真空及真空的獲得課件

真空及真空的獲得產(chǎn)品整理車間真空概論真空：vacuum（英）定義：一種說法是：當容器中的壓力低于大氣壓力時,把低于大氣壓力的部分叫做真空,而容器內(nèi)的壓力叫絕對壓力。另一種說法是,凡壓力比大氣壓力低的容器里的空間都稱做真空。真空有程度上的區(qū)別:當容器內(nèi)沒有壓力即絕對壓力等于零時,叫做完全真空;其余叫做不完全真空。在真空科學中，真空的含義是指在給定的空間內(nèi)低于一個大氣壓力的氣體狀態(tài)。真空度的概念處于真空狀態(tài)下的氣體稀簿程度，通常用“真空度高”和“真空度低”來表示。真空度高表示真空度“好”的意思，真空度低表示真空度“差”的意思。從真空表所讀得的數(shù)值稱真空度。真空度數(shù)值是表示出系統(tǒng)壓強實際數(shù)值低于大氣壓強的數(shù)值，即：

真空度=(大氣壓強—絕對壓強)/pg其中：p為液體密度，g為重力加速度。

真空度是真空泵、微型真空泵、微型氣泵、微型抽氣泵、微型抽氣打氣泵等抽真空設(shè)備的一個主要參數(shù)。真空度的標識對于真空度的標識通常有兩種方法：一、用“絕對壓力”、“絕對真空度”（即比“理論真空”高多少壓力)標識。

在實際情況中，真空泵的絕對壓力值介于0～101.325KPa之間。絕對壓力值需要用絕對壓力儀表測量，在20℃、海拔高度＝0的地方，用于測量真空度的儀表(絕對真空表)的初始值為101.325KPa(即一個標準大氣壓)。二、用“相對壓力”、“相對真空度”(即比“大氣壓”低多少壓力)來標識。“相對真空度”是指被測對象的壓力與測量地點大氣壓的差值。用普通真空表測量。在沒有真空的狀態(tài)下(即常壓時)，表的初始值為0。當測量真空時，它的值介于0到－101.325KPa（一般用負數(shù)表示）之間。比如，有一款微型真空泵測量值為－75KPa，則表示泵可以抽到比測量地點的大氣壓低75KPa的真空狀態(tài)。相對真空度和絕對真空度國際真空行業(yè)通用的“真空度”，也是最科學的是用絕對壓力標識；指得是“極限真空、絕對真空度、絕對壓力”，但“相對真空度”(相對壓力、真空表表壓、負壓)由于測量的方法簡便、測量儀器非常普遍、容易買到且價格便宜，因此也有廣泛應用。理論上二者是可以相互換算的,兩者換算方法如下：相對真空度=絕對真空度(絕對壓力)-測量地點的氣壓例如：一款微型真空泵的絕對壓力為80KPa，則它的相對真空度約為80-100＝-20Kpa，(測量地點的氣壓假設(shè)為100KPa)在普通真空表上就該顯示為-0.02MPa。常用的真空度單位常用的真空度單位有Pa、Torr、Kpa、Mpa、大氣壓、公斤(Kgf/cm2)、mmHg、mbar、bar、PSI等。近似換算關(guān)系如下：帕（pa）1帕斯卡=1牛頓/平方米(1N/㎡)托（torr）1托=133.3223684帕=1mmHg

