 배출이 없어야 하고, 부드러워야 하고, 균열 과 긁힘이 없어야 합니다. 링은 이음매가 없어야 하고, 압축 공구의 절단은 링 직경 수준에서 행해져야 하고 연마에 의해 제거될 수 있습니다.

오링은 당해 어플리케이션에 따라 낮은 증기압 그리스(실리 콘 그리스, 광유 기반 또는 퍼플루오르폴리에터 기반 그리 스)의 얇은 막으로 코팅할 수 있습니다. 진공 그리스는 밀봉 표면과 오링 표면의 작은 요철을 제거하고, 그럼으로써 특히 낮은 정도의 변형에서 밀봉 효과를 향상시킵니다. 여기서 그 리스의 증기압은 온도에 따라 급격히 증가한다는 사실을 잘 기억하고 원하는 작동 압력 이하로 유지해야 합니다. 또한 그리스나 소량의 탄화수소 구성품이 어플리케이션과 호환 가능한지를 검사해야 합니다. 건조 설치 시 밀봉재 뿐만 아 니라 표면의 특성과 짝을 이룬 표면의 청결성에도 각별한 관 심을 기울여야 합니다. 또한 오링과 밀봉 표면이 양호한 접 촉을 유지하려면 변형 정도가 너무 작아서는 안 됩니다.

오링의 코드 직경은 보통 2~12mm입니다. 많은 연결의 직경 은 5~5.33mm입니다. 일반적으로 말해 오링은 고정 실로 사 용됩니다. 동적 응력이 포함될 경우 특히 이런 목적 또는 다 른 긱적 실 또는 방사상 샤프트 실 링을 위해 제조된 정밀 오 링을 사용해야 합니다.

오링은 센터링 링 또는 실링 와셔와 함께 사용할 뿐만 아니 라 축 방향 또는 방사상 홈에서도 사용할 수 있습니다. 대부 분의 경우 오링은 홈에 위치하며, 일반적으로 한 개의 평평 한 플랜지와 한 개의 홈이 파인 플랜지를 사용하여 플랜지 사 이에서 압축됩니다. 홈의 치수는 신중하게 측정해야 합니다. 이에 대해 일반적으로 받아들여진 치수는 없습니다. 오링 공 급자 표에 나열된 치수는 방향 설정을 위한 레퍼런스 수치에 불과합니다. 이 치수는 사용자가 각각의 특정한 어플리케이 션과 적합성에 대해 확인해야 합니다(예: 테스트를 통하여). 탄성 중합체는 온도, 압력 또는 사용된 유체와의 반응과 같은 외적 영향 때문에 부풀어 오르거나, 오그라들거나, 딱딱해지 거나, 심지어 균열이 갈 수도 있습니다. 탄성 중합체와 홈을 선택할 때는 이 점을 고려해야 합니다. 또한 오링이 과도하게 압축되지 않았음을 확인하기 위하여 각 작동 조건에서 밀봉 효과가 충분해야 합니다. 오링의 부피 증가로 인해 홈이 지나 치게 메워진다면 오링에 손상을 주거나 심지어 플랜지를 왜 곡할 수 있습니다.

고정 밀봉을 위해서는 코드 두께 5mm에 대한 최대 압축이 약 25%여야 합니다. 더 작은 직경은 더 많이 압축될 수 있고, 더 큰 직경은 더 작게 압축될 수 있습니다. 특히 건조 장착 시 15% 미만의 압축이면 실제로 불충분한 밀봉 효과를 유발할 수 있습니다. 변형력은 주로 코드 두께와 탄성 중합체의 경도 에 의해 결정됩니다. 5.33mm 두께의 오링을 20% 압축하려 면, 70 Shore A의 경도에 대해 밀봉 길이 1mm 당 약 5N가, 80 Shore A의 경도에 대해 7N/mm가 필요합니다.

