真空系统的设计计算

真 空 系 统 的 设 计 计 算真空系统设计之七 2 真 空 系 统 的 设 计 计 算l 1.设 计 概 述 -真 空 系 统 的 设 计 问 题l 2.选 泵 和 配 泵 2.1 选 主 泵 2.2 配 泵l 3.储 气 罐 和 维 持 泵l 4.真 空 系 统 的 典 型 形 式l 5.真 空 系 统 的 结 构 设 计l 6.真 空 系 统 操 作 规 则l 7.真 空 系 统 设 计 算 例 3 1 设 计 概 述1.1 真 空 系 统 设 计 的 已 知 条 件 ： 在 进 行 某 个 特 定 的 真 空 系 统 设 计 时 ， 通 常 把 真空 室 做 为 已 知 的 被 抽 容 器 。l 真 空 室 的 已 知 参 数 真 空 室 容 积 ； 暴 露 在 真 空 条 件 下 的 表 面 积 （ 与材 料 和 放 气 率 有 关 ） ； 真 空 室 漏 气 率 ； 真 空 室所 要 求 的 极 限 真 空 度 、 工 作 真 空 度 和 抽 气 时 间（ 预 抽 时 间 和 抽 极 限 时 间 ） 等 。l 真 空 室 的 气 源 情 况 真 空 室 内 的 大 气 。 真 空 室 内 的 表 面 放 气 ， 即 表 面 解 析 气 体 ， 放 气量 与 材 料 种 类 、 温 度 、 压 强 和 抽 气 时 间 等 因 素有 关 。 4 真 空 室 的 漏 气 ,即 主 要 通 过 静 密 封 和 动 密 封 泄漏 的 气 体 量 ,一 般 用 压 力 增 长 率 即 升 压 率 表 示 . 耐 火 保 温 材 料 的 放 气 ,与 材 料 种 类 和 用 量 有 关 . 工 艺 过 程 中 被 处 理 材 料 的 放 气 ， 该 放 气 量 往 往是 真 空 排 气 系 统 的 主 要 气 体 负 荷 ， 主 要 由 如 下过 程 产 生 ：p 溶 解 在 金 属 的 气 体 直 接 排 出 。p 化 学 反 应 生 成 气 体 化 合 物 排 出 。p 化 合 物 分 解 产 生 的 气 体 排 出 。p 为 控 制 工 艺 而 引 入 的 气 体 也 需 要 排 出 。 真 空 室 内 材 料 放 气 的 计 算 比 较 复 杂 ， 目 前 还 不能 精 确 计 算 ， 可 以 根 据 实 验 值 近 似 计 算 。 5 l 真 空 室 内 的 特 殊 要 求 有 些 工 艺 过 程 可 能 产 生 灰 尘 、 金 属 喷 溅 、 爆 炸性 或 腐 蚀 性 气 体 、 水 蒸 气 等 ， 所 以 ， 是 否 要 求无 油 、 无 振 动 等 都 要 特 殊 提 出 来 。1.2 真 空 系 统 设 计 的 一 般 程 序 ：l 真 空 室 内 总 气 体 负 荷 的 计 算 。l 确 定 真 空 室 所 需 要 的 有 效 抽 速 。l 粗 选 主 泵 、 粗 配 前 级 泵 。l 根 据 要 求 选 择 阀 门 、 捕 集 器 等 真 空 元 件 。l 绘 制 真 空 系 统 装 配 草 图 ， 确 定 各 部 分 尺 寸 。l 精 算 真 空 系 统 ， 以 验 证 设 计 目 标 得 到 满 足 。 l 设 计 工 程 图 。 以 上 程 序 是 真 空 系 统 设 计 的 一 般 程 序 。 6 1.3真 空 系 统 设 计 中 应 该 注 意 的 问 题 ：l 真 空 元 件 相 互 联 接 时 ,应 尽 量 作 到 抽 气 管 路 短 ,管 道 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 ,允 许 机 械 泵 设 置 在 靠 近 真 空 室 的 泵 房 内 。l 机 械 泵 (包 括 罗 茨 泵 )有 振 动 ,要 防 止 振 动 波 及 整个 系 统 ,通 常 用 软 管 减 振 。 软 管 有 金 属 和 非 金属 的 两 种 ,不 论 采 用 那 种 软 管 要 保 证 在 大 气 压力 作 用 下 不 被 压 瘪 。l 真 空 系 统 建 成 后 ,应 便 于 测 量 和 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 。 7 l 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 。 