1MPa=1000KPa

1KPa=1000Pa1大氣壓=101.325KPa≈0.1MPa

1大氣壓=1.0332公斤(Kgf/cm2)=760mmHg

1大氣壓=14.5PSI（PSI=poundspersquareinch磅/平方英寸換算關(guān)系為：1psi=6.895kPa）1巴(bar)=100,000帕(Pa)=10牛頓/平方厘米=0.1MPa真空的獲得和測量在真空實用技術(shù)中，真空的獲得和測量是兩個最重要的方面，在一個真空系統(tǒng)中，真空獲得的設(shè)備和測量儀器是必不可少的。目前常用的真空獲得設(shè)備主要有旋片式機械真空泵、油擴散泵、渦輪分子泵、低溫泵等。真空測量儀器主要有U型真空計、熱傳導真空計、電離真空計等。隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，各種真空獲得設(shè)備向高抽速、高極限真空、無污染方向發(fā)展。各種真空測量設(shè)備與微型計算機相結(jié)合，具有數(shù)字顯示、數(shù)據(jù)打印、自動監(jiān)控和自動切換量程等功能。真空的獲得為了使體系形成真空就必須將其中的氣體排出，或者使氣體分子不能在體系內(nèi)自由活動。因此，形成真空的方法有兩類：①應用機械的裝置將體系中的氣體抽出；②利用吸氣劑、捕集器等將體系中氣體吸附。后者如吸氣劑常用于真空電子設(shè)備中，我們工業(yè)上常用的是前者，所用的抽氣裝置常稱之為抽氣機、真空泵。工業(yè)真空工業(yè)上的真空指的是氣壓比一標準大氣壓小的氣體空間，是指稀薄的氣體狀態(tài)，又可分為高真空、中真空和低真空。工業(yè)應用的真空環(huán)境一般是通過真空泵來實現(xiàn)的。真空泵：是用各種方法在某一封閉空間中產(chǎn)生、改善和維持真空的裝置。真空泵可以定義為：利用機械、物理、化學或物理化學的方法對被抽容器進行抽氣而獲得真空的器件或設(shè)備。適用于不同需求的真空泵及測量儀器不同真空狀態(tài)的絕對真空度真空區(qū)域（torr）壓強范圍（pa）低真空760~10101325~1333中真空10~10-31333~1.33×10-1高真空10-3~10-8

1.33×10-1~10-6

超高真空10-8~10-12

10-6~10-10

極高真空＜10-12

＜10-10

真空系統(tǒng)各種真空系統(tǒng)的組建，是根據(jù)不同的工作需求來決定的。最簡單的真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)只需機械泵加上測量儀器即可獲得粗真空到低真空的工作氛圍。如果所做的工作需要在高真空下進行，除了用機械泵外，還必須在機械泵后加擴散泵。真空系統(tǒng)有金屬和玻璃兩類。根據(jù)需要選用合適的真空材料、真空泵、真空計和閥門來組成真空系統(tǒng)。真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料是構(gòu)成真空系統(tǒng)主體的材料，它將真空系統(tǒng)與大氣隔開，承受著大氣壓力。這類材料主要是各種金屬和非金屬材料，包括可拆卸連接處的密封墊圈材料。如我們直拉爐的真空系統(tǒng)中，金屬材料包括爐體生長室、副室和管道應用的各種不銹鋼材料，非金屬材料包括熔爐的塑膠O形環(huán)密封圈，籽晶和坩堝上升旋轉(zhuǎn)的磁流體密封材料，隔離閥軸的四邊形旋轉(zhuǎn)塑膠密封圈等。旋片式機械真空泵旋片式機械泵結(jié)構(gòu)圖/剖面圖結(jié)構(gòu)及工作原理它由轉(zhuǎn)子、定子、旋片（或稱刮板）、活門和油槽等構(gòu)成。泵的定子裝在油槽中，定子的空腔時圓柱形。轉(zhuǎn)子是圓柱形輪子，它偏心地裝成與定子空腔內(nèi)切的位置。轉(zhuǎn)子可繞自己的旋轉(zhuǎn)對稱軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子是由馬達帶動的。轉(zhuǎn)子中鑲有兩塊刮板，刮板之間用彈簧相連，使刮板緊貼在定子空腔內(nèi)壁上。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，被抽容器中的氣體經(jīng)過進氣口到定子與轉(zhuǎn)子之間的空間，由活門及進氣口排出。定子浸在油中，油是起密封、潤滑與冷卻作用的，進油槽是為了讓油進入空腔。進空腔的油除了上述作用外，還起著協(xié)助打開活門的作用，因為在壓強很低時被壓縮的氣體不足以打開活門，而不可壓縮的油，將強迫活門打開，活門的作用是讓氣體從泵中排出，而不讓大氣進入泵中。旋片式機械泵的工作原理如下圖：(a)表示兩刮板轉(zhuǎn)動時上刮板A與進氣口之間的體積不斷增大，這時被抽容器內(nèi)氣體從進氣口進入這部分空間。(b)、(c)表示進入泵中的氣體被刮板B與被抽容器隔開并被壓縮到活門。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到圖(d)的位置時，被壓縮的氣體的壓強大于大氣壓強，這時活門被打開，氣體排出泵外。兩個刮板不停地重復以上過程，實現(xiàn)了對容器連續(xù)抽氣的目的。旋片式機械泵的局限單級旋片泵一般極限壓力只能達到1.3Pa(個別可達0.1Pa)，為什么極限壓力不能再低呢？主要由于：

