第五章真空系統(tǒng)設(shè)計

第五章真空系統(tǒng)設(shè)計第一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五主要內(nèi)容：1、真空系統(tǒng)的組成2、真空系統(tǒng)元件及連接3、真空系統(tǒng)中常用材料4、真空衛(wèi)生5、真空系統(tǒng)的設(shè)計計算第二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五1、真空系統(tǒng)的組成1.1真空技術(shù)系統(tǒng)圖用圖形符號：閥門熱偶規(guī)擴散泵冷阱第三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五VacuumSystemSchematicSymbolsHandOperatedValve.GateValve.PneumaticGateValve.LeakValve.ButterflyValve.PneumaticButterfly.Bellows.SorptionTrap.VacuumGauge.RotaryPumpTurbomolecularPump.TiSublimationPump.IonPump.CryoPump.第四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五1.2真空系統(tǒng)的構(gòu)成真空系統(tǒng)是由真空容器、獲得真空、測量真空、控制真空等組件組成。較完整的真空系統(tǒng)：真空室所需的真空泵或真空機組：真空測量裝置連接導(dǎo)管捕集器真空閥門其他真空元件及電氣控制系統(tǒng)將真空泵與相應(yīng)的真空元件按其性能要求組合起來構(gòu)成的抽氣裝置低真空抽氣機組特點：工作壓強高、排氣量大、抽速比高真空機組低。中真空機組特點：大抽速、獲得中真空高真空機組特點：工作壓強較低、排氣小、抽速大超高真空機組特點：工作壓強極低、材料的出氣率很小、漏氣率很小、能高溫烘烤第五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五1.3典型的真空系統(tǒng)1、真空室，2、真空計，3、管道，4、閥門，5、機械泵。第六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五第七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五第八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五1.4

真空系統(tǒng)的基本操作規(guī)測啟動油封機械泵時，首先保證轉(zhuǎn)子方向正確、油位符合要求；油封機械泵停止時，防止壓差返油；不要讓機械泵工作到極限壓強；不要讓油封機械泵在大氣壓強下或較高壓強下長時間工作；在擴散泵通大氣之前，應(yīng)將泵油冷卻到安全溫度，防止高溫下油氧化；高真空泵在工作之前，先要開啟水冷；使用電離計時，應(yīng)在真空室壓強低于1.33×10-1Pa，才接通電離計；真空系統(tǒng)停止工作時，應(yīng)將系統(tǒng)內(nèi)的各元件（包括真空室）都保持真空狀態(tài)下封存，但機械泵要通大氣；第九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五2、真空系統(tǒng)元件及連接真空元件:真空室、真空泵、真空測量裝置、連接導(dǎo)管、真空閥門、捕集器（阱）、除塵器、真空繼電器真空閥門密封連接第十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五2.1真空閥門真空閥門的作用：開關(guān)氣路控制氣流大小定量充氣。閥門的開合真空閥門的工作形式：隔膜閥、球閥、蝶閥、插板閥、擋板閥、翻板閥、針閥、超高真空閥、無油玻璃真空閥電磁閥，手動閥、氣動閥第十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五典型的真空閥工作方式：直角閥直通閥球閥蝶閥第十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五典型的真空閥工作方式：直角閥直通閥球閥蝶閥第十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五可調(diào)流量控制器漏閥（放氣閥）第十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五2.2密封密封材料密封材料工作溫度范圍/℃適用真空區(qū)域密封材料工作溫度范圍/℃適用真空區(qū)域天然橡膠-30~90低、中真空鉛-200~170高真空丁基橡膠-30~130低、中、高真空鋁-200-~350超高真空丁腈橡膠-30~130低、中、高真空銀-200~450超高真空氟橡膠-30~240高、超高真空（少用）銅-200~500超高真空硅橡膠-100~260低、中真空金-200~500超高真空聚四氟乙烯-150~250高、超高真空（少用）第十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五真空閥門的膠墊密封結(jié)構(gòu)正壓強的O-ring密封第十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五其它O-ring密封第十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五快速接頭組件第十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五橡膠密封材料的基本要求光華表面；無劃傷；無裂紋；具有低的出氣率、揮發(fā)率和透氣率；良好的耐熱性、耐油性、抗老化能力、耐壓縮形變（<35%)適宜的壓力松弛系數(shù)（>0.65）第十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五真空閥門的金屬墊密封金屬墊第二十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五各式金屬嵌入密封MaterialsAg,In,Al,Au,Cu,Alloy第二十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五優(yōu)點放氣遠小于橡膠；氣體滲透低耐高溫缺點金屬密封圈彈性差，需要很大的密封力才能保證可靠的真空密封重復(fù)使用性很差，有些金屬密封圈只能使用一次法蘭密封面和刀口的粗糙度和配合精度要求高，很小的傷痕都能破壞密封，大尺寸法蘭加工困難。密封圈和法蘭材料的線膨脹系數(shù)相差較大，加熱不均勻或密封結(jié)構(gòu)設(shè)計得不正確，會引起局部變形而造成漏氣真空閥門的金屬墊密封的優(yōu)缺點第二十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五2.3真空連接及密封真空法蘭（VacuumFlanges)連接動密封連接引入接口（Fittings

）

VCR、VCO、NPT、快速接頭、底板密封式（Baseplate）接頭、測試用圓端口及軟管接頭

觀察窗（Viewports）

第二十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五穿通密封件(Feedthroughs)