通 常 在 一 个 蒸 气 流 泵 (扩 散 泵 或 油 增 压 泵 )作 为 主泵 和 一 个 机 械 泵 作 为 前 级 泵 的 系 统 上 ,除 了 有 前级 管 道 (蒸 气 流 泵 串 联 机 械 泵 的 管 道 )外 ,还 应 有一 个 预 抽 管 道 (真 空 室 直 通 机 械 泵 的 管 道 )； 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 抽 管 道 阀 (均 称 低 真 空 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 便 装 料 和 取 料 时打 开 室 门 。 8 l 测 量 真 空 度 的 规 管 位 置 要 避 开 带 有 水 套 的 壳 体， 因 为 其 焊 接 工 艺 性 差 ， 规 管 可 以 上 下 直 立 的设 置 在 主 泵 的 入 口 管 道 上 ， 不 要 横 放 。l 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 接 有 互 换 性 .l 应 努 力 做 到 自 动 控 制 和 联 锁 保 护 以 保 证 系 统 安全 可 靠 。l 真 空 系 统 设 计 中 要 求 做 到 节 省 能 源 ,降 低 成 本 。 9 2 选 泵 与 配 泵l 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 ;前 级 泵 则 在 主 泵 出 口 处 造 成 始 终低 于 主 泵 临 界 前 级 压 力 的 真 空 度 ;而 所 说 的 预 抽泵 是 为 了 使 被 抽 容 器 能 从 大 气 压 很 快 的 抽 到 主泵 能 够 开 启 的 工 作 压 力 而 设 置 的 ,一 般 前 级 泵 同时 兼 做 预 抽 泵 。2.1 选 主 泵 即 选 择 主 泵 类 型 和 确 定 主 泵 抽 速 大 小2.1.1 主 泵 类 型 的 确 定 ： 确 定 主 泵 类 型 的 依 据 :l 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 要 求的 极 限 真 空 度 (如 高 半 个 数 量 级 )。 另 外 ,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 工 作 压 强 范 围 见 图 11。 10 11 l 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 来 确 定 主 泵 的 类 型 ,为此 ,应 了 解 各 种 真 空 泵 性 能 及 使 用 特 点 (P135)。l 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 。 12 13 l 由 图 中 的 曲 线 可 见 ,在 1.33 10 1 13.3Pa的 压强 范 围 内 ,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 10 1 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 足 于 即 适 用 又 经济 。 14 2.1.2 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 。l 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 , Pam /s; 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; 15 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 。 16 Qg的 计 算 就 真 空 熔 炼 来 说 ， Qg的 计 算 是 以 实 验 数 据 为 基础 进 行 的 。 