第五章、真空系统设计,主要内容：,1、真空系统的组成 2、真空系统元件及连接 3、真空系统中常用材料 4、真空卫生 5、真空系统的设计计算,1、真空系统的组成,1.1真空技术系统图用图形符号：,Vacuum System Schematic Symbols,Hand Operated Valve. Gate Valve. Pneumatic Gate Valve. Leak Valve. Butterfly Valve. Pneumatic Butterfly. Bellows.,Sorption Trap. Vacuum Gauge. Rotary Pump Turbomolecular Pump. Ti Sublimation Pump. Ion Pump. Cryo Pump.,1.2 真空系统的构成 真空系统是由真空容器、获得真空、测量真空、控制真空等组件组成。 较完整的真空系统： 真空室 所需的真空泵或真空机组： 真空测量装置 连接导管 捕集器 真空阀门 其他真空元件及电气控制系统,将真空泵与相应的真空元件按其性能要求组合起来构成的抽气装置,低真空抽气机组特点：工作压强高、排气量大、抽速比高真空机组低。 中真空机组特点：大抽速、获得中真空 高真空机组特点：工作压强较低、排气小、抽速大 超高真空机组特点：工作压强极低、材料的出气率很小、漏气率很小、能高温烘烤,1.3 典型的真空系统,1、真空室，2、真空计，3、管道，4、阀门，5、机械泵。,1.4 真空系统的基本操作规测,启动油封机械泵时，首先保证转子方向正确、油位符合要求； 油封机械泵停止时，防止压差返油； 不要让机械泵工作到极限压强； 不要让油封机械泵在大气压强下或较高压强下长时间工作； 在扩散泵通大气之前，应将泵油冷却到安全温度，防止高温下油氧化； 高真空泵在工作之前，先要开启水冷； 使用电离计时，应在真空室压强低于1.3310-1Pa，才接通电离计； 真空系统停止工作时，应将系统内的各元件（包括真空室）都保持真空状态下封存，但机械泵要通大气；,2、真空系统元件及连接,真空元件: 真空室、真空泵、真空测量装置、连接导管、真空阀门、捕集器（阱）、除尘器、真空继电器 真空阀门 密封连接,2.1 真空阀门,真空阀门的作用： 开关气路 控制气流大小 定量充气。,阀门的开合,真空阀门的工作形式： 隔膜阀、球阀、蝶阀、插板阀、挡板阀、翻板阀、针阀、 超高真空阀、无油玻璃真空阀 电磁阀，手动阀、气动阀,典型的真空阀工作方式：,直角阀,直通阀,球阀,蝶阀,典型的真空阀工作方式：,直角阀,直通阀,球阀,蝶阀,可调流量控制器,漏阀（放气阀）,2.2 密封,密封材料,真空阀门的胶垫密封结构,正压强的O-ring密封,其它O-ring密封,快速接头组件,橡胶密封材料的基本要求 光华表面；无划伤；无裂纹；具有低的出气率、挥发率和透气率； 良好的耐热性、耐油性、抗老化能力、耐压缩形变（0.65）,真空阀门的金属垫密封,金属垫,各式金属嵌入密封,Materials Ag, In, Al, Au, Cu, Alloy,优点 放气远小于橡胶； 气体渗透低 耐高温 缺点 金属密封圈弹性差，需要很大的密封力才能保证可靠的真空密封 重复使用性很差，有些金属密封圈只能使用一次 法兰密封面和刀口的粗糙度和配合精度要求高，很小的伤痕都能破坏密封，大尺寸法兰加工困难。 密封圈和法兰材料的线膨胀系数相差较大，加热不均匀或密封结构设计得不正确，会引起局部变形而造成漏气,真空阀门的金属垫密封的优缺点,2.3 真空连接及密封,真空法兰（Vacuum Flanges)连接 动密封连接 引入接口（Fittings ） VCR、VCO、 NPT、快速接头、底板密封式（Baseplate）接头、测试用圆端口及软管接头 观察窗（Viewports）,穿通密封件 (Feedthroughs),穿通密封件是一种可以穿过真空腔壁来传输各种电功率、电信号、运动、运转、流体及光束等的密封器件。 电穿通密封件:电穿通密封件，包括各种不同规格的接口、耐压及载流指标。电穿通密封件主要分为以下四种：功率式，同轴信号式，热电偶式，陶瓷隔离式。 流体穿通密封件:传送液体或气体到真空腔室内的设备，目的通常是为了散热冷却，或提供动力给气动或液压驱动的装置。 传动式穿通密封件: 传动式穿通密封件是一种精密的操作装置，可用来移动或定位真空室内的物体。 光学式穿通密封件(Viewports)是安装在真空腔壁上的特定的玻璃窗口，其用途包括：可让操作员观察真空室内的操作过程；透过特定波长的光束进行物理或化学反应；测量在工艺中放射出来的光波或其他电磁波；或监控某特定波长的光学效应(椭圆偏光测量术)等。