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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 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 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。,
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