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1、,真空系统设计,东北大学第二期真空技术培训班讲义之五 2005.7.102005.7.13,主讲人：东北大学 王继常 副教授,之一：真空技术的历史、现在与将来 之二：真空工程理论基础 之三：科技论文的检索、撰写与发表 之四：清洁真空获得技术 之五：真空系统设计 之六：真空系统设计辅助软件的使用 之七：真空测量 之八：真空装置与系统的检漏 之九：大型真空装置的监测与故障诊断 之十：专家座谈 之十一：真空获得技术 之十二：现代表面与薄膜技术 之十三：真空材料与真空卫生 之十四：真空技术应用及计算实例,磁控溅射镀膜机,金属蒸汽真空弧源注入机,1.真空系统的组成 1.1 真空系统的概念 1.2 真空系
2、统的组成元件 1.3 真空系统示意图 1.4 高真空系统 1.5 真空系统设计的基本内容 2.真空技术基本方程 2.1 真空系统的最主要性能参数： 极限真空度、有效抽速 2.2 流导的定义 2.3 真空技术基本方程 2.4 真空技术基本方程在真空系统设计中的意义 3.真空系统的设计计算 3.1 主泵 3.2 配泵 3.3 储气罐和维持泵 3.4 真空系统设计中应该注意的问题 3.5 真空系统的典型形式 3.6 真空系统的结构设计 3.7 真空系统操作规则,课程内容,1.真空系统的组成,1.1 真空系统的概念 1.2 真空系统的组成元件 1.3 真空系统示意图 1.4 高真空系统 1.5 真空系
3、统设计的基本内容,1.1 真空系统的概念,什么是真空系统？ 用一句话来概括，真空系统就是用来获得有特定要求的真空度的抽气系统。,例如：镀膜设备真空系统； 真空热处理炉真空系统； 航空模拟器真空系统； 真空冶炼炉真空系统； 真空压力浸漆真空系统等等。,1.2 真空系统的组成元件,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。,1.3 真空系统示意图,一个要进行真空处理的容器,用管道和阀门将它与真空泵连 接起来,同时在 容器上设置真 空测量装
4、置,这 就构成了一个 最简单的真空 抽气系统。 （见图1）,1.4 高真空系统,图1系统只能获得较低的真空度,当要获得高真空度时,需要添加高真空泵。如扩散泵、分子泵。 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,以便高真空泵内部能单独保持真空。 若串联的高真空泵是一台油扩散泵,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。,高真空油扩散泵机组,1.5 的基本内容,真空系统设计的基本内容: 1、 根据被
5、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; 2、确定导管、阀门、捕集器、真空测量元件等,进行合理配置； 3、最后划出真空系统装配图和零部件图。,2.真空技术基本方程,2.1 真空系统的最主要性能参数： 极限真空度和有效抽速 2.2 流导的定义 2.3 真空技术基本方程 2.4 真空技术基本方程在真空系统设计中 的意义,2.1 真空系统的最主要性能参数： 极限真空度和有效抽速,真空系统的极限真空度 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 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
6、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。,2.2 流导的定义,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: 式中 C 管路的流导 ； Q 流经管路的气流量 ； P1、P2分别是管路的入口压力和出口 压力 Pa。,2.3 真空技术基本方程,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 a、b、c本质上是同一个方程,真空系统设计中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
7、真空技术基本方程。,2.4 真空技术基本方程在中的意义,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，此时有效抽速Se Sp 。说明为了充分发挥泵抽气作用,在设计管路时，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SeC,说明在这种情况下，选择多大的泵都没有用，都不能提高泵对容器的有效抽速。,3.真空系统的设计计算,3.1 主泵 3.2 配泵 3.3 储气罐和维持泵 3.4 真
8、空系统设计中应该注意的问题 3.5 真空系统的典型形式 3.6 真空系统的结构设计 3.7 真空系统操作规则,3.1 选主泵,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。 3.1.1 主泵的类型 确定主泵类型的依据: (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。各种真空泵的工作压强范围见图11。,(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