,磁流体 转轴,转动裝置,利用弯曲的伸缩管转动传送,线性传动,利用伸缩管进行倾斜操作,光学材料可选Kodial玻璃、石英、蓝宝石、特殊玻璃材料(例如硒化锌，氟化镁等)及有光学镀层的7980高纯熔融石英（专用于传输激光）。,3、真空卫生,4.1材料表面常见的污染形式 4.2 材料表面净化 4.3表面净化处理的基本方法 4.4 放电清洗 4.5气体冲洗 4.6 非金属材料的清洗 4.7清洗的基本程序 4.8清洗注意事项 4.9清洁零件的存放,3.1材料表面常见的污染形式,环境空气中的尘埃和抛光残渣及其它有机物等； 水基类:操作者的手汗、吹气时的水汽、唾液等； 表面氧化物：材料长期放置在空气中或放置在潮湿空气中所形成的表面氧化物； 酸、碱、盐类物质：清洗时的残余物质、手汗、水中的矿物质等； 油脂：加工、装配、操作时沾染上的润滑剂、切削液、真空油脂等。,3.2 材料表面净化,表面净化：在真空工艺进行前，先从工件或系统材料表面清除所不期望的物质的过程 净化的目的：为了改进真空系统中所有器壁和其他组件表面在各工作条件下的工作稳定性 清洁表面的分类：原子级清洁表面；工艺技术上的清洁表面。,3.3表面净化处理的基本方法,溶剂清洗（最普遍） 软化水或含水系统；无水有机溶剂；石油分馏物；乳状液或溶剂蒸气；金属清洗剂 超生清洗（清除较强粘附污染） 蒸气脱脂清洗（简单、大批量） 清除基片表面油脂膜和类油脂膜等氢化物 电解侵蚀清洗 缩短侵蚀时间，减少溶液的消耗量 加热和辐照清洗 将工件放置于常压或真空中加热，促使表面上的挥发杂质蒸发来达到清洗的目的。,3.4 放电清洗,应用于高真空、超高真空系统的清洗除气。,3.5 气体冲洗,氮气冲洗：在系统中通入干燥的氮气，因为氮气在材料表面吸附时，吸附热小，吸留时间短。,3.6 非金属材料的清洗,玻璃陶瓷的清洗 溶剂清洗 塑料与橡胶的清洗 特殊清洗,污染物的确定 清洗方法的确定 清洗溶剂的选择,3.7 涤清洗的基本程序,3.8 清洗注意事项,有序操作,3.9 清洁零件的存放,尽可能缩短暴露大气； 储存容器必须与零件一样清洁； 已净化的零件严禁用手触摸。,4、真空系统的设计计算,4.1 气体负荷的计算 真空室内总气体负荷 漏气流量的计算 放气流量的计算 方法 渗透气体流量的计算 工艺工程中真空室内产生的气体流量的计算 4.2 抽气时间和压强的计算 低真空抽气时间的计算 高真空抽气时间的计算 真空室的极限压强 真空室的工作压强 抽气过程中真空室的压强,4.3真空泵的选择与匹配计算 主泵的选择与计算 前级真空泵(预抽泵)的选择与计算 4.4 真空系统的结构设计 4.5 真空系统的安装调试与操作维护,4、真空系统的设计计算,事例:,设计一台有油真空系统。真空室的直径为100cm容积为V1.5m3，内表面积为7.5m2。真空室材料为不锈钢 1小时后的出气率为2.310-5 Pa.L/(s.cm2)， 2时后的出气率为1.510-5PaL(s.cm2)。 真空室工作压强为p1.310-3Pa， 真空室工艺过程中放出的气体量Q11.3 PaL/s， 系统的总漏气量Q26.710-1 PaL/s； 被抽气体为20C干燥空气； 返流油蒸汽对工艺过程有害。,计算过程,确定真空室中保持1.310-3Pa的工作压强所需要的真空系统的有效抽速S 根据要求的工作压强及使用要求，选油扩散泵作为主泵 计算扩散泵与真空室排气口间管路的流导，验证选K-600型扩散泵是否合适。 计算前级泵真空管路 计算抽气时间,确定真空室中保持1.310-3Pa的工作压强所需要的真空系统的有效抽速S,为了可靠起见，增大20% 取：3388L/s,根据要求的工作压强及使用要求，选油扩散泵作为主泵,山型挡板+高真空挡板阀； 一般泵的有效抽速约为泵的抽速的三分子一； 选抽速为10000L/s的扩散泵（K-600）试算；,主要考虑管道3，阀门4、挡板5的流导； 确定气体流动状态：当真空室达到1.310-3 Pa压强时，平均压强为：,分子流,计算总流导C,计算扩散泵的抽速SP,分子流,计算前级泵真空管路,在2.7*10-2Pa下，扩散泵的最大排气量为：,前级泵的抽速不得低于：,前级管道的平均压强：,粘滞流,通常将Sp增大1.53倍，选泵。,2X-30型机械泵,计算抽气时间,忽略管道的容积，利用2X-30型机械泵从大气抽到13.3Pa， 其抽速为30L/s,粗抽时间不大于1030分钟，故可行,13.3Pa1.3*10-3的抽气时间 考虑出气影响，一小时后的出气量 可见高真只要1小时就可达到。,