2.1.4.1 橡胶垫圈密封机制及其密封力的解析
在真空阀门中，橡胶垫圈密封技术的原理是通过阀板与阀座之间的压紧作用，促使橡胶垫圈发生弹性变形，从而填充两者表面之间的微小不平整，实现有效密封。当前，真空阀门中橡胶垫圈密封的结构形式可大致分为六种，具体形态如图2-29所示。其中，图2-29(a)至(d)所展示的结构多应用于较大口径的阀门，而图2-29(e)和(f)则适用于较小口径的阀门。图2-29(a)代表了一种较早期的密封结构，其设计特点在于阀座与阀壳之间采用可拆卸方式，以便于加工阀座上的密封槽，但这同时也增加了结构上额外的真空密封需求。目前，大多数真空阀门倾向于采用在阀板上直接安装密封圈的设计，如图2-29(b)、(c)和(d)所示。
在选择真空阀门的密封结构时，应遵循以下原则：(1)尽可能降低阀板下方高真空侧的放气风险，例如选用低放气率的密封垫材料；(2)确保阀门关闭后，密封圈截面能够实现最大程度的压缩变形；(3)结构设计应尽可能简化；(4)保证制造工艺的便捷性；(5)密封元件应便于拆卸和维修。
图2-29 真空阀门中橡胶圈密封的多种结构形态
1—阀板(或阀塞)； 2—压板； 3—橡胶圈(或膜)； 4—阀座
阀门关闭时的密封性能主要取决于密封垫填充阀座表面的不平整程度。影响这种填充效果的因素主要包括两个方面：(1)密封垫材料的硬度和压紧力度；(2)阀座表面的粗糙度。通常情况下，阀座表面的粗糙度会超过3.2，而密封垫的硬度范围在邵氏硬度55至75之间。根据实验数据，当橡胶的硬度达到邵氏硬度50以上且表面无任何损伤时，只要橡胶垫的高度压缩比超过15%，就能实现漏气率小于1.33×10-8Pa·L/(s·m2)的优异密封性能。考虑到制造精度可能存在的偏差，适当提高压缩比是必要的。因此，建议真空阀门密封垫的相对压缩比通常控制在15%至25%的范围内。对于胶垫密封阀板的密封力，多数情况下可以参照O形环在矩形槽中受压缩的密封力公式进行近似计算。
(2-1)式中，o代表密封比压力，单位为帕斯卡(Pa)；B表示密封宽度，即密封圈与阀座的接触宽度，单位为厘米(cm)；L为密封圈的平均周长，单位为厘米(cm)；x为相对比压力；E为密封圈材料的杨氏模量，单位为帕斯卡(Pa)；B为密封圈的相对宽度；d为密封圈的线径，单位为厘米(cm)；D为密封槽的中径，单位为厘米(cm)。
部分阀门仅需要单向使用，例如扩散泵入口的阀门，其阀板的主要功能是封住扩散泵内的真空环境。对于这类阀门的设计，在结构上允许阀板在压力差的作用下继续被压紧，因此，阀门关闭时只需施加初始压紧力即可。在这种情况下，密封的初始比压力可以设定为20×104Pa。实践证明，这种设计方法是切实可行的，因此这类阀门的初始密封力计算公式为：
（2-2）式中，B是与密封比压力为20×104Pa相对应的胶垫密封宽度，单位为厘米(cm)；L为胶垫的长度，单位为厘米(cm)。
另一些阀门则需要双向使用，即不仅需要封住阀板上方的大气压，有时还需要封住阀板下方的大气压。对于这类阀门，其阀板密封力的计算公式为：
(2-3)式中，p代表大气压力，单位为帕斯卡(Pa)；其余符号的意义与前面公式相同。
2.1.4.2 金属垫密封机制及其密封力的解析
图2-30展示了金属垫密封的几种不同结构，其中图2-30(a)为针阀的结构，而图2-30(b)至(e)则都是用于超高真空系统中的金属垫密封阀门。通常情况下，阀板采用软金属如紫铜、无氧铜、铝、镍和铅等材料制成，而铜、铝、镍等材料在加工前需要进行退火处理；阀座则采用硬金属如不锈钢等材料，并制成刀口形状。图2-30(f)至(h)则使用低熔点的软金属及其合金作为密封材料，阀座同样采用硬金属如不锈钢等材料，它们依靠软金属在受压时产生的塑性变形与阀座紧密贴合，从而达到密封效果。为了保证密封的可靠性，每次阀板关闭时刀口的压痕必须保持一致。为此，除了阀板的传动机构需要精确的导向外，刀口尖还应进行倒圆处理，如图2-31所示。倒圆半径通常有两种选择：R1mm和R0.2mm，其中R0.1mm是较为常见的选择。图2-30(g)所示的结构由于没有刀口压痕问题，因此密封垫的寿命相对较长。
图2-30 金属垫密封的多种结构形态
1—阀板；2—阀座；3—铟银或铟铅合金；4—钢
刀口的形状对阀门的性能也有一定影响。表2-14提供了相关的实验数据，从这些数据可以看出，直角型刀口与夹角型刀口相比，所需的螺旋压紧转矩略高。
图2-31 金属垫密封的几种阀座形态
表2-14 直角型和夹角型密封刀口的实验数据
为了延长阀板（或金属垫）的使用寿命，阀板的压下量可以设计成可微调的形式。一旦原有的压痕失去密封性能，可以通过微调使压痕稍微加深，从而保证密封效果，同时延长阀板的使用寿命。
目前，金属垫密封阀门的密封力计算通常基于实验数据。设计者首先针对所设计的密封结构进行模拟试验，确定出密封比压力，然后根据具体的密封尺寸进行计算。根据国内外相关资料，设计者可以参考表2-15。根据表中的数据，金属垫密封力的计算公式为：
(2-4)式中，L为密封口中心长度，单位为毫米(mm)；f为单位长度的密封力，单位为牛顿/毫米(N/mm)； As为密封面积，单位为平方毫米(mm2)；fsa为单位面积的密封力，单位为牛顿/平方毫米(N/mm2)。
表2-15 金属垫圈密封的比压力
续表2-15