真空系统组成与设计基础

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1、真空系统组成 与设计基础,主讲人：,真空技术,一. 真空技术概况 （杨乃恒） 二. 真空工程理论基础 （张世伟） 三. 真空系统组成与设计基础 （刘坤） 四. 干式真空泵原理与技术基础 （巴德纯） 五. 真空获得设备原理与技术基础 （张以忱） 六. 真空镀膜技术基础 （张以忱） 七. 真空测量技术基础 （刘玉岱） 八. 质谱原理与真空检漏 （刘玉岱） 九. 真空冶金技术基础 （王晓冬） 十. 真空设备选型的方法与实践 （徐成海）,东北大学第七期,培训系列之,1.真空系统的组成2.真空系统组成元件3.真空系统的设计计算,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

2、 1.3真空系统的分类 1.4真空系统设计的基本内容,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。,马德堡半球实验,Magdeburg-spheres Experiment,用两个直径119厘米的半球合起来，用水银真空泵将球内空气抽至粗真空，每个半球用8匹马才能向相反方向拉开。,真空电炉：真空电炉是在最近几十年发展起来的，在真空条件（稀薄气体中）工作的。根据加热热源不同，真空电炉可分为：电阻加热炉 感应加热炉 电弧加热

3、炉 电子束加热炉,真空电子束焊接：定向高速运动的电子束流撞击工件使动能转化为热能而使工件熔化，形成焊缝,多功能离子注入设备,金属蒸汽真空弧源注入机,真空吹氧脱碳炉,非自耗电弧炉,离子注入： 真空中一束离子束射向固体材料，把固体材料原子或分子撞出材料表面，叫做溅射； 离子束从固体材料表面弹回来，或穿出固体材料而去，叫做散射； 而当离子束射到固体材料后，受固体材料抵抗速度慢慢减低，并最终停留在固体材料中，叫做离子注入。 离子注入引起材料表面成分、结构和性能变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能特点：无公害、不改变尺寸和表面光洁度、无剥落、不需再加工和热处理。,真空热处理： 真空热处理是

4、真空技术与热处理技术相结合的新型热处理技术，即在低于一个大气压的气氛环境中进行热处理，真空热处理实际也属于气氛控制热处理。 真空热处理可以实现几乎所有的常规热处理所能涉及的热处理工艺，但热处理质量大大提高。无氧化、无脱碳、无毒害物质产生；变形小、硬度均匀；脱脂除气，可获得洁净表面。,光学镀膜机,幕墙玻璃,相机镜头,哈勃太空望远镜,磁控溅射与离子束联合镀膜机,用于对样品表面或断口形貌进行观察和分析,扫描电子显微镜：用细聚焦电子束轰击样品表面，电子与样品相互作用产生二次电子、背散射电子等。,扫描电子显微镜,近场光学显微镜,X射线光电子能谱仪,扫描近场光学显微镜 多模式扫描探针显微镜,气动真空输运设

5、备,带式真空压榨过滤机,差压型真空注型机,真空压力浸渍设备,国内第一台千瓦量级的氦制冷系统,大型真空热实验设备,模拟舱中的神州飞船,Vacuum Environment Simulation,真空度的提高（极高真空10-12Pa）和真空容器大型化（例如宇航的微重力试验的真空系统真空室1700m3），今后新的尖端科学技术的发展对此要有所考虑。,空间环境模拟室,Want of Manufacturing of semiconductor Industry,液晶显示器,大规模 集成电路,半导体工业需要清洁的环境,真空集便器与真空除污机,“象鼻”真空吸尘机,真空硬地垃圾清洁机,典型高真空系统,前级泵

6、主 泵 高真空管路 主 阀 预真空抽气泵 预真空管路 预真空管道阀 前级管路 前级管道阀 软连接管道,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。,图3 典型真空系统原理图,1真空室充气阀；2真空测量规管；3流量调节阀；4高真空阀；5冷阱；6油扩散泵；7储气罐；8热偶计规管（测扩散泵前级压力）9前级阀；10真空膜盒继电器；11预抽阀；12罗茨泵；13、14机械泵 （其中一台可兼维持泵）； 15旁通阀；,1真空室 2放气