(1)泵的結(jié)構(gòu)上存在有害空間(見圖)，該空間中的氣體是無法排除的。當旋片轉(zhuǎn)過排氣口后，這一部分氣體又被壓縮，經(jīng)過轉(zhuǎn)子與泵腔間的縫隙又回到吸氣空間，所以每次總有些氣體排不盡。

(2)由于在泵工作時，泵腔的吸氣空間與排氣空間存在著一定的壓力差。當排氣空間的氣體被壓縮得很小時，它的壓力很高，會通過各種可能的途徑突破到吸氣空間去，使泵真空度下降。

(3)泵油在泵體內(nèi)循環(huán)流動過程中會溶解進大量氣體和蒸氣。在吸氣側(cè)，因為壓力較低，溶解的氣體又會跑出來，使泵的真空度不易提高。所以當我們需要達到更高真空度要求時，需要選擇其他真空泵與機械泵串聯(lián)使用。羅茨泵（RootsVacuumPump）羅茨泵是一種無內(nèi)壓縮的真空泵，通常壓縮比很低，故高、中真空泵需要將羅茨泵和前級泵串聯(lián)使用。它的極限真空除取決于泵本身結(jié)構(gòu)和制造精度外，還取決于前級泵的極限真空。羅茨泵的工作原理與羅茨鼓風機相似。由于轉(zhuǎn)子的不斷旋轉(zhuǎn)，被抽氣體從進氣口吸入到轉(zhuǎn)子與泵殼之間的空間v0內(nèi)，再經(jīng)排氣口排出。由于吸氣后v0空間是全封閉狀態(tài)，所以，在泵腔內(nèi)氣體沒有壓縮和膨脹。但當轉(zhuǎn)子頂部轉(zhuǎn)過排氣口邊緣，v0空間與排氣側(cè)相通時，由于排氣側(cè)氣體壓強較高，則有一部分氣體返沖到空間v0中去，使氣體壓強突然增高。當轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動時，氣體排出泵外。羅茨泵在泵腔內(nèi)有二個轉(zhuǎn)子相互垂直地安裝在一對平行軸上，由傳動比為1的一對齒輪帶動作彼此反向的同步旋轉(zhuǎn)運動。在轉(zhuǎn)子之間，轉(zhuǎn)子與泵殼內(nèi)壁之間，保持有一定的間隙，可以實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速運行。兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)子既有雙葉的，也有三葉和多葉的，形狀種類很多。羅茨泵的工作原理下圖是雙葉羅茨泵和三葉羅茨泵的工作狀態(tài)展示羅茨泵的特點羅茨泵的最大優(yōu)點是在較低入口壓力時具有較高的抽氣速率，可達到70-1200L/S，真空度可達到0.1-0.05PA。另外羅茨泵屬于干泵，不用加油，維護較為方便。但它不能單獨使用，必須有一臺前級真空泵串聯(lián)，待被抽系統(tǒng)中的壓力被前級真空泵抽到羅茨真空泵允許人口壓力時，羅茨真空泵才能開始工作，并且在一般情況下，羅茨真空泵不允許高壓差時工作，否則將會過載和過熱而損壞，因此使用羅茨泵時必須合理地選用前級真空泵，安裝必要的保護設(shè)備。油擴散泵（oildiffusionpump）盡管羅茨泵可以實現(xiàn)1×10-1Pa，甚至更高的真空度，但是仍然不能滿足我們石墨煅燒爐冷態(tài)6.67×10-3Pa，熱態(tài)6.67×10-2Pa的真空要求，因而我們?nèi)匀恍枰樗俑叩闹鞅脕慝@得系統(tǒng)真空，能滿足這一要求的就是擴散泵。概述油擴散泵的工作原理是利用低壓、高速和定向流動的油蒸氣射流抽氣的真空泵。這種泵的極限真空為10-4～10-5帕，工作壓力范圍為10-1～10-4帕，抽速范圍為幾萬至十幾萬升/秒。油擴散泵是獲得高真空的主要設(shè)備，廣泛用于真空冶煉、真空鍍膜、空間模擬試驗和對油污染不敏感的一些真空系統(tǒng)中。擴散泵的結(jié)構(gòu)油擴散泵主要由泵體、擴散噴嘴、蒸氣導管、油鍋、加熱器、擴散器、冷卻系統(tǒng)和噴射噴嘴等部分組成（見圖）。擴散泵的工作原理當油擴散泵用前級泵預抽到低于1帕時，油鍋可開始加熱。沸騰時噴嘴噴出高速的蒸氣流，熱運動的氣體分子擴散到蒸氣流中，與定向運動的油蒸氣分子碰撞。氣體分子因此而獲得動量，產(chǎn)生和油蒸氣分子運動方向相同的定向流動。到前級，油蒸氣被冷凝，釋出氣體分子，即被前級泵抽走而達到抽氣目的。由于射流具有高流速（約200m/s），高的蒸氣密度，且擴散泵油分子量大（300～500），故能有效地帶走氣體分子，氣體分子被帶往出口處再由機械泵抽走。擴散泵油的凈化泵油的蒸氣壓直接影響泵的真空性能。但油擴散泵所使用的任何泵油，都是蒸氣壓不同的多組分的混合物。因此，要提高油擴散泵的抽氣和真空性能，泵在工作中自身還要對泵油進行分餾和凈化。分餾目的是使高蒸氣壓組分的油不進入高真空工作噴嘴（高真空端的噴嘴）；凈化目的是使高蒸氣壓組分的油在工作過程中不斷為前級泵所抽除，使油逐漸趨于純凈。泵油的分餾和凈化，對提高泵的極限真空有重要作用。