式 中 q1 被 熔 炼 或 被 处 理 材 料 单 位 质 量 的 含 气 量 在 标 准 状 态 下 的 体 积 ,m3/kg; G 被 熔 炼 或 处 理 材 料 的 总 质 量 ,kg; Pd 标 准 大 气 压 , 101325Pa; b 排 气 程 度 ,表 示 一 次 熔 炼 或 处 理 所 排 出 的 气 体 占 总 含 气 量 的 百 分 比 ; 17 n 材 料 在 熔 炼 或 处 理 时 放 气 的 不 均 匀 系 数 见 表 3; t 材 料 被 熔 炼 或 处 理 的 时 间 ,s; 18 当 给 出 材 料 在 熔 炼 或 处 理 前 后 化 学 成 分 的 变 化时 用 下 式 计 算式 中 熔 炼 速 度 ,kg/min; C、 N、 H 碳 元 素 、 氮 无 素 和 氢 元 素 在 熔 炼 前 后 的减 少 量 占 原 含 量 的 百 分 比 。 N、 H的 减 少 都 生 成 了 氢 气 或 氮 气 逸 出 ， 直接 构 成 气 体 负 荷 ； O的 减 少 除 生 成 CO外 还 可 能生 成 金 属 氧 化 物 ， 故 用 C取 值 而 不 用 氧 取 值 。 19 Qn的 计 算 某 些 真 空 设 备 真 空 室 内 要 求 加 热 到 较 高 温 度 ,为节 省 功 率 ,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 下 式 :式 中 : qn 耐 火 保 温 材 料 单 位 体 积 放 气 在 标 准 状 态 下 的 体 积 ,m3/ m3; Vn 所 用 耐 火 材 料 的 体 积 , m3; P d 标 准 大 气 压 ,Pa; t 耐 火 保 温 材 料 被 加 热 的 时 间 ,s; 20 Qf的 计 算 暴 露 于 真 空 下 各 种 构 件 材 料 表 面 的 放 气 流 量 用下 式 计 算 :式 中 : q1i 第 i种 材 料 单 位 表 面 积 的 出 气 速 率 ,Pa m3 /(m2s) (一 般 用 抽 空 一 小 时 的 放 气 速 率 数 据 ); A i 第 i种 材 料 暴 露 于 真 空 条 件 下 的 表 面 积 ,m2 ; 21 Ql的 计 算 漏 气 流 量 通 常 采 用 真 空 室 内 允 许 的 压 力 增 长 率（ 升 压 率 ） P/ t来 计 算 。 Ql= （ P/ t） V P/ t - 升 压 率 ,Pa/s; V - 真 空 室 容 积 ,m3; 计 算 某 一 种 确 定 设 备 的 总 排 气 流 量 时 ,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 Q n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 。 22 l 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 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 23 l 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 ,所 以 ,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=1.3 1.4; 当 采 用 捕 集 器 时 ,取 Ks=2 2.5。 24 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。l 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 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 。 25 2.2 配 泵l 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 : 前 级 泵 应 保 证 能 及 时 排 出 主 泵 所 排 出 的 气 体 流量 。 前 级 泵 在 主 泵 (如 扩 散 泵 、 油 增 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 。 兼 作 预 抽 泵 的 前 级 泵 应 满 足 预 抽 时 间 的 要 求 。 26 由 于 主 泵 的 特 性 不 同 ,配 泵 可 分 为 两 种 情 况 :一种 是 主 泵 需 要 配 前 级 泵 ;另 一 种 是 主 泵 只 需 要 配预 真 空 泵 ,而 不 需 要 配 前 级 泵 。 