Nel mondo delle apparecchiature per alto vuoto, sorge spesso la necessità di realizzare accoppiamenti fissi tra componenti meccanici che possano garantire le condizioni di tenuta necessarie tra un ambiente a bassa pressione e l’atmosfera. È il caso, ad esempio, dei componenti dei sistemi di pompaggio, dei sensori, delle valvole, delle finestre di osservazione, dei passanti elettrici e pneumatici, ecc.
Gli standard più utilizzati oggi per la progettazione di questi accoppiamenti sono fondamentalmente tre: CF, KF e ISO. Vediamone le caratteristiche generali e i criteri di selezione.
Accoppiamenti CF
Gli accoppiamenti CF (Conflat Flanges) sono normalmente utilizzati per applicazioni in ultra alto vuoto, fino a 10-13 mbar. Sono disponibili in una serie di diametri nominali standardizzati per facilitare il lavoro del progettista (DN16, 40, 63, 100, 160, 200, 250) e consistono in una coppia di flange, generalmente realizzate in acciaio inossidabile AISI 304L o AISI 316L, materiali adatti alla saldatura. La tenuta è garantita dall’interposizione, tra le due flange, di una guarnizione di tenuta in rame privo di ossigeno (OHFC) parzialmente o completamente ricotto, che viene deformata da due denti presenti sulle facce piane delle flange contrapposte. La guarnizione è alloggiata in un’apposita scanalatura ricavata sulle flange stesse, per facilitarne il montaggio. La compressione della guarnizione avviene serrando una serie di bulloni, posti lungo la circonferenza delle flange, opportunamente forate.
Negli accoppiamenti CF, la guarnizione in rame è monouso: in caso di smontaggio, deve quindi essere sostituita. I principali vantaggi di questo tipo di accoppiamento sono il bassissimo livello di degasamento e di perdita di gas garantito dalla tenuta metallo su metallo e la capacità di resistere alle alte temperature di riscaldamento (baking) dell’apparecchiatura, prerequisito necessario per poter raggiungere valori di vuoto base estremamente bassi. I sistemi CF sono infatti in grado di operare in un intervallo di temperatura molto ampio, approssimativamente tra -196 °C (temperatura dell’azoto liquido) e +450 °C, garantendo sempre prestazioni eccellenti. Per i sistemi in cui è richiesta la resistenza a cicli termici ad alta temperatura (fino a 500 °C), sono disponibili guarnizioni in rame argentato per ridurre la formazione di ossidi.
D’altra parte, si tratta di un sistema piuttosto laborioso dal punto di vista del montaggio (un esempio di procedura può essere visto, ad esempio, sul sito web dell’azienda americana K. J. Lesker, a questo indirizzo). Inoltre, i componenti CF sono piuttosto costosi e non adatti, per le loro caratteristiche, a frequenti operazioni di montaggio e smontaggio.
Accoppiamenti KF
Gli accoppiamenti KF sono una valida soluzione nel caso in cui siano necessarie riconfigurazioni relativamente frequenti dei sistemi da vuoto: si tratta infatti di un sistema di accoppiamento classificabile come “rapido”. Il giunto KF è realizzato attraverso l’uso di una coppia di flange, ognuna delle quali presenta un incavo circolare in grado di alloggiare un o-ring (OR) che viene interposto tra le flange stesse. L’OR è dotato di un anello di centraggio, che ha anche lo scopo di ridurre la probabilità di estrusione dell’OR quando è sottoposto all’azione della differenza di pressione in condizioni di alta temperatura. Poiché la tenuta è garantita da un elastomero, il grado massimo di vuoto gestibile con gli accoppiamenti KF è dell’ordine di 10-8 mbar, normalmente sufficiente per la maggior parte delle applicazioni industriali. Le flange KF sono realizzate in acciaio inossidabile o alluminio e hanno un profilo tronco-conico, che permette l’accoppiamento attraverso l’uso di morsetti con un profilo appropriato.
La temperatura massima di esercizio degli accoppiamenti KF è limitata dal materiale di cui è fatto l’OR (esiste un’ampia varietà di soluzioni disponibili sul mercato): nel caso del Viton, un elastomero perfluorurato comunemente usato, è di circa 120 °C. Le dimensioni standard disponibili sono le seguenti: KF10, KF16, KF25, KF40 e KF50, valori corrispondenti al diametro interno della flangia.
I principali vantaggi dei sistemi di accoppiamento KF sono la velocità con cui possono essere montati e smontati e il basso costo. D’altra parte, non sono in grado di garantire le prestazioni dei sistemi CF in termini di tenuta e resistenza alle alte temperature che possono essere presenti in certi processi. Inoltre, i diametri disponibili per i sistemi KF sono limitati a valori bassi, tipicamente utilizzati per alcune parti dei sistemi di pompaggio e per i sensori.
Accoppiamenti ISO
Gli accoppiamenti ISO riprendono il design delle guarnizioni in elastomero dei giunti KF, con la differenza che l’accoppiamento si ottiene tramite bulloni (nel qual caso le flange sono forate lungo la loro circonferenza) o morsetti multipli (nel qual caso le flange presentano una scanalatura circonferenziale in cui i morsetti possono fare presa).
Le dimensioni standard disponibili sul mercato sono 63, 80, 100, 160, 200, 250, 320, 400, 500 e 630, valori corrispondenti al diametro interno della flangia. Il campo di funzionamento, in termini di valore minimo di pressione gestibile e temperatura minima e massima di esercizio, è limitato dalle caratteristiche dell’OR ed è sostanzialmente coincidente con quello dei sistemi KF. Tuttavia, questi sistemi sono progettati per estendere la praticità del sistema KF a diametri superiori.
Conclusioni
I tre sistemi di accoppiamento per alto vuoto descritti, CF, KF e ISO, coprono la maggior parte dei requisiti di progettazione per la giunzione a tenuta di componenti standard. Questi giunti sono disponibili, normalmente a magazzino, presso i principali produttori / distributori di componenti per il vuoto e costituiscono quindi una valida risorsa per ridurre i tempi di sviluppo e aumentare l’affidabilità e la standardizzazione delle apparecchiature che operano in alto vuoto.