7、阀 3电离真空计 4热偶真空计 5高真空阀6冷阱 7扩散泵 8前级真空阀 9电磁真空阀 10机械泵 11管道阀,图4 典型真空系统原理图,1.3真空系统的分类,1.3.1 粗低真空系统 1.3.2 中真空系统 1.3.3 高真空系统 1.3.4 超高真空系统,1.3.1 粗低真空系统,用粗真空泵（如水蒸汽喷射泵或水环泵）直接从大气压下为真空室排气，组成的真空系统即为粗真空系统。该系统是最简单的真空系统。 用低真空泵（如油封式机械泵）给真空室排气，即可组成低真空系统。 应用领域很多： 真空传输：煤矿抽瓦斯、化工、制药、医学、畜牧业等 真空造型 真空吸盘 真空包装,真空系统示意图,一个要进行真空处

8、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置,这就构成了一个最简单的真空抽气系统。,真空集便器与真空除污机,1.3.2 中真空系统,这种系统应用比较普遍，许多应用设备都采用该种系统。如自耗炉真空系统，感应炉真空系统和一些热处理炉的真空系统等。中真空系统一般是由两个以上的泵串联组成的。,下面介绍几种系统: 只用机械泵给真空室排气，系统比较简单，在低真空范围内，真空度低于1.3310-1Pa。 油增压泵(主泵)串联机械泵(前级泵)工作压强范围:1.331.3310-1Pa。优点:抽气能力大，系统简单，振动小，工作稳定可靠，维修方便，成本低。缺点:预抽时间长(同罗茨泵系统

9、比较)，工作中需要较贵重的增压泵油。下图为采用油增压泵(主泵)串联机械泵(前级泵)的真空感应熔炼炉的真空系统。,真空感应熔炼炉,罗茨泵串联机械泵工作压强范围：1.331333Pa。优点：预抽气时间短。缺点：工作时有振动,且噪音大;工作中随时间增加,罗茨泵性能下降。,罗茨泵串联机械泵,罗茨泵串联小型罗茨泵(中间泵),再串联机械泵工作压强范围：0.1331333Pa。优点：工作压强范围大,工作真空度高。,以油增压泵和罗茨泵为主泵,两个泵出口串联罗茨泵,再串联机械泵工作压强范围：0.1331333Pa。优点：具有罗茨泵系统和油增压泵系统的双重特点。,罗茨水环泵机组,除了上述几种之外,还有油增压泵串联

10、罗茨泵,再串联机械泵的真空系统，以及罗茨泵串联水环泵的真空系统,它适合于排出灰尘较多的应用设备上。,1.3.3 高真空系统,这种系统应用也比较广泛。它的工作压强范围在6.6710-26.6710-5Pa。如镀膜机、电子轰击炉和部分电阻炉等都采用高真空系统。,高真空抽气系统工作流程图,主阀,预抽阀,几种典型高真空系统,扩散泵串联机械泵应用范围：一般用在工作时放气量较小的应用设备上。优点：结构简单,工作可靠,成本低。缺点：系统起动慢,预抽气时间长。扩散泵油蒸气容易返流到真空室中去。,扩散泵串联旋片泵,扩散泵串联油增压泵,再串联机械泵该系统起动慢，由于有中间油增压泵存在,故预抽气时间短些。 扩散泵串

11、联罗茨泵,再串联机械泵系统起动慢,但预抽气时间短(因为中间有罗茨泵)。,以油增压泵和扩散泵等两套主泵,分别串联罗茨泵+机械泵和滑阀泵,1.3.4 超高真空系统,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。 几种典型超高真空系统 用扩散泵和钛泵并联为主泵,扩散泵单独串联前级机械泵可以达到极限真空度为1.3310-6Pa。,钠灯超高真空封接炉的系统,扩散泵串联扩散泵(中间泵),再串联机械泵该系统的特点是能获得超高真空,并能稳定工作。,右图为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