2.2.1 主 泵 需 要 匹 配 的 前 级 泵 的 计 算l 油 蒸 气 流 泵 做 为 主 泵 时 的 配 泵 计 算 ： 该 种 泵 工 作 时 需 要 前 级 泵 始 终 保 持 其 出 口 压 力低 于 其 最 大 排 气 压 强 。 油 扩 散 泵 的 最 大 排 气 压强 为 26-40Pa;油 增 压 泵 的 最 大 排 气 压 力 为 130-260Pa。 由 于 前 级 管 道 及 其 流 导 未 知 ， 应 先 按 经 验 公 式粗 算 ， 然 后 待 管 道 设 计 完 成 后 ， 计 算 相 应 的 流导 后 验 算 。 27 主 泵 出 口 QMAX、 PMAX Se2 QMAX/PMAX 主 泵 出 口 有 效 抽 速 Se2 S2 (1.11-1.25) Se2 前 级 管 道 流 导 C 机 械 泵 入 口 抽 速 S2 Sp (1.5-3) S2 机 械 泵 名 义 抽 速 Sp 在 选 择 机 械 泵 名 义 抽 速 时 ， 系 数 的 选 取 根 据 主泵 的 种 类 和 前 级 泵 的 级 数 来 确 定 。 前 级 为 单 级泵 取 大 值 ， 双 级 时 可 取 小 值 ； 主 泵 时 扩 散 泵 时取 大 值 ， 油 增 压 泵 时 可 取 小 值 。 28 当 选 用 油 蒸 气 流 泵 作 为 主 泵 时 ,配 前 级 泵 的 方 法也 可 以 按 经 验 标 准 所 推 荐 的 前 级 泵 的 大 小 来 确定 ,见 表 4。 29 l 主 泵 为 分 子 泵 时 的 配 泵 计 算 ： 分 子 泵 作 为 主 泵 时 ,其 抽 气 能 力 与 前 级 泵 的 抽 气能 力 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 子 泵 的 抽 速 , m3 /s; S 2 前 级 泵 的 抽 速 , m3 /s。 30 l 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 ; S 2 油 封 机 械 泵 作 为 前 级 泵 的 抽 速 ; Ss 水 环 泵 作 前 级 泵 的 抽 速 。 31 2.2.1 主 泵 只 需 预 真 空 环 境 的 预 抽 泵 计 算 以 上 介 绍 的 几 种 泵 一 般 都 要 求 预 真 空 环 境 才 能启 动 ， 一 般 扩 散 泵 预 备 真 空 为 6.7Pa,油 增 压 泵 为13Pa,罗 茨 泵 为 1330Pa,分 子 泵 为 1.3 10-1Pa，所 以 ， 需 要 配 置 预 真 空 泵 。 有 些 泵 如 钛 泵 和 低 温 泵 不 需 要 前 级 泵 ， 但 需 要预 真 空 泵 先 抽 到 预 备 真 空 才 能 工 作 ， 如 钛 泵 的预 备 真 空 度 为 1.33 10-2-6.7 10-1Pa， 低 温 泵为 1.33Pa。 所 以 ， 需 要 进 行 预 抽 泵 的 计 算 。 32 预 抽 泵 的 计 算 主 要 是 考 虑 所 要 求 预 真 空 的 抽气 时 间 和 预 备 真 空 度 。VeS 1Pt -预 抽 泵 对 真 空 室 出 口 的 有 效 抽 速 ； -真 空 室 的 容 积 ； -抽 空 到 预 备 真 空 度 所 要 求 的 时 间 ； -抽 气 开 始 时 真 空 室 内 的 压 强 ； -所 要 求 达 到 的 预 备 真 空 度 ； -真 空 室 极 限 压 强 。 2PuP 此 外 ， 还 要 考 虑 预 抽 管 道 流 导 的 影 响 来 配 置预 抽 泵 ； 对 于 前 级 泵 兼 做 预 抽 泵 的 情 况 应 同时 满 足 前 级 泵 和 预 抽 泵 的 要 求 。 33 3 储 气 罐 和 维 持 泵l 储 气 罐 和 维 持 泵 的 作 用 ： 在 前 级 泵 停 止 工 作 时 ， 排 除 主 泵 内 气 体 ， 保证 主 泵 出 口 处 压 力 在 许 可 范 围 内 。 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 上 ,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 。 而 维 持 泵 可 用 在 大 型 主 泵 的 系 统 上 。 