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真空工程

真空系统的设计中的主泵的选择

时间:

2008-10-13  来源:

真空技术网整理    编辑:

鬼马

    在真空系统中，主泵决定了被抽容器的极限真空度和工作真空度，而前级泵则在主泵出口处造成始终低于主泵的临界前级压力的真空度，保证主泵能正常工作。

   选主泵要考虑两个方面，一是选择主泵的类型，二是确定主泵抽速的大小。

（1）真空系统主泵类型的确定

    确定主泵类型的依据是：

    ①根据被抽容器所要求达到的极限真空度和工作真空度。

一般选取主泵的极限真空度稍高于被抽容器所要求的极限真空度（如高半个数量级）。

每一种泵都有其最佳工作压强范围，应保证将被抽容器的工作真空度选在主泵的最佳抽速压强范围内。

    ②根据被抽气体的种类，每种气体所占的比例以及气体中所夹杂的灰尘情况。

为此，应当对各种真空泵的性能及使用特点进行了解。

例如：

油封式机械真空泵能够直接向大气中排气，即可以单独抽空，又可以作为某些泵的前级泵。

在无气镇装置的情况下，该泵只适用于抽除干燥气体、当带有气镇装置时，也可以抽除含有少量水蒸气的气体，不适合抽除有爆炸性的气体，对金属有腐蚀性的气体，以及含有颗粒灰尘的气体。

再如油增压泵和油扩散泵，它们都属于油蒸汽流泵。

这两种泵对摩尔质量较小的气体（如氢气）抽气能力大，被抽气体中含有少量灰尘和水蒸汽也影响不大。

但它们不能将气体直接排到大气中去，必须有前级泵，而且工作前必须有一个预真空环境。

这两种泵作为主泵的系统，都会有一定数量的泵油蒸气返流到被抽容器中。

    ③根据初次投资和日常运转维护费用

    当两种类型以上的泵都适合选用时，则要根据经济指标来确定主泵。

在比较经济指标时，要从整套真空系统来考虑。

如图12是油扩散泵、油增压泵、罗茨泵系统单位抽气速率（L／s）的价格与入口压强间的关系曲线。

图13是单位抽气速率（L／s）的输入功率与入口压强的关系曲线。

由两个图中的曲线可见，在1.33×10-1～13.3Pa的压强范围内，以油增压泵为主泵的真空系统比较经济，所需要的功率小。

在压强低于1.33×104Pa的范围内，油扩散泵抽气系统比较经济。

在压强高于13.3Pa的范围内，罗茨泵抽气系统比较经济。

所以在选泵过程中应立足于即适用又经济。

图12：

油扩散泵、油增压泵、罗茨泵系统单位抽气速率（L／s）的价格与入口压强间的关系曲线

图13：

单位抽气速率（L／s）的输入功率与入口压强的关系曲线

真空系统的主泵抽速大小的确定#e#

（2）真空系统的主泵抽速大小的确定

    主泵的类型选定之后，接下来就是要具体地确定主泵抽速的大小规格。

主泵抽速大小的确定主要根据被抽容器的工作真空度和其最大排气流量，以及被抽容器的容积和所要求的抽气时间。

    ①真空室内排气流量的计算

    在正常的工艺过程中，真空室内所产生的气流量应当由主泵及时抽走，以保证真空室内的压强符合工作真空度的要求。

工艺过程中的气流量可用式（38）计算。

    以上各量在不同的真空应用设备中不一定都存在，这要根据不同情况具体考虑。

    a．Qg的计算

    就真空熔炼来说，被熔炼材料工艺过程中的放气流量Qg的计算是以实验数据为基础进行的。

当给出材料单位质量含气量在标准状态下的体积时可用式（39）计算。

    当给出材料在熔炼或处理前后化学成分的变化时用式（40）计算。

    b．Qn的计算

    某些真空设备的真空室内要求加热到较高的温度。

真空室内必须使用耐火保温材料，如碳毡、碳布、硅酸铝纤维等材料，其放气量的计算如式（41）。

    c．Qf的计算

    暴露于真空下各种构件材料表面的放气流量用式（42）计算。

    在利用式（38）计算真空室内的总排气流量时，对于某一种确定的真空设备，要根据具体情况而定，如有的设备没有用耐火保温材料，则不必计算Qn这一项。

有些材料的放气量实验数据无处可查，则可以采用与其相类似材料的放气量数据作为代替。

漏气流量Qt的计算用式（28）。

    ②被抽容器所要求的有效抽速的计算    设被抽容器内的最大排气流量为QPa·m3／S，所要求的工作真空度为PgPa，则被抽容器所要求的有效抽速Sey为式（43）。