조립을 쉽게 하려면 오링 홈의 직경을 보통 오링의 직경보다 조금 더 큰 것으로 선택합니다. 이렇게 하면 조립 시 오링이 홈 속에 있습니다. 탄성 중합체 링의 길이는 안전하게 5% 늘 어날 수 있습니다. 늘어나는 최대 길이는 재료와 작동 조건에 따라 다릅니다. 사다리꼴 또는 그와 유사한 횡단면이 있는 탄성 중합체 실은 예를 들어 밸브 시트에 그리고 진공실의 뚜껑과 문에 사용할 수 있습니다. 오링을 삽입할 때 오링이 손상되지 않도록, 그 와 반대로 밸브 판을 들어 올리거나 챔버 문을 열 때 오링이 뽑히지 않도록 사다리꼴 구멍의 치수를 재야 합니다. 또한 접 촉력이 커서, 커다란 챔버 문에 커다란 접촉력이 일어날 때, 그 변형이 한계 내에서 유지되도록 사다리꼴 홈은 변형된 오 링에 충분한 공간을 허용해야 합니다.

나사(예: 오일 필러 나사 또는 오일 배수 플러그)를 박기 위하 여 오링을 각성 위치에 설치합니다. 나사는 위쪽 끝에 45°의 챔퍼가 있어서 그 안에 오링을 삽입한 다음 나사 표면에 압력 을 가합니다. 실은 윤활유를 칠해야 합니다. 그래야 조일 때 손상을 입지 않습니다. 또한 설치 공간이 오링의 부피보다 더 커야 합니다.

평면 밀봉 표면과 결합한 평평한 개스킷은 가능한 한 진공 기 술에서 피해야 합니다. 이를 위해서는 높은 접촉력에 도달할 단단함이 필요합니다. 그래야 밀봉재가 모든 표면 요철을 채 웁니다. 예를 들어 평평한 개스킷을 사용할 경우 평평한 FKM 개스킷이 있는 CF 플랜지와 결합하여 국부적으로 들뜬 밀봉 표면을 순환할 때 보통 이런 현상이 일어납니다.

3.3.2.2 ISO-KF 플랜지

ISO-KF 소형 플랜지 구성품은 명목 직경 DN 10~DN 50의 DIN 28403 및 ISO 2861에 설명되어 있습니다. 이 연결은 최 대 1 · 10^-8 hPa의 압력에 적합하고, 최대 1,500 hPa의 초과 압력에 사용할 수 있습니다. 금속 실을 사용하면 압력 범위를 · 10^-9 hPa 미만으로 연장할 수 있습니다. 이를 위해 필요한 훨씬 더 큰 접촉 압력이 금속 실을 위한 특수 클램프로 생성 됩니다.

ISO-KF 연결은 두 개의 대칭 플랜지와 한 개의 오링 실로 구 성되는데, 오링 실은 내부 또는 외부의 센터링 링과 함께 위 치되고 지원을 받습니다(그림 3.7 참조). 밀봉에 필요한 압축 력은 클램핑 링에 의해 생성되는데, 클램핑 링은 원뿔형 밀폐 영역 위에 위치하고 날개 나사로 조여집니다. 그래서 공구 없 이 빠르고 효율적인 조립과 분해가 가능합니다. 플랜지는 어 떤 방향에서도 주 축 주위에 정렬할 수 있습니다.

기저판 위에 KF 플랜지를 장착하기 위하여(그림 3.8 참조) 갈 고리 모양 클램프 또는 격벽 클램프가 클램핑 요소로 사용됩 니다. 기저판에 있는 구멍들의 치수는 갈고리 모양 및 격벽 클램프의 제품 설명에 나와 있습니다.

3.3.2.3 ISO-K/ISO-F 플랜지

ISO-K 클램핑 플랜지 구성품 및 ISO-F 고정 플랜지 구성품 은 ISO-K 플랜지에 대해서는 명목 직경 DN 10~DN 630이고 ISO-F 플랜지에 대해서는 명목 직경 DN 10~DN 1000인 DIN 28404 및 ISO 1609에 설명되어 있습니다. 이 연결은 최대 1 · 10^-8 hPa의 압력에 적합하고 최대 1,500 hPa의 초과 압력 에 사용할 수 있습니다. 금속 실을 사용하면 압력 범위를 1 · 10^-9 hPa 미만으로 연장할 수 있습니다. 금속 실은 훨씬 더 높은 접촉력을 요구합니다. 나사식 플랜지 연결의 경우, 클 램프 나사를 사용할 경우 필요하면 숫자를 높여야 합니다.

ISO-K와 ISO-F 화합물은 두 개의 대칭 플랜지와 한 개의 오 링 실로 구성되어 있는데, 오링 실은 내부 센터링 링과 함께 위치되고 지원을 받고 한 개의 외부 링의 지원을 받기도 합니 다. 밀봉에 필요한 접촉 압력은 이중 갈고리 모양 클램프(그 림 3.9) 또는 나사(그림 3-13)와 함께 생성됩니다.