34 l 储 气 罐 的 计 算 ： 用 于 防 振 目 的 的 储 气 罐 ： -需 要 的 储 气 罐 容 积 ； -前 级 泵 需 要 的 停 机 时 间 ； -主 泵 在 真 空 室 出 口 处 的 有 效 抽 速 ； -真 空 室 的 工 作 真 空 度 ； -扩 散 泵 最 大 排 气 压 强 与 正 常 工 作 出 口 压 强 的 差 。 V eS gPt 35 用 于 节 能 和 缩 短 工 作 周 期 的 储 气 罐 ： 此 时 进 入 储 气 罐 的 气 体 来 源 为 扩 散 泵 入 口 前 高真 空 阀 到 出 口 后 前 级 管 道 阀 间 的 漏 气 量 QL和 表面 放 气 量 QF。 36 l 维 持 泵 的 计 算 ： 一 般 维 持 泵 的 类 型 与 前 级 机 械 泵 相 同 。 如 果 前级 泵 的 抽 速 为 S2， 按 经 验 维 持 泵 的 抽 速 S3为 ： 精 确 计 算 的 方 法 是 维 持 泵 管 道 入 口 的 有 效 抽 速应 保 证 高 真 空 阀 与 前 级 管 道 阀 间 漏 气 量 与 放 气量 被 及 时 抽 走 ， 保 证 蒸 气 流 泵 出 口 压 力 在 许 可范 围 内 。 37 4 真 空 系 统 的 典 型 形 式4.1 真 空 系 统 分 类l 按 真 空 系 统 工 作 真 空 度 的 高 低 划 分 ： 国 标 GB3163-82规 定 ： 低 真 空 系 统 ： 105-102 Pa; 中 真 空 系 统 ： 102-10-1 Pa; 高 真 空 系 统 ： 10-1-10-5 Pa; 超 高 真 空 系 统 ： 10-5 Pa以 下 ; 真 空 理 论 工 作 者 推 荐 划 分 ： 粗 真 空 系 统 ： 1330 Pa以 上 ; 低 真 空 系 统 ： 1330-0.13 Pa; 高 真 空 系 统 ： 0.13-1.3 10-6 Pa; 超 高 真 空 系 统 ： 1.3 10-6-1.3 10-11 Pa ; 极 高 真 空 系 统 ： 1.3 10-11 Pa以 下 ; 38 l 按 真 空 系 统 工 作 的 清 洁 程 度 可 分 为 有 油 真 空 系统 (真 空 室 有 油 蒸 气 污 染 的 )和 无 油 真 空 系 统 (真空 室 无 油 蒸 气 污 染 的 )。l 按 真 空 系 统 的 结 构 材 料 可 分 为 玻 璃 真 空 系 统 (除 了 机 械 真 空 泵 以 外 全 由 玻 璃 制 成 )和 金 属 真空 系 统 。 在 实 际 应 用 中 ,人 们 往 往 把 上 述 不 同 的 分 类 加 以综 合 ,称 为 “ 大 型 动 态 金 属 高 真 空 系 统 ” 、 “ 无油 超 高 真 空 系 统 ” 、 “ 玻 璃 高 真 空 系 统 ” 等 等。 39 4.2 典 型 的 真 空 系 统 形 式l 粗 真 空 系 统 :用 水 蒸 气 喷 射 泵 或 水 环 泵 直 接 给 真空 室 排 气 即 组 成 了 粗 真 空 系 统 。l 低 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 。 低 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 : 机 械 泵 ： 只 用 机 械 泵 给 真 空 室 排 气 即 属 于 最 简单 的 低 真 空 系 统 ， 系 统 比 较 简 单 。 40 油 增 压 泵 串 联 机 械 泵 工 作 压 强 范 围 :1.33 1.33 10-1Pa。 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 :启 动 慢 ， 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 。 41 真 空 感 应 熔 炼 炉 42 罗 茨 泵 串 联 机 械 泵 工 作 压 强 范 围 :1.33 1330Pa。 优 点 :抽 气 能 力 大 ， 启 动 快 ， 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 （ 压 强 降 低 ） ,罗 茨 泵 性 能 下 降 。 