 ③粗算主泵的抽速S

    由于在选定主泵之前，真空室出口到主泵入口之间的管路没有确定，因而这段管路的流导C是未知数。

根据式

（2）无法计算主泵的抽速S。

通常按经验公式（44）粗算主泵的抽速。

    ④验算主泵的抽速

    根据粗选出的主泵的入口尺寸。

选择确定主阀、捕集器和连接管道，划出主泵入口至真空室出口之间管路草图。

利用流导计算公式计算出被抽容器出口到主泵入口之间高真空管路的流导C，再按式（2a）计算粗选主泵对真空室出口的有效抽速Se，若Se大于或等于被抽容器所要求的有效抽速Sey则认为粗选的主泵的大小合乎要求，否则应重新粗选主泵，再进行验算，直至合乎要求为止。

如何有效的降低真空系统漏气率的措施

时间:

2008-10-27  来源:

真空技术网整理    编辑:

admin

真空系统的结构

真空系统的结构是影响真空系统密封性和系统漏气率的关键，真空系统的结构合理与否，将直接影响系统的密封性和系统的漏气率。

1、尽可能地避免出现小曲率半径的死角，要光滑过渡查刹于打麈抛光、清洗清扫。

2、抽空管道、送气管道等与真空室相连接的管道，采用圆弧过渡，使气路畅通无阻，但要考虑清洗清扫的方便性。

3、认真设计真空室内各种连接件的结构，使气路畅通，避免气路堵塞。

4、打磨抛光真空系统内表面，表面越光亮就越不易气体吸附，越容易获得真空。

5、尽可能减小真空室的体积，缩短管路系统。

密封形式的选择

      密封形式可根据所需真空度的高低及实际工作需要选择密封形式，对于人工晶体生长设备，一般需要的真空度在lO-3Pa以下，因此，无需采用金属密封。

以TDR--70型单晶炉为例，我们选择磁性流体密封作为旋转动密封，选择高精度大伸缩量的焊接波纹管进行移动密封，小直径轴的旋转密封选用“O”型密封圈或威尔逊密封，各种静密封则采用“0”型密封圈密封形式，直径压缩比为25％。

    密封件材质的选用：

真空度在lO-3Pa以下的真空系统，密封材料一般选择橡胶密封圈即可满足要求。

但是，考虑到实际工作条件的需要（真空室内温度最高可达2300oC，密封部位进行水冷后，其温度在80oC左右，个别处温度可达100oC以上）。

所以，要选择比较理想的密封圈材料。

    用于真空密封橡胶材料，除要求具有光洁表面、无划伤、无裂纹外，还要求有低的渗透率和出气率，良好的耐热性耐油性，同时要有一定的强度、硬度和弹性等。

    各种橡胶材料的主要性能如表3—1～表3-3

表3-1各种橡胶对空气的渗透性能

橡胶种类

氰橡胶

聚氯丁橡胶

天然橡胶

硅橡胶

渗透系数[cm3/（s.cm.cm2）]

0.8×10-7

0.98×10-7

4.4×10-7

4.5×10-7

橡胶种类

聚氨酯橡胶

丁苯橡胶

氟橡胶26

氟橡胶23

渗透系数[cm3/（s.cm.cm2）]

0.97×10-7

2.9×10-7

0.88×10-7

0.8×10-7

注：

在压力差为latm，温度为80oC时测定；值为标准状态下换算的。

表3-2橡胶的出气速率

名    称

出气速率[×10-4Pa·L/s·cm2]

12min

42min

1h

1.5h

硅橡胶

87

72

57

丁氰橡胶

32

17

14

11

天然橡胶

24

13

11

7

氟橡胶

8

4.5

3.8

3

表3-3橡胶的耐热老化性

橡胶名称

具有工作能力的极限温度oC

硅橡胶

320

丁氰橡胶

180

天然橡胶

130

氟橡胶

320

   氟橡胶是一种具有耐高温、耐各种介质的密封材料。

各种气体在氟橡胶中有较小的扩散速度和较大的溶解度，透气性很小，如表3-2所示，在高温、真空中放气速率很低（在2.6XlO-7Pa的失重为2.3％），可用于10-6～lO-7Pa的真空密封；采用合理的密封结构，烘烤到200oC，并加上冷却措施，可达到lO-8Pa的高真空。