ISO-K 플랜지를 사용하면 플랜지 뒷면의 원주형 외부 리지 가 클램프 나사에 의한 미끄러짐을 방지합니다. 플랜지는 어 떤 방향에서도 주 축 주위에 정렬할 수 있습니다. 갈고리 모 양 클램프는 기저판에 ISO K 플랜지를 장착하는 데에 사용 됩니다. 기저판에 센터링 링이 있는냐(그림 3.10) 아니면 오 링이 있느냐(그림 3.11)에 따라 높이가 다른 갈고리 모양 클 램프를 사용합니다. 그렇지 않으면 ISO-K 플랜지를 볼트 링 과 함께 기저판에 고정시킬 수 있습니다(그림 3.12).

ISO-F 플랜지엔 명목 직경에 의존하는 고정 볼트 구멍 원이 있습니다. 플랜지는 주 구멍 축 주위에 일정한 간격으로 놓여 있는 구멍을 따라 정렬될 수 있습니다. ISO-F 플랜지는 기저 판에 볼트로 고정할 수 있습니다. 실로 센터링 링을 사용할 수 있고 그렇지 않으면 기저판에 있는 밀봉 홈이 있는 오링을 사용할 수 있습니다.

ISO-K 플랜지를 ISO-F 플랜지에 장착하는 것은 볼트 링으로 할 수 있습니다(그림 3.14). 볼트 링을 설치하려면 ISO-K 플 랜지 위로 미끄러뜨린 다음 서클립을 ISO-K 플랜지의 외부 원주 홈에 끼워 넣습니다. 플랜지는 어떤 방향에서도 주 축 주위에 정렬할 수 있습니다.

3.3.2.4 CF 플랜지

CF 플랜지는 명목 직경 DN 16~DN 250인 ISO 3669에 설명 되어 있고, 명목 직경 DN 10~DN 400인 ISO/TS 3669-2에 자 세히 설명되어 있습니다. 이런 표준들 외에도 진공 시장에서 사용 가능한 제조업체 또는 사용자에 의한 추가 변형들이 있 습니다. 명목 직경이 최대 DN 250일 경우엔 이런 표준들이 종종 결합됩니다. 명목 직경이 커질수록 덜 일반적이 되고 서 로 상당히 다릅니다. 호환성에 대해 의심이 들 경우 치수를 서로 비교해야 합니다.

CF 플랜지는 UHV 어플리케이션을 위해 설계되었고, 최대 450°C로 구을 수 있고, 1 · 10^-12 hPa 미만의 압력에 적합합 니다. 재료에 대한 요구는 비교적 높습니다. CF 플랜지는 일 반적으로 탄소 함량이 낮은 스테인레스강으로 거의 전적으 로 만들어집니다. 재료 1.4307이면 많은 어플리케이션에 충 분합니다. 예를 들어 강도 또는 낮은 자기화성에 관한 더 큰 요구에 대해서는 프리미엄 스테인레스강 1.4429 ESR이 권 장됩니다. 알루미늄 챔버에서 사용하기 위하여 알루미늄 베 이스와 스테인레스강 표면 또는 경화된 표면 실 영역이 장착 된 루미늄 플랜지로 구성된 특별한 바이메탈 플랜지가 개발 되었습니다. 하지만 상대적으로 높은 가격, 위험한 가공성 또 는 제한된 가열 탈기체 처리 가능성 때문에 이런 플랜지는 실 제로 자주 사용되지 않습니다.

CF 연결은 두 개의 첨단 부분이 있는 대칭 플랜지, 얕은 홈의 중앙에 위치한 금속 평면 개스킷, 필요한 높은 접촉 압력을 제공하는 많은 나사로 구성됩니다(그림 3.15). 플랜지의 방사 상 우묵 들어간 부분은 플랜지를 헐겁게 하는 데에 사용되며, 밀봉 표면에 헬륨을 직접 분무할 수 없기 때문에 누출 감지에 유용합니다. 각각 구멍 위치에 정렬되어야 하는 고정 플랜지 외에도 주 축 주위의 어떤 방향에도 플랜지가 정렬될 수 있도 록 회전 칼라 플랜지가 있는 디자인이 있습니다.