12、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。,主泵为分子泵串联机械泵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。,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)，或用钛泵联接预真空机械泵，在机械泵的入口管道上加油蒸气捕集器。,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。,1.4 真空系统设计的基本内容,真空系统设计的基本内容:1、 根据被抽容器对真空度的要求,选择

13、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。,1.真空系统的组成2.真空系统组成元件3.真空系统的设计计算,课程内容,2 真空系统元件及连接,2.1 真空阀门 2.2 捕集器（阱） 2.3 除尘器 2.4 真空继电器 2.5 可拆卸密封连接 2.6 运动导入与动密封连接 2.7 引入接口,2.1 真空阀门,2.1.1 真空阀的分类与型号 2.1.2 真空阀门的工作型式 2.1.3 阀门密封结构与密封力计算,2.1.1 真空阀的分类与型号,真空阀门：在真空系统中，用来改变气流方向，调节气流量大小，切断或

14、接通管路的真空系统元件。真空阀门的型号编制方法国家专业标准作了规定,可查阅有关标准。,真空阀门在真空系统中的作用,开关气路控制气流大小， 调节真空度定量充气,表1 真空阀门的分类,真空阀门的型号是按如下顺序和内容确定的 基本型号 辅助型号 各符号所采用的字母及代表意义见表13-2。,表2 真空阀门的型号,2.1.2 真空阀门的工作型式,1 隔膜阀 2 真空球阀 3 真空蝶阀 4 插板阀 5 挡板阀,6 翻板阀 7 电磁阀 8 针阀 9 超高真空阀 10 无油玻璃真空阀,1 隔膜阀,如图,转动手轮可带动阀杆上、下移动,使隔膜离开阀座打开阀门或使隔膜紧压在阀座上关闭阀门。 此种阀门如采用丁晴橡胶隔

15、膜,适用于前级和预抽管道上及温度为-2580的非腐蚀性气体。如采用氟橡胶隔膜,可用于高真空系统,使用温度范围为-30150。,隔膜式真空阀是利用阀杆将弹性体薄膜紧压在阀座上用来隔断气路。,2 真空球阀,图4所示是真空球阀的结构。 该阀中的密封机构是由两个环状弹性体紧压于一个金属球表面构成。金属球上有一个大穿孔,借助于手柄转动金属球使穿孔改变方向,即可接通或切断气路。金属球轴杆与阀体间的密封采用O形密封圈密封。,3 真空蝶阀,蝶阀的结构比较简单,如图5所示。 阀板的边缘上嵌有O形密封圈,阀板靠螺栓固定在传动轴阀杆上,使阀杆带动阀板转动,当阀板上的密封圈与阀体紧密接触时即实现了阀门的关闭,从关闭位

16、置、阀板再转动90时,阀门即完全打开,该种阀门的主要优点是体积小,结构简单。,4 插板阀,图6和图7是插板阀的两种结构型式。弹性体密封圈是嵌在阀体上。转动手柄即可打开或关闭阀门。 图6的插板阀关闭时是靠限位块的斜面压紧阀盖,进而压紧密封圈。 图7的插板阀是靠链板压紧实现阀口密封。,手动,电动,气动,5 挡板阀,图8是一种挡板阀的结构。该阀通过阀盖的开启和压下来实现管路的接通和截止。,6 翻板阀,图9、10、11是三种不同结构的真空翻板阀。它们都是用压缩空气为动力源。在阀门打开或关闭的过程中,阀板的运动有一个翻转过程,能翻转一个角度。,图9的结构,阀盖的翻转靠四连杆机构实现,阀盖能实现90翻转。,在图10的结构中,靠滚轮将阀盖挡翻,在这种结构的阀门中,阀盖不能翻转90。,