培训系列之五：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。真空系统设计东北大学第二期《真空技术》培训班讲义之五2005.7.10～2005.7.13主讲人：东北大学王继常副教授经作者授权，版权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。之一：真空技术的历史、现在与将来之二：真空工程理论基础之三：科技论文的检索、撰写与发表之四：清洁真空获得技术之五：真空系统设计之六：真空系统设计辅助软件的使用之七：真空测量之八：真空装置与系统的检漏之九：大型真空装置的监测与故障诊断之十：专家座谈之十一：真空获得技术之十二：现代表面与薄膜技术之十三：真空材料与真空卫生之十四：真空技术应用及计算实例经作者授权，版权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。磁控溅射镀膜机经作者授权，版权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。金属蒸汽真空弧源注入机经作者授权，版权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。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真空系统示意图1.4高真空系统1.5真空系统设计的基本内容2.真空技术基本方程2.1真空系统的最主要性能参数：极限真空度、有效抽速2.2流导的定义2.3真空技术基本方程2.4真空技术基本方程在真空系统设计中的意义3.真空系统的设计计算3.1主泵3.2配泵3.3储气罐和维持泵3.4真空系统设计中应该注意的问题3.5真空系统的典型形式3.6真空系统的结构设计3.7真空系统操作规则课程内容经作者授权，版权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。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真空系统示意图1.4高真空系统1.5真空系统设计的基本内容经作者授权，版权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。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。经作者授权，版权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。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。经作者授权，版权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。1.3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。（见图1）经作者授权，版权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。1.4高真空系统图1系统只能获得较低的真空度,当要获得高真空度时,需要添加高真空泵。如扩散泵、分子泵。当串联一个高真空泵之后,通常要在高真空泵的入口和出口分别加上阀门,以便高真空泵内部能单独保持真空。若串联的高真空泵是一台油扩散泵,为了防止大量的油蒸气返流进入被抽容器,通常在油扩散泵的入口加一个捕集器水冷障板(如图2所示)。根据要求,还可以在管路中加上除尘器、真空继电器规头、真空软连接管道、真空泵入口放气阀等等,这样就构成了一个较完善的高真空系统。经作者授权，版权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。经作者授权，版权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。高真空油扩散泵机组经作者授权，版权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。1.5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。经作者授权，版权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。2.真空技术基本方程2.1真空系统的最主要性能参数：极限真空度和有效抽速2.2流导的定义2.3真空技术基本方程2.4真空技术基本方程在真空系统设计中的意义经作者授权，版权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。2.1真空系统的最主要性能参数：极限真空度和有效抽速真空系统的极限真空度指在没有外加负荷的情况下,经过足够长时间的抽气后,系统所能达到的最低压力。真空系统对容器的有效抽速指在容器出口处的压力下,单位时间内真空系统能够从被抽容器中所抽除的气体体积。真空系统对容器的有效抽速不仅取决于真空泵的抽速,也取决于真空系统管路对气体的导通性能,即所说的流导。经作者授权，版权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。2.2流导的定义流导的定义是:在单位压差下,流经管路的气流量的大小。用一个数学式子来表示,即:式中C—管路的流导；Q—流经管路的气流量；P1、P2—分别是管路的入口压力和出口压力Pa。21PPQCsm3smPa3经作者授权，版权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。2.3真空技术基本方程如果用Se来表示真空系统对容器的有效抽速，用Sp表示真空泵的抽速，C表示真空容器出口到真空泵入口之间管路的流导，则有a、b、c本质上是同一个方程,真空系统设计中一个非常重要的方程，如果知道泵的抽速Sp和管路的流导C，就可以计算出系统对容器有效抽速，这个方程被称为真空技术基本方程。)(1)(1)(:111cSCCSbCSSSaSCSCSSCSpeppeppepe或或可以改写为经作者授权，版权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。2.4真空技术基本方程在中的意义从方程(2b)可以看出:如果管路的流导C远大于泵的抽速Sp，则Sp/C的值远小于1，此时有效抽速Se≈Sp。说明为了充分发挥泵抽气作用,在设计管路时，应使管路的流导尽可能大一些。因此真空管路应该粗而短，切不可细而长。这是设计连接管道时的一条重要原则。相反，如果管路的流导C远小于泵的抽速Sp，则C/Sp的值远小于1，从方程(2c)可以看出，此时真空系统对容器的有效抽速Se≈C,说明在这种情况下，选择多大的泵都没有用，都不能提高泵对容器的有效抽速。经作者授权，版权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。3.真空系统的设计计算3.1主泵3.2配泵3.3储气罐和维持泵3.4真空系统设计中应该注意的问题3.5真空系统的典型形式3.6真空系统的结构设计3.7真空系统操作规则经作者授权，版权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。3.1选主泵选主泵要考虑两个方面：一是选择主泵的类型；二是确定主泵抽速的大小。3.1.1主泵的类型确定主泵类型的依据:(1)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被抽容器所要求的极限真空度(如高半个数量级)。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。各种真空泵的工作压强范围见图11。经作者授权，版权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。经作者授权，版权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。(2)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。为此,应当对各种真空泵的性能及使用特点进行了解。(3)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。经作者授权，版权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。经作者授权，版权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。由两个图中的曲线可见,在1.33×10－1～13.3Pa的压强范围内,以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1.33×10－1Pa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。经作者授权，版权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。3.1.2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。(1)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；Qg－工艺过程中被熔炼或被处理的材料放出的气流量，Pa·m３/s；Qｎ－真空室内所用耐火保温材料的出气流量，Pa·m３/s；经作者授权，版权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。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，Pa·m３/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，Pa·m３/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。经作者授权，版权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