氟橡胶的稳定性能也相当好，在低于200oC的温度下可以长时间工作。

缺点是价格昂贵，通常只限于需要烘烤的高真空及超高真空系统中。

根据表3-1～表3-3所表述的情况，选用氟橡胶密封材料。

静密封结构的选择

    各种真空系统中，80%以上的密封为静密封，静密封效果的好坏，对系统的真空度及漏气率有很大的影响。

因此，要对静密封结构进行认真设计，以达到理想的效果。

    对静密封结构的设计，主要考虑如何选择主要密封面、如何减小残留气体及如何充分发挥橡胶密封圈功能。

    无论是矩形密封槽、燕尾型密封槽还是梯形密封槽，其槽底较小的粗糙度容易获得为主要密封面，而其侧面则较小的粗糙度往往不易获得。

同时，为了消除残留气体，在存在残留气体处设计了贯通孔，使系统内部各处畅通无阻。

真空系统的抽气方程

时间:

2008-10-13  来源:

真空技术网整理    编辑:

鬼马

    真空系统的任务就是抽除被抽容器中的各种气体。

我们可以把被抽容器中所产生的各种气体的流量称为真空系统的气体负荷。

那么真空系统的气体负荷究竟来自哪些方面呢?

或者说真空室内究竟有哪些气源呢?

总起来说，可以归纳为下述几个方面：

（1）被抽容器内原有的空间大气，若容器的容积为Vm3，抽气初始压强为PoPa，则容器内原有的大气量为VP0Pa·m3；

（2）被抽容器内一旦被抽空，暴露于真空下的各种材料构件的表面就将把原来在大气压下所吸收和吸附的气体解析出来，这部分气体来源我们称之为放气，单位时间内的放气流量可以用QfPa·m3／s来示；

