培训系列之3(刘坤)：真空系统设计

经作者授权，版权所有归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。东北大学第六期《真空技术》培训班真空系统设计主讲人：刘坤VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China《真空技术》一.真空技术发展概况（杨乃恒）二.真空工程理论基础（孙丽娜）三.真空系统设计（刘坤）四.低真空获得设备（张以忱）五.清洁真空获得技术（巴德纯）六.中真空获得设备（张以忱）七.高真空与超高真空获得设备（杨乃恒）八.真空测量（刘玉岱）九.真空检漏（刘玉岱）十.真空镀膜（一）：PVD物理气相沉积（张以忱）十一.真空镀膜（二）：CVD化学气相沉积（张世伟）十二.真空冷冻干燥技术（徐成海）十三.真空设备的自动化控制（王庆）十四.真空材料与真空卫生（张以忱）东北大学第六期培训系列之VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.真空系统的组成2.真空系统组成元件及连接3.真空系统的设计计算课程内容VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.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VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.1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。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China马德堡半球实验Magdeburg-spheresExperiment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。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China磁控溅射与离子束联合镀膜机VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China多功能离子注入设备VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China材料表面改性系统VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China金属蒸汽真空弧源注入机VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China核聚变中JET装置主体的结构VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China托卡马克装置结构图VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,ChinaVacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,ChinaX射线光电子能谱仪VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China扫描电子显微镜VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,ChinaSolverSNOM近场光学显微镜VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China扫描近场光学显微镜多模式扫描探针显微镜VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China气动真空输运设备带式真空压榨过滤机VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China差压型真空注型机真空压力浸渍设备VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,ChinaVacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China国内第一台千瓦量级的氦制冷系统VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,ChinaVacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China大型真空热实验设备VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China真空吹氧脱碳炉VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China非自耗电弧炉VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.2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。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China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；VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1—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VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.3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VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.3.1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VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China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。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China真空集便器与真空除污机VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.3.2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。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China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1.33×10-1Pa。油增压泵(主泵)串联机械泵(前级泵)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: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。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China真空感应熔炼炉VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China罗茨泵串联机械泵工作压强范围：1.33～1333Pa。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。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China罗茨泵串联机械泵VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China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：0.133～1333Pa。优点：工作压强范围大,工作真空度高。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China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：0.133～1333Pa。优点：具有罗茨泵系统和油增压泵系统的双重特点。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China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。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.3.3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6.67×10-2～6.67×10-5Pa。如镀膜机、电子轰击炉和部分电阻炉等都采用高真空系统。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China真空容器储气罐前级泵（预抽泵）维持泵增压泵主泵高真空抽气系统工作流程图主阀预抽阀VacuumandFluidEngineeringRe