图 14为 一 实 例 ， 另 外 在 图 14后 又 给 出 了 一 罗 茨泵 串 联 滑 阀 泵 的 机 组 。 43 44 罗茨泵串联滑阀泵机组 45 罗 茨 泵 串 联 小 型 罗 茨 泵 再 串 联 机 械 泵 工 作 压 强 范 围 :0.133 1333Pa。 优 点 :工 作 压 强 范 围 大 ， 工 作 真 空 度 高 。 中 间 小型 罗 茨 泵 减 小 了 主 罗 茨 泵 对 前 级 机 械 泵 的 依 赖性 ， 压 缩 比 的 减 小 加 宽 了 工 作 压 强 范 围 且 提 高了 极 限 真 空 度 。 下 图 为 一 实 列 46 罗 茨 泵 串 联 小 型 罗 茨 泵 (中 间 泵 ),再 串 联 机 械 泵 47 油 增 压 泵 和 罗 茨 泵 并 联 为 主 泵 ， 两 泵 出 口 串 联罗 茨 泵 ， 再 串 联 机 械 泵 工 作 压 强 范 围 :0.133 1333Pa。 优 点 :有 罗 茨 泵 系 统 和 油 增 压 泵 系 统 的 双 重 特 点 图 15实 例 被 称 为 真 空 自 耗 炉 的 典 型 系 统 ， 对 熔炼 钛 合 金 具 有 突 出 优 点 。 48 49 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 。 50 l 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 6.67 10-2 1.33 10-3Pa。 如 镀 膜 机 、 电 子轰 击 炉 和 部 分 电 阻 炉 等 都 采 用 高 真 空 系 统 。 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 。 下 图 为 扩 散 泵 串 联 滑 阀 泵 机 组 51 扩散泵串联滑阀泵 52 扩 散 泵 串 联 油 增 压 泵 ,再 串 联 机 械 泵 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 , 因 为 中 间 有 罗 茨 泵 存 在 ， 故 预 抽气 时 间 短 些 。 以 下 是 高 真 空 系 统 实 例 （ 图 16） 和 一 个 扩 散 泵串 联 罗 茨 泵 和 滑 阀 泵 机 组 53 54 扩散泵串联罗茨泵和滑阀泵 55 l 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 1.33 10-6Pa。 图 17所 示 为 钠 灯 超 高 真 空 封 接 炉 的 系 统 。 56 57 扩 散 泵 串 联 扩 散 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 . 图 18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 58 59 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 。 该 系 统 为 无 油 超 高 真 空 系 统 图 19为 一 实 例 60 61 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 。 62 l 真 空 机 组 真 空 机 组 由 各 种 真 空 元 件 组 成 ， 是 不 带 真 空 室的 排 气 系 统 ,其 结 构 紧 凑 占 地 面 积 小 ， 目 前 国 产机 组 有 油 扩 散 泵 机 组 ,油 增 压 泵 机 组 和 罗 茨 泵 机组 。 机 组 名 称 以 主 泵 命 名 。 高 真 空 机 组 工 作 真 空 度 :6.67 10 2 1.33 10 3Pa 极 限 真 空 度 :1.33 10-4Pa 组 成 元 件 :油 扩 散 泵 、 机 械 泵 、 高 真 空 阀 门 、 捕 集 器 、 储 气 罐 、 低 真 空 截 止 阀 、 放 气 阀 及 管 道 ,还 有 电 气 控 制 盘 ,水 压 继 电 器 等 元 件 组 成 的 ,见 图 20所 示 。 63 64 中 真 空 油 增 压 泵 机 组 工 作 真 空 度 :1.33 1.33 10-1Pa 极 限 真 空 度 :1.33 10-2Pa 组 成 元 件 :油 增 压 泵 、 真 空 阀 门 、 捕 集 器 、 低 真 空 截 止 阀 、 放 气 阀 、 管 道 ,以 及 电 气 控 制 盘 ,水 压 继 电 器 等 元 件 组 成 。 