    实验表明，材料表面单位时间内单位表面积的放气率q可以用式（27）的经验公式来计算。

    真空室内暴露于真空下的构件表面，可能有多种材料。

所以总的表面放气流量Qf为式（49）。

     （3）大气通过容器壁结构材料向真空室内渗透的气体流量，以QsPa·m3／s表示。

渗透的气流量即是大气通过容器壁结构材料扩散到容器中的气体流量。

气体的这种渗透是有选择性的，例如：

氢只有分离为原子才能透过钯、铁、镍和铝；氢对钢的渗透将随钢中含碳量的增加而增加。

氦分子能透过玻璃。

氢、氮、氧和氩、氖、氦能透过透明的石英。

一切气体都能透过有机聚合物，如橡胶、塑料等。

但是所有的隋性气体都不能透过金属。

除了有选择性之外，渗透气流量Qs还与温度、气体的分压强有关。

在材料种类、温度和气体分压强确定时，渗透气流量Qs是个微小的定值。

    （4）液体或固体蒸发的气体流量QZPa·m3／s。

空气中水分或工艺中的液体在真空状态下蒸发出来，这是在低真空范围内常常发生的现象。

在高真空条件下，特别是在高温装置中，固体和液体都有一定的饱和蒸气压。

当温度一定时，材料的饱和蒸气压是一定的，因而蒸发的气流量也是个常量。

    （5）大气通过各种真空密封的连接处，通过各种漏隙通道泄漏进入真空室的漏气流量QLPa·m3／s。

对于确定的真空装置，漏气流量QL是个常数。

漏气流量通常可通过所说的压升率，即单位时间内容器中的压强增长率Px来计算式（28）。

    当真空泵启动之后，真空系统即对被抽容器抽气。

此时，真空系统对容器的有效抽速若以Se表示，容器中的压力以P表示，则单位时间内系统所排出的气体流量即是SeP。

容器中的压强变化率为dP/dt，容器内的气体减少量即是VdP/dt。

根据动态平衡，可列出如下方程（29）。

    这个方程称为真空系统抽气方程。

式中V是被抽容器的容积，由于随着抽气时间t的增长，容器内的压力P降低，所以容器内的压强变化率dP/dt是个负值。

因而VdP/dt是个负值，这表示容器内的气体减少量。

放气流量Qf，渗透气流量Qs，蒸发的气流量Qz和漏气流量QL都是使容器内气体量增多的气流量。

SeP则是真空系统将容器内气体抽出的气流量，所以方程中记为一SeP。

    对于一个设计、加工制造良好的真空系统，抽气方程（29）中的放气Qf渗气Qs、漏气QL和蒸气Qz的气流量都是微小的。

因此抽气初期（粗真空和低真空阶段）真空系统的气体负荷主要是容器内原有的空间大气。

随着容器中压强的降低，原有的大气迅速减少，当抽空至1～10-1Pa时，容器中残存的气体主要是漏放气，而且主要的气体成分是水蒸汽。

如果用油封式机械泵抽气，则试验表明，在几十～几Pa时，还将出现泵油大量返流的现象。

几种典型的超高真空系统图

时间:

2008-10-13  来源:

真空技术网整理    编辑:

鬼马

    由于原子能工业和火箭技术的发展，超高真空技术也得到迅速发展和应用。

其系统有如下几种。

    ①用扩散泵和钛泵并联为主泵，扩散泵单独串联前级机械泵的真空系统。

图17所示，称为钠灯超高真空封接炉的系统。

可以达到极限真空度为1.33×10-6Pa。

图17：

钠灯封接用的超高真空系统图

    ②由扩散泵串联扩散泵（中间泵），再串联机械泵的真空系统。

如图18，是一个超高真空系统和设备的结构图。

主泵是一个水银扩散泵，泵顶有冷却挡板和液氮冷阱，中间泵也是水银扩散泵。

在中间泵和前级机械泵之间设有油蒸气捕集器。

并设有各种单独的加热器，烘烤真空室和主泵顶部及捕集器。

该系统的特点是能获得超高真空，并能稳定工作。

图18：

超高真空系统图

    ③主泵为分子泵串联机械泵的真空系统，该种超高真空系统，由于机械泵有油存在，需要在机械泵入口管道上设置捕集器冷凝油蒸气。

如果分子泵串联分子筛吸附泵（前级泵），则构成了无油超高真空系统，该系统比较清洁。

    ④用钛泵或溅射离子泵做为主泵。

并联或串联分子筛吸附泵（做为预真空泵），构成无油超高真空系统．如图19所示。

也可以用钛泵联接预真空机械泵，但此时机械泵的入口管道上要加油蒸气捕集器。

    ⑤用低温泵做为主泵，串联或并联分子筛吸附泵（预真空泵），构成无油超高真空系统。

同样也可以用机械泵做为预真空泵，在机械泵入口管道上设置油蒸气捕集器。

一个完整的真空系统的组成

时间:

2008-10-08  来源:

真空技术网整理    编辑:

鬼马

    真空应用设备种类繁多，但无论何种真空应用设备都有一套排除被抽容器内气体的抽气系统，以便在真空容器内获得所需要的真空条件。

举例来说：

一个真空处理用的容器，用管道和阀门将它与真空泵连接起来，当真空泵对容器进行抽空时，容器上要有真空测量装置，这就构成了一个最简单的真空抽气系统（如图1）。

图1：

最简单的真空系统图

     图1所示的最简单的真空系统只能在被抽容器内获得低真空范围内的真空度，当需要获得高真空范围内的真空度时，通常在图1所示的真空系统中串联一个高真空泵。

当串联一个高真空泵之后，通常要在高真空泵的入口和出口分别加上阀门，以便高真空泵能单独保持真空。

如果所串联的高真空泵是一个油扩散泵，为了防止大量的油蒸气返流进入被抽容器，通常在油扩散泵的入口加一个捕集器——水冷障板（如图2所示）。

根据要求，还可以在管路中加上除尘器、真空继电器规头、真空软连接管道、真空泵入口放气阀等等，这样就构成了一个较完善的高真空系统。

图2：

高真空系统简图

    凡是由两个以上真空泵串联组成的真空系统，通常都把抽低真空的泵叫做它上一级高真空泵的前级泵（或称前置泵），而最高一级的真空泵叫做该真空系统的主泵，即它是最主要的泵，被抽容器中的极限真空度和工作真空度就由主泵确定。