무산소 구리 OFCH (무산소 고 전도성)는 일반적으로 은 도 금 디자인에서 200°C를 초과하는 온도에서 밀봉재로 사용됩 니다. 조립 시 플랜지의 첨단 부분은 에워싸인 밀봉 디스크 속으로 밀어 넣어집니다. 외부의 첨단 부위에서 밀어냄 현상 이 일어나고, 그와 동시에 내부 가장자리에서는 절삭 작업이 일어납니다. 저온 흐름은 외부의 수직 플랜지 벽에 의해 제한 됩니다. 그래서 매우 높은 압력이 경계 층에서 생성됩니다. 압력이 높아지면 미세 구조의 구리가 첨단 부위까지 조정되 어 표면의 작은 결함을 채워 금속 초고진공 밀폐 연결을 생성 합니다. 전에 사용한 구리 개스킷은 재사용할 수 없습니다. 최대 약 1 · 10^-8 hPa의 압력까지는 FKM으로 만든 실을 여러 번 사용할 수 있습니다.

조립 시 어떤 식으로든 장력을 피하기 위하여 처음에 나사를 균일하게 정반대로 조입니다. 그 다음에는 나사를 차례 차례 단계적으로 조금씩 구리가 초고진공 밀폐 방식으로 밀봉 표 면에 연결될 때까지 조입니다. 베이크 아웃 시 가열 및 냉각 이 매끄러워야 하고 너무 빨라서는 안 됩니다. 플랜지 연결 시 온도 차이는 유리 요소들과 같은 구성품에 손상을 주거나 누출을 일으킬 수 있는 장력을 유발할 수 있습니다.

3.3.2.5 COF 플랜지

COF 플랜지는 초고진공 호환 연결을 위한 커다란 명목 직경 에 사용됩니다. 구을 수 있고, 최대 약 1 · 10^-12 hPa의 압력에 적합하고, 표준화되어 있지 않습니다. 그래서 다른 브랜드의 플랜지와 결합하면 호환성을 검사해야 합니다. 가능하면 주 조된 상태의 탄소 함량이 낮은 스테인레스강으로 주로 만들 어집니다.

COF 연결은 서로 다른 “수” 및 “암” 모양을 가진 한 쌍의 플 랜지, 한 개의 와이어 실, 요구되는 높은 접촉력을 제공하는 충분한 수의 나사로 구성됩니다(그림 3-16). 플랜지는 주 구 멍 축 주위에 일정한 간격으로 놓여 있는 구멍을 따라 정렬될 수 있습니다. 무산소 구리 OF(무산소)로 만들어진 용접된 와 이어 링은 밀봉재로 사용됩니다.

조립 시 실은 “수” 쪽의 첨단 부분에 단단히 삽입됩니다. 두 가지 모양의 밀봉 표면이 구리 링을 에워쌉니다. 첨단 부분에 서 밀어냄 현상이 일어납니다. 저온 흐름은 "수" 플랜지의 수 직 내부 벽에 의해 제한됩니다. 그래서 매우 높은 압력이 경 계 층에서 생성됩니다. 압력이 높아지면 미세 구조의 구리가 첨단 부위까지 조정되어 표면의 작은 결함을 채워 금속 초고 진공 밀폐 연결을 생성합니다. 전에 사용한 구리 와이어는 재 사용할 수 없습니다. 최대 약 1 · 10^-8 hPa의 압력까지는 FKM 으로 만든 실을 사용할 수 있습니다. 이 실은 보통 재사용할 수 없지만 예를 들어 플랜지가 자주 장착될 경우(예: 시스템 을 평준화할 경우)엔 더 빠른 조립을 가능하게 해줍니다.

조립 시 어떤 식으로든 장력을 피하기 위하여 처음에 나사를 균일하게 정반대로 조여야 합니다. 그 다음에는 나사를 차례 차례 단계적으로 조금씩 구리가 초고진공 밀폐 방식으로 밀 봉 표면에 연결될 때까지 조입니다. 베이크 아웃 시 가열 및 냉각이 매끄럽고 너무 빠르게 수행되지 않는지 확인해야 합 니다. 플랜지 연결 시 온도 차이는 누출을 일으킬 수 있는 장 력을 유발합니다.