中 真 空 罗 茨 泵 机 组 工 作 真 空 度 :1.33 1.33 103Pa 极 限 真 空 度 :1.33 10-1Pa 组 成 元 件 :与 油 增 压 泵 机 组 相 同 。 真 空 机 组 已 经 系 列 化 ， 有 专 门 生 产 厂 家 。 65 5 真 空 系 统 的 结 构 设 计 真 空 系 统 的 结 构 设 计 主 要 考 虑 密 封 可 靠 ,结 构 合理 ,材 料 对 真 空 度 影 响 要 小 。l 设 计 中 应 注 意 的 问 题 ： 选 择 结 构 材 料 应 尽 量 用 国 家 标 准 中 的 无 缝 钢 管和 板 材 ,尽 量 减 少 焊 接 结 构 ,有 利 于 真 空 部 件 气密 性 质 量 。 使 用 焊 接 结 构 时 应 选 用 焊 接 性 能 好的 材 料 。 保 证 焊 接 后 焊 缝 不 漏 气 。 要 求 技 术 水 平 较 高 的工 人 进 行 焊 接 ,提 高 焊 接 质 量 ,合 理 地 设 计 焊 接结 构 也 很 重 要 。 结 构 上 要 保 证 快 速 抽 空 。 避 免 出 现 隔 离 孔 穴 (气 袋 ) ,如 图 21所 示 。 66 67 减 少 表 面 放 气 。 处 于 真 空 内 的 构 件 和 壳 体 内 壁表 面 粗 糙 度 越 高 越 好 。 最 好 进 行 电 镀 抛 光 ,氧 化处 理 等 。 注 意 ： 生 锈 的 表 面 对 抽 空 特 别 不 利 。 真 空 系 统 上 各 元 件 之 间 多 用 法 兰 连 接 。 而 法 兰与 管 子 之 间 是 焊 接 结 构 。 由 于 焊 接 时 易 引 起 法兰 变 形 ,故 目 前 国 内 都 采 用 焊 接 后 再 对 法 兰 加 工,这 样 即 可 达 到 尽 寸 和 粗 糙 度 要 求 ,又 能 保 证 两个 法 兰 连 接 时 密 封 可 靠 。 对 于 某 些 必 须 处 于 较 高 温 度 下 工 作 的 真 空 橡 胶密 封 圈 ,由 于 橡 胶 耐 温 有 限 ,可 以 专 门 采 用 水 冷结 构 加 以 保 护 。 68 保 证 真 空 系 统 元 件 壳 体 和 真 空 室 壳 体 有 足 够 强度 。 实 验 表 明 真 空 容 器 采 用 圆 形 结 构 较 好 。 端盖 采 用 凸 形 结 构 为 好 。 壁 厚 已 经 有 了 标 准 尽 寸 ,当 然 也 可 以 计 算 。 （ 检 漏 3个 压 ） 由 外 部 进 入 真 空 室 内 的 转 动 件 或 移 动 件 ,要 保 证可 靠 的 动 密 封 。 除 了 选 择 好 的 密 封 结 构 外 ,其 中的 轴 或 杆 一 定 要 满 足 粗 糙 度 要 求 。 更 要 防 止 在轴 和 杆 上 有 轴 向 划 痕 ,这 种 划 痕 会 降 低 真 空 度 ,而 且 不 易 发 现 。 69 真 空 系 统 测 量 规 管 位 置 安 排 应 遵 循 如 下 原 则 ：p 不 能 将 测 量 规 管 放 在 密 封 面 较 多 的 地 方 。 因 为每 一 个 密 封 面 都 不 可 能 保 证 绝 对 不 漏 气 ,密 封 面集 中 之 处 ,必 然 是 容 易 漏 气 的 地 方 ,测 量 值 可 能不 准 。p 规 管 内 壁 各 处 ,必 须 保 证 真 空 卫 生 。 否 则 会 造 成测 量 不 准 。p 规 管 应 尽 量 接 在 靠 近 被 测 量 的 地 方 ,以 减 少 测 量误 差 。 真 空 室 壳 体 上 的 水 套 结 构 ,要 保 证 水 流 畅 通 无 阻。 更 不 能 出 现 死 水 造 成 局 部 过 热 。 因 此 进 出 水管 位 置 要 一 下 一 上 ,且 设 置 流 水 隔 层 ,使 水 沿 一定 路 线 流 动 。 70 6 真 空 系 统 操 作 规 则l 起 动 机 械 泵 时 ， 首 先 要 保 证 转 子 运 动 方 向 正 确 ，而 且 油 位 合 乎 要 求 。l 机 械 泵 停 止 后 ， 立 即 将 机 械 泵 入 口 通 大 气 。 因 泵内 真 空 会 使 泵 油 进 入 系 统 中 。