被抽容器出口到主泵入口之间的管路称为高真空管路，主泵入口处的阀门称为主阀。

    通常前级泵又兼作予真空抽气泵。

被抽容器到予抽泵之间的管路称为予真空管路，该管路上的阀门称为予真空管道阀。

主泵出口到前级泵入口之间的管路称为前级管道，该管路上的阀门称为前级管道阀，而软连接管道是为了隔离前级泵的振动而设置的。

    总起来说，一个较完善的真空系统由下列元件组成：

    1．抽气设备：

例如各种真空泵；

    2．真空阀门；

    3．连接管道；

    4．真空测量装置：

例如真空压力表、各种规管；

    5．其它元件：

例如捕集器、除尘器、真空继电器规头、储气罐等。

    那么，究竟什么是真空系统?

用一句话来概括，就是：

用来获得有特定要求的真空度的抽气系统。

    真空系统设计的基本内容：

是根据被抽容器对真空度的要求，选择适当的真空系统设计方案，进行选、配泵计算；确定导管、阀门、捕集器、真空测量元件等，进行合理配置，最后划出真空系统装配图和零部件图。

真空系统最重要的性能参数计算方程

时间:

2008-10-08  来源:

真空技术网整理    编辑:

admin

    真空系统最重要的性能参数是其所能获得的极限真空度和对容器的有效抽速。

    所说的真空系统的极限真空度是指在没有外加负荷的情况下，经过足够长时间的抽气后，系统所能达到的最低压力。

    真空系统对容器的有效抽速是指在容器出口处的压力下，单位时间内真空系统能够从被抽容器中所抽除的气体体积。

真空系统对容器的有效抽速不仅取决于真空泵的抽速，也取决于真空系统管路对气体的导通性能，即所说的流导。

流导的定义是：

在单位压差下，流经管路的气流量的大小。

用一个数学式子来表示，即是式

（1）

    如果用Se来表示真空系统对容器的有效抽速，用Sp表示真空泵的抽速，C表示真空容器出口到真空泵入口之间管路的流导，则有式

（2），（2a）、（2b）、和（2c）

    方程

（2），（2a）、（2b）、和（2c）本质上是一个方程，只不过写法不同，这个方程在真空系统设计中是一个非常重要的方程，如果知道泵的抽速Sp和管路的流导C，就可以计算出系统对容器有效抽速，这个方程被称为真空技术基本方程。

    从方程（2b）可以看出：

如果管路的流导C远大于泵的抽速Sp，则Sp／C的值远小于1，此时真空系统对容器的有效抽速Se≈Sp。

这就是说为了充分发挥泵对容器的抽气作用，在设计真空系统管路时，应使管路的流导尽可能大一些。

因此真空管路应该粗而短，切不可细而长。

这是设计连接管道时的一条重要原则。

相反，如果管路的流导C远小于泵的抽速Sp，则C/Sp的值远小于1，从方程（2c）可以看出，此时真空系统对容器的有效抽速Se≈C，这就是说，在这种情况下，选择多大的泵都没有用，都不能提高泵对容器的有效抽速。

典型的真空系统的型式

时间:

2009-02-04  来源:

东北大学    编辑:

张以忱

       用于满足某种工艺要求,能够获得并测量有特定要求真空度的系统称真空系统。

一个较完善的真空系统由真空室、所需的真空泵或真空机组、真空测量装置、连接导管、真空阀门、捕集器、及其它真空元件及电气控制系统构成。

典型的真空系统如图1及图2所示。

1.真空室放气阀2.电离真空规3.热偶真空规4.流量调节阀5.高真空阀6.扩散泵7.储气罐8.热偶规管（测扩散泵前级压力）9.前级真空阀10.压力传感器11.预抽阀12.罗茨真空泵13.旁通阀14.电磁放气阀15.机械真空泵

图1典型真空系统原理图

1.真空室2.电离真空规3.热偶真空规4.放气阀5.高真空阀6.冷阱7.扩散泵8.前级真空阀9.电磁放气阀10.机械真空泵11.预抽阀

图2典型真空系统原理图

       真空系统按其工作压力进行分类,可分为:

1）粗真空系统（工作压力大于1330Pa）;2）低中真空系统（工作压力在1330~0.13Pa）;3）高真空系统（工作压力在0.13~1.3×10-6Pa）;4）超高真空系统（工作压力在1.3×10-6～1.3×10-10Pa）;5）极高真空系统（工作压力低于1.3×10-10Pa）。

      按真空系统所要求的清洁程度可分为:

1）有油真空系统（真空室有油蒸汽污染）;2）无油真空系统（真空室无油蒸汽污染）。

玻璃制扩散泵真空系统

时间:

2008-12-04  来源:

兰州大学物理科学与技术学院    编辑:

宋长安

       获得真空用真空泵。

真空泵按工作条件的不同分为两类:

能够在大气压下工作的真空泵称为初级泵（如机械泵）,用来产生预备真空,需要在预备条件下才能工作的真空泵称为次级泵（玻璃扩散泵）,次级泵用来进一步提高真空度,获得高真空。

      真空分段:

①粗真空760～10Pa;②低真空10～10-2Pa;③中真空10-2～10-4Pa;④高真空10-4～10-7Pa;⑤超高真空10-12～10-14Pa;玻璃扩散泵其结构图1所示,扩散泵是高真空泵,当机械泵的极限真空度不能满足要求时,通常加扩散泵来获得高真空。

这种泵不能从通常气压下开始工作,只能在低于1Pa气压下才能工作。

因此,必须与初级泵串联使用。

      扩散泵的液体油有多种,目前广泛使用的是3号扩散泵油（20℃时饱和汽压为1.3×10-6Pa）沸点375℃和275号硅油（20℃时饱和汽压为1.3×10-8Pa）沸点430℃。

扩散泵开始工作之前,必须先开动机械泵抽气,达到预备真空时（约1.3Pa）,便可以使用电炉对扩散泵蒸发器中的油进行加热,约25～35min的时间,便可观察到,扩散泵油开始沸腾,油蒸汽开始顺向每一级喷口定向喷发,形成射流。

当硅油加热至沸腾时430℃,便产生大量油蒸汽,蒸汽经过导管由各级喷嘴高速喷出,此时,由于来自被抽容器的气体不断向蒸汽流中扩散,（便称扩散泵）便被带到下方伞形帽喷发的射流,这股射流的压强大于上一级射流,气体分子进入下一级射流,这一级压强又大于上一级射流,而油蒸汽被冷凝水套凝结,沿着管壁经过回油管流回蒸发器,被带到下方的气体则由机械泵以每秒4升的速率抽走,20min后可达到扩散泵的极限真空度。

这些工作状态,只有透过玻璃很容易观察到,扩散、喷发和冷凝的过程,这也是扩散泵名称的由来,这些工作状态金属扩散泵是无法观察到的。

使用扩散泵时必须注意:

     ①与扩散泵配合的机械泵,它的抽气速率必须保证及时排走扩散泵内部所排出的气体。

    ②扩散泵工作时冷却水必须畅通,否则会使冷凝水套中的水温过高,油蒸汽不能很好的凝结,以致部分蒸汽要冲向被抽容器,影响泵的抽气速率和极限真空度。

    ③加热电炉的功率大小也是影响泵的抽气速率,所以应选择适合的电炉。

粘滞流时流导的计算方法

时间:

2008-10-08  来源:

真空技术网整理    编辑:

admin

   在真空系统中，连接管道通常采用的是圆截面管道，被抽气体又多为室温下的空气，因此这里只简要介绍粘滞流时圆孔和圆截面管道对室温空气的流导计算。

    ①薄壁孔

    粘滞流时气体流经薄壁孔，如图4所示，当P1＞P2时，气体从I空间流向II空间。

试验发现：

当P1不变时，随P2下降，通过孔口的流速和流量都增加，但当P2下降到某一值时，它们都不再随P2下降而增加。

图4：

粘滞流时气体流经薄壁孔

    对于室温空气，面积为Am2的薄壁孔的流导为式（9）。

    对于室温空气，圆形薄壁孔的流导为式（10）。

    ②不考虑管口影响时，圆管的流导

    通常，气体从一个大容积进入管道的入口孔时，孔口对气流存在影响，但当管道的长度比较长，管口对气流的影响则可以忽略，即可以不考虑管口对气流的影响。

在工程计算中，通常把管道的轴线长度L与管道直径D的比值L／D≥20的管道视为