3.3.2.6 다른 플랜지 표준

나열된 진공 플랜지 외에도 예를 들면 산업 및 공정 공학에서 사용되지만 진공 기술에서는 잘 사용되지 않는 많은 다른 플 랜지 표준이 있습니다. 이 플랜지의 표면은 종종 거칠고 플랫 실을 위해 디자인됩니다. 진공 및 초과 압력 하에서 작동하는 시스템의 경우 진공 플랜지는 매우 제한된 상태에서만 사용 할 수 있습니다. 이를 위하여 예를 들어 EN 1092-1을 따르는 플랜지가 사용됩니다. 진공에 적합한 플랜지를 디자인하려 면 밀봉 표면을 재작업해야 합니다. 예를 들면 오링 홈이 있 는 플랜지와 매끄러운 밀봉 표면이 있는 플랜지가 짝을 이룹 니다. 따라서 압력 용기 및 배관 관련 법률 규정을 준수해야 합니다.

3.3.2.7 나사

금속 실 연결의 디자인에서 나사의 중요성은 과소평가되어 서는 안 됩니다. 나사 역시 파손 전 응용 제한이 있습니다. 부 적절하게 설치된 나사는 특히 순환 열 응력과 함께 누출 위험 의 잠재적 원천입니다.

나사를 장착할 때는 두 가지 중요한 기계적 요인인 인장 강 도 R_m (기준 인장 강도를 초과하면 나사가 파손됨을 설명)과 항복점 R_{p 0.2} (나사의 연장이 커짐에도 불구하고 인장력 이상 의 응력이 처음과 동일하게 남아 있거나 더 작아짐을 나타냄) 를 고려해야 합니다. 이것은 탄성 범위와 소성 범위 사이의 전이를 표현합니다. 나사는 0.2 %의 항복점 R_{p 0.2} 보다 높은 응력의 영향을 받아서는 안 됩니다. 나사의 죔 토크에 대한 레퍼런스 수치는 따라서 0.2 %의 항복점의 90% 이용을 고려 한 값입니다.

실온에서 강철 나사의 인장 강도와 항복점은 나사의 강도 클 래스(예: 두 자리 수 결합)의 사양에서 찾아 볼 수 있습니다. 첫 번째 수 1/100 [N/mm²]은 인장 강도를 표시합니다. 두 수 의 곱은 항복점의 1/10 [N/mm²]입니다. 예: 강도 클래스 8.8, Rm = 8 · 100 N/mm² = 800 N/mm², Rp 0.2 = 8 · 8 · 10 N/mm² = 640 N/mm².

스테인레스강 나사의 지정 시 재료의 품질 및 인장 강도가 표 시됩니다. 실제 예를 들면, 오스테나이트는 A, 합금 유형은 1~5, 등급 강도는 변형 경화 시 -70 또는 높은 강도 시 -80입 니다. 강도 클래스는 인장 강도의 1/10 N/m 2 와 같습니다. 예: 사양 A2-70, A2는 오스테나이트와 같고, 합금 유형 2, 70은 Rm = 70 · 10 N/mm² = 700 N/mm² 와 같습니다.

사용된 너트는 최소한 나사와 동일한 강도를 가져야 합니다. 강철 너트일 경우 테스트 장력의 1/100 [N/mm²]와 같은 수치 가 표시됩니다. 예: 수 8은 Rm = 800 N/mm² 과 같습니다. 스 테인레스강 나사일 경우 동일하거나 더 높은 재료 품질 및 속 성 등급을 가진 너트를 사용해야 합니다. 주의: 0.8배의 나사 직경(평면 디자인)보다 더 낮은 높이를 가진 너트는 제한된 내력 용량을 갖습니다.

죔 토크와 예압 응력을 결정하려면 나사 연결의 마찰 계수 µ_total 을 알아야 합니다. 다양한 표면 및 윤활 조건 때문에 신뢰 할 수 있는 값을 제공하는 것은 불가능합니다. 산란이 너무 큽니다. 이런 이유 때문에 마찰 계수의 산란 계수가 제공될 수 있습니다. 올바른 토크를 결정하려면 작동 조건 하에서의 테스트가 권장됩니다.

마찰 계수는 윤활제의 사용으로 감소할 수 있지만 커다란 산 란 범위는 동일하게 유지됩니다. 더 작은 마찰 계수가 더 낮 은 최대 토크로 이어짐을 주목해야 합니다. 따라서 윤활제의 사용 → 마찰 계수 µ_total 하락→ 더 작은 토크가 필요하거나 적용됨.