l 不 要 用 机 械 泵 把 真 空 室 直 接 抽 至 低 于 13Pa， 否 则， 会 出 现 分 子 流 流 态 ， 油 蒸 气 分 子 将 返 流 到 真 空室 而 造 成 污 染 。l 不 要 使 机 械 泵 在 大 气 压 强 或 较 高 压 强 下 连 续 长 时间 工 作 ， 否 则 电 机 会 过 热 ， 且 泵 会 喷 出 油 雾 。l 在 扩 散 泵 （ 或 油 增 压 泵 ） 通 大 气 前 ， 应 将 泵 油 冷却 到 安 全 温 度 ， 防 止 高 温 下 泵 油 的 氧 化 。 71 l 蒸 气 流 泵 在 加 热 之 前 应 供 给 冷 却 水 。 该 泵 应 配 备热 保 护 继 电 器 ， 当 发 生 停 水 事 故 时 应 能 立 即 使 加热 器 断 电 ， 并 关 闭 入 口 阀 门 防 止 泵 液 因 温 度 过 高而 氧 化 。l 由 于 扩 散 泵 油 返 流 在 泵 开 始 工 作 和 泵 停 止 加 热 阶段 特 别 厉 害 ， 因 此 在 开 泵 前 和 停 泵 前 将 扩 散 泵 入口 阀 门 关 闭 ， 可 以 防 止 泵 油 返 流 到 真 空 室 。l 不 要 在 压 强 高 于 10-2Pa时 给 阱 加 入 液 氮 ， 这 样 导致 凝 结 很 多 水 汽 。 在 使 用 前 要 把 液 氮 阱 的 储 液 罐中 的 所 有 水 凝 液 都 清 除 掉 ， 以 避 免 水 冻 结 在 阱 内。 开 始 抽 气 时 ， 最 好 分 步 的 加 注 液 氮 ， 这 样 可 使系 统 的 冷 凝 物 主 要 集 中 在 阱 的 下 部 。 当 达 到 高 真空 后 ， 应 给 阱 加 注 液 氮 达 到 较 高 液 面 ， 大 量 捕 集气 体 。 72 l 为 了 缩 短 抽 空 时 间 ， 将 真 空 室 对 大 气 压 做 短 时间 通 气 时 ， 使 用 干 燥 氮 气 为 好 。 把 真 空 室 内 表面 的 湿 气 减 到 最 小 的 限 度 。 通 气 时 应 在 真 空 室一 侧 用 放 气 阀 进 行 放 气 。 不 可 从 扩 散 泵 出 口 的前 级 管 道 上 通 气 。l 使 用 电 离 计 ， 应 在 真 空 室 内 压 强 达 到 1.33 10-1Pa时 使 用 ， 防 止 规 管 烧 坏 。l 在 真 空 系 统 停 止 工 作 时 ， 应 将 真 空 系 统 元 件 都保 持 在 真 空 状 态 下 封 存 ， 但 机 械 泵 要 通 大 气 。 73 l 设 计 实 例 一设 计 一 真 空 系 统 ， 已 知 参 数 ：（ 1） 真 空 室 直 径 d=1m， 容 积 V=1.5m3， 内 表 面 积 7.5m2；（ 2） 真 空 室 工 作 真 空 度 p=1.3 10-3 Pa；（ 3） 真 空 室 工 艺 放 气 量 Q1=1.3 Pa.L/s； （ 4） 真 空 室 总 的 漏 气 量 Q2=0.67 Pa.L/s；（ 5） 被 抽 气 体 为 20 干 燥 空 气 ， 返 流 油 蒸 气 对 工 艺 过 程 有 害 ；（ 6） 真 空 室 材 料 为 不 锈 钢 ， 1小 时 后 的 出 气 率 为 2.3 10 -1 Pa.L/（ s. m2） 。 74 l 设 计 实 例 二设 计 一 高 真 空 系 统 ， 已 知 条 件 为 ：（ 1） 真 空 室 直 径 d=2m， 高 1m。（ 2） 出 气 与 漏 气 总 量 ： Q=1.8 10-2 Pa.m3/s；（ 3） 真 空 室 要 求 的 极 限 真 空 为 ： p=6 10-3 Pa； 附 加 条 件 ： 根 据 选 型 样 本 ， 选 用 K系 列 高 真 空 油 扩 散 泵 和 2X系 列 旋 片 泵 作 为 主 泵 和 前 级 泵 。（ 1） 根 据 题 中 要 求 结 合 选 型 样 本 ， 确 定 泵 的 具 体 型 号 。（ 2） 确 定 管 道 尺 寸 及 其 它 真 空 系 统 元 件 。（ 3） 确 定 并 画 出 包 含 必 要 真 空 元 件 的 真 空 系 统 示 意 图 。（ 4） 按 照 上 述 示 意 图 ， 说 明 该 真 空 系 统 的 操 作 工 艺 。（ 5） 计 算 抽 气 时 间 。 75 76 课 程 结 束谢 谢 大 家 ！E N D