簡單介紹：擴散泵的返油擴散泵的油蒸汽并不完全是放射性地沿泵腔向下運動，由于隨機的散射或帶方向性的放射，從噴嘴噴出的蒸汽有部分分子也向真空泵泵口方向移動，這樣就形成了返流。油蒸汽的返流是擴散泵系統(tǒng)的主要污染！為了減少返流，在噴嘴和被抽系統(tǒng)之間通常加上合適的捕集裝置；例如：加上水冷的捕集器，可以使返流降低50%，而同時泵的抽速也只是降低10%左右。但捕集返流的效率越高，對泵抽速的影響就會越大。例如：一個用水或液氮冷卻的幾乎可以完全捕集返流的裝置，可能會使抽速降低30%！為了克服以上問題，新型油擴散泵在泵口法蘭不變和不過分增大泵的外形尺寸條件下，在法蘭下部突出地擴大泵腔的斷面，其抽氣速率可增大20～40％。如在此裝設(shè)一個大直徑擴散噴嘴和液氮冷卻的大直徑擋油帽等。泵可有通常泵（指沒有擴大泵腔斷面的泵）的抽氣速率，并比較徹底地克服了泵的返油而獲得低于10-8帕清潔超高空。擴散泵機組擴散泵也不能單獨使用，它必須在一定的真空基礎(chǔ)上才能啟動，通常是用機械泵和擴散泵串聯(lián)組成機組。擴散泵串聯(lián)真空系統(tǒng)的特點1、

擴散泵串聯(lián)機械泵的真空系統(tǒng)一般用在工作時放氣量較小的應用設(shè)備上。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，成本低。

2、它的缺點是系統(tǒng)啟動慢，預抽氣時間長，費水、電，需要工作人員監(jiān)控開關(guān)機。

3、由于擴散泵油返流在泵開始工作和停止加熱階段特別厲害，因此在開泵前和停泵前將擴散泵入口閥門關(guān)閉，可以防止泵油返流到真空室。4、擴散泵串聯(lián)機械泵的真空系統(tǒng),缺點是擴散泵油蒸汽容易返流到真空室中去.特別是發(fā)生停水

停電時,立即使加熱器斷電,關(guān)閉入口閥門,防止泵油因溫度過高而惡化.會給機器帶來系統(tǒng)污染,造成返油.如果操作人員沒有馬上采取措施,后果很嚴重.導致系統(tǒng)要整體清洗以及鍍件失敗我們目前所涉及到的真空應用一、直拉爐的真空要求一般國內(nèi)單晶硅爐負壓拉晶要求環(huán)境是（2.7~5.3）×103Pa（約10~20torr），即為

-97.3KPa～-94.7KPa顯示在壓力表上為-0.097