스테인레스강 나사인 경우 나사 안과 지지 표면 위의 마찰 값 은 달군 강철 나사와 함께 할 경우보다 실제로 더 큽니다. 마 찰 값의 산란 범위도 훨씬 더 큽니다(최대 100% 이상). 가장 자리 압력이 높기 때문에 이 범위 역시 고정되는 경향이 있습 니다. 윤활제가 일반적으로 이런 경우에 도움을 줄 수 있습니 다. 그렇지 않으면 은 도금 나사나 너트를 사용할 수 있습니 다.

높은 온도에서의 나사의 속성

높은 온도에서 나사 사용 시 인장 강도와 항복점이 감소한다 는 점에 주의해야 합니다. 또한 기계적 강도를 평가하기 위한 기초로 크리프 변형 또는 열 저항을 고려해야 합니다. 따라서 항복점에 대한 정보는 지침으로만 제공됩니다. 중요하거나 안전 관련 어플리케이션과 기타 기계적 매개변수와 모든 영 향 요인을 고려해야 하기 때문입니다.

스루홀 나사 연결이 너트의 회전에 의해 조여질 경우 나사 볼 트와 판 사이의 동일한 압축력에서 인장력이 생성됩니다. 그 결과 나사가 연장되고 구성품이 압축됩니다. 나사의 연장을 통하여 예압 응력이 생성됩니다. 클램핑 힘은 부품의 압축에 의해 생기고, 연결 시 추가적인 힘이 없으면 예압 힘과 크기 가 같습니다.

나사를 조일 때 접촉 표면 사이에서 마찰이 일어납니다. 예압 힘이 커지면서 나사와 너트 점촉 영역의 마찰 시간이 증가합 니다. 최대 예압 힘은 전체 죔 토크의 대부분에서 마찰 시간 의 합계를 나타냅니다. 나사에 윤활제를 바르면(마찰 계수가 작아짐) 마찰률이 낮아지고, 따라서 나사는 동일한 죔 토크로 더 높은 예압 응력을 만들어냅니다. 윤활제를 바른 나사의 최 대 허용 가능 죔 토크는 윤활제를 바르지 않은 나사의 최대 허용 가능 죔 토크보다 더 낮다는 점에 주의하십시오.

예압 힘과 토크가 나사에서 인장 응력과 비틀림 응력을 유발 합니다. 나사 부하의 계산 시 두 가지 영향을 동시에 고려해 야 합니다. 계산이 힘들면 VDI 가이드라인 2230에 나와 있으 므로 표를 참조하십시오. 0.2 % 항복점의 90% 이용이 가능 하다고 생각하면 최대 허용 가능 죔 토크와 서로 다른 마찰 계수 관련 예압 응력을 거기에서 찾을 수 있습니다. 하지만 그 정보는 안내를 위한 구속력이 없는 값을 나타낼 뿐입니다. 중요하거나 안전 관련 어플리케이션과 나사 계산에 필요할 지도 모르는 모든 영향 요인을 고려해야 하기 때문입니다. 스 테인레스강과 강철 나사에 대한 표에서 발췌한 부분이 아래 에 나와 있습니다.

나사를 막힌 구멍에 고정할 경우 에워싸인 중공 공간이 나사 구멍 끝에서 생성됩니다. 이런 불감 부피는 진공 상태에서 아 주 느리게 사라지고 누출과 동일한 방식으로 연장된 탈기체 를 이끕니다. 따라서 이것은 허누출이라 불리기도 합니다. 고 진공 및 부분적으로 UHV 조건 하에서 이런 유형의 불감 부 피는 구조적으로 회피되어야 하며, 그렇지 못할 경우엔 환기 되어야 합니다.

대안은 편안한 환기 수단을 제공하는 진공 나사입니다. 이런 나사의 속은 드릴로 파인 구멍(탈기체 구멍)입니다. 나사 머 리 부분도 방사상 밀링 홈(탈기체 감소)을 갖고 있고, 이곳을 통하여 나사 연결의 피드스루 구멍 영역이 환기됩니다. 나사 의 기계적 매개변수는 환기 구멍이 기계적 약화를 이끌기 대 문에 진공 나사에 적용할 수 없습니다.