9、的性能及使用特点进行了解。 (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1.3310113.3Pa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1.33 101 Pa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
10、足于即适用又经济。,3.1.2 主泵抽速大小的确定 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 式中 Q 真空室中产生的总的气流量； Qg工艺过程中被熔炼或被处理的材料放 出的气流量，Pam/s； Q真空室内所用耐火保温材料的出气流 量， Pam/s；,Qf暴露于真空条件下的真空室内壁和所有 构件表面解析出来的气流量， Pam/s; Ql真空室外大气通过各密封连接处泄漏到 真空室内的气流量， Pam/s 。 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。,(2.)被抽容器所要求的
11、有效抽速的计算 设被抽容器内的最大排气流量为Q Pa m3 /s； 所要求的工作真空度为Pg Pa； 则被抽容器所要求的有效抽速Sey为,(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。通常按经验公式粗算主泵的抽速 式中 Ks 在真空室出口主泵的抽速损失系数,当主泵入口到真空室出口之间的管路中 不采用捕集器时,取Ks=1.31.4; 当采用捕集器时,取Ks=22.5。,主泵抽速S粗算出来后,按S值在真空泵的产品系列中选出符合粗算值S的主泵,设粗选出的主泵抽速为Sp。 (4) 验算主泵的抽速 根
12、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)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。,3.2 配泵,主泵选定之后,重要的问题是如何选配合适的前级泵和预抽泵。通常前级泵直接影响主泵的抽气性能,影响真空系统的抽气时间和经济效益。 配前级泵时应遵循如下几点规定: (1)前级泵应保证能及时排出主泵所排出的气体流量。 (2)前级泵在主泵(如扩散泵、油增
13、压泵、分子泵和罗茨泵)出口处造成的压强应低于主泵的最大排气压强。 (3)兼作预抽泵的前级泵应满足预抽时间的要求。,所配前级泵确定之后,即可按前级泵的入口尺寸选择前级管道阀和预抽管道阀,确定各部分连接管道的尺寸。根据以上的确定,可绘制出真空系统设计图。,几种典型主泵的配泵 (1)油蒸气流泵作为主泵 当选用油蒸气流泵作为主泵时,配前级泵的方法可以按经验标准所推荐的前级泵的大小来确定,见表4。,(2)分子泵作为主泵 分子泵作为主泵时,其抽气能力与前级泵的抽气能力有密切关系。分子泵的前级侧需要保持分子流状态,它才能稳定工作。为了保证分子泵前级侧处于分子流状态,通常按下式选取前级泵的抽速 式中 S1 分
14、子泵的抽速, m3 /s; S2 前级泵的抽速, m3 /s。,(3)罗茨泵作为主泵 罗茨泵作为主泵时,通常可用油封机械泵或水环泵作为罗茨泵的前级泵,前级泵的抽速可根据经验公式选取。 式中 S1 罗茨泵的抽速; S2 油封机械泵作为前级泵的抽速; Ss 水环泵作前级泵的抽速。,3.3 储气罐和维持泵,(1) 作用： 在前级泵停止工作时，能保证主泵处于正常工作状态。 (2) 使用场合： a.储气罐: 储气罐不能作得很大,它只能用在以扩散泵为主泵的小型系统上，或是某些较小应用设备,在其工艺过程中不允许有振动,即在工艺进行时必须停止前级泵的工作。 b.维持泵: 维持泵可用在大型主泵的系统上。,罗茨泵
15、旋片泵维持泵,储气罐的应用,3.4 真空系统设计中应该注意的问题,(1) 真空元件相互联接时，应尽量做到抽气管路短，流导大，导管直径一般不小于泵口直径，这是系统设计的一条重要原则。但同时要考虑到安装和检修方便。有时为了防振和减少噪音，可以将机械泵设置在靠近真空室的泵房内。 (2)机械泵(包括罗茨泵)有振动,为隔离振动，通常采用软管减振。软管有金属和非金属两种，均需保证在大气压力作用下不被压瘪。 (3)真空系统应便于测量与检漏。为了迅速找到漏孔，要进行分段检漏，因此每一个用阀门封闭的区间，至少要有一个测量点。,(4) 真空系统中配置的阀门和管道,应使系统抽气时间短,使用方便,安全可靠。 一般在有一个蒸气流泵作为主泵(扩散泵或油增压泵)；和一个机械泵作为前级泵的系统中，除了有前级管道(串联蒸气流泵和机械泵的管道)外，还应有一个预真空管道(真空室直通机械泵的管道)。 其次是在真空室和主泵之间设有高真空阀门(也称主阀),在前级管道上设有前级管道阀;在预真空管道上设置预真空管道阀。机械泵入口管道上,应设一个放气阀门,防止机械泵停泵时返油。真空室上也要设置放气阀门,给装料和取料时用。,(5)真空系统的设计应保证排气稳定可靠,安装拆卸维修容易,操作方便,各元件间的连