穿通密封件是一種可以穿過真空腔壁來傳輸各種電功率、電信號、運動、運轉(zhuǎn)、流體及光束等的密封器件。電穿通密封件:電穿通密封件，包括各種不同規(guī)格的接口、耐壓及載流指標(biāo)。電穿通密封件主要分為以下四種：功率式，同軸信號式，熱電偶式，陶瓷隔離式。

流體穿通密封件:傳送液體或氣體到真空腔室內(nèi)的設(shè)備，目的通常是為了散熱冷卻，或提供動力給氣動或液壓驅(qū)動的裝置。

傳動式穿通密封件:

傳動式穿通密封件是一種精密的操作裝置，可用來移動或定位真空室內(nèi)的物體。光學(xué)式穿通密封件(Viewports)是安裝在真空腔壁上的特定的玻璃窗口，其用途包括：可讓操作員觀察真空室內(nèi)的操作過程；透過特定波長的光束進行物理或化學(xué)反應(yīng)；測量在工藝中放射出來的光波或其他電磁波；或監(jiān)控某特定波長的光學(xué)效應(yīng)(橢圓偏光測量術(shù))等。第二十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五磁流體

轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動裝置第二十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五利用彎曲的伸縮管轉(zhuǎn)動傳送第二十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五線性傳動利用伸縮管進行傾斜操作第二十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五第二十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五第二十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五第三十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五第三十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五光學(xué)材料可選Kodial玻璃、石英、藍寶石、特殊玻璃材料(例如硒化鋅，氟化鎂等)及有光學(xué)鍍層的7980高純?nèi)廴谑ⅲ▽Ｓ糜趥鬏敿す猓?。第三十二頁，共四十七頁，編輯?023年，星期五3、真空衛(wèi)生4.1材料表面常見的污染形式4.2材料表面凈化4.3表面凈化處理的基本方法4.4放電清洗4.5氣體沖洗4.6非金屬材料的清洗4.7清洗的基本程序4.8清洗注意事項4.9清潔零件的存放第三十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五3.1材料表面常見的污染形式環(huán)境空氣中的塵埃和拋光殘渣及其它有機物等；水基類:操作者的手汗、吹氣時的水汽、唾液等；表面氧化物：材料長期放置在空氣中或放置在潮濕空氣中所形成的表面氧化物；酸、堿、鹽類物質(zhì)：清洗時的殘余物質(zhì)、手汗、水中的礦物質(zhì)等；油脂：加工、裝配、操作時沾染上的潤滑劑、切削液、真空油脂等。第三十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五3.2材料表面凈化表面凈化：在真空工藝進行前，先從工件或系統(tǒng)材料表面清除所不期望的物質(zhì)的過程凈化的目的：為了改進真空系統(tǒng)中所有器壁和其他組件表面在各工作條件下的工作穩(wěn)定性清潔表面的分類：原子級清潔表面；工藝技術(shù)上的清潔表面。第三十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五3.3表面凈化處理的基本方法溶劑清洗（最普遍）軟化水或含水系統(tǒng)；無水有機溶劑；石油分餾物；乳狀液或溶劑蒸氣；金屬清洗劑超生清洗（清除較強粘附污染）

蒸氣脫脂清洗（簡單、大批量）清除基片表面油脂膜和類油脂膜等氫化物電解侵蝕清洗縮短侵蝕時間，減少溶液的消耗量加熱和輻照清洗將工件放置于常壓或真空中加熱，促使表面上的揮發(fā)雜質(zhì)蒸發(fā)來達到清洗的目的。第三十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五3.4放電清洗

應(yīng)用于高真空、超高真空系統(tǒng)的清洗除氣。3.5氣體沖洗

氮氣沖洗：在系統(tǒng)中通入干燥的氮氣，因為氮氣在材料表面吸附時，吸附熱小，吸留時間短。第三十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五3.6非金屬材料的清洗玻璃陶瓷的清洗溶劑清洗塑料與橡膠的清洗特殊清洗污染物的確定清洗方法的確定清洗溶劑的選擇3.7滌清洗的基本程序第三十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五3.8清洗注意事項有序操作3.9清潔零件的存放盡可能縮短暴露大氣；儲存容器必須與零件一樣清潔；已凈化的零件嚴(yán)禁用手觸摸。第三十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五4、真空系統(tǒng)的設(shè)計計算4.1氣體負荷的計算真空室內(nèi)總氣體負荷漏氣流量的計算放氣流量的計算方法滲透氣體流量的計算工藝工程中真空室內(nèi)產(chǎn)生的氣體流量的計算4.2抽氣時間和壓強的計算低真空抽氣時間的計算高真空抽氣時間的計算真空室的極限壓強真空室的工作壓強抽氣過程中真空室的壓強第四十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五4.3真空泵的選擇與匹配計算主泵的選擇與計算前級真空泵(預(yù)抽泵)的選擇與計算4.4真空系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計4.5真空系統(tǒng)的安裝調(diào)試與操作維護4、真空系統(tǒng)的設(shè)計計算第四十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五事例:設(shè)計一臺有油真空系統(tǒng)。真空室的直徑為100cm容積為V＝1.5m3，內(nèi)表面積為7.5m2。真空室材料為不銹鋼[1小時后的出氣率為2.3×10-5Pa.L/(s.cm2)，2時后的出氣率為1.5×10-5Pa·L／(s.cm2)]。真空室工作壓強為p＝1.3×10-3Pa，真空室工藝過程中放出的氣體量Q1＝1.3Pa·L/s，系統(tǒng)的總漏氣量Q2＝6.7×10-1Pa·L/s；被抽氣體為20°C干燥空氣；返流油蒸汽對工藝過程有害。第四十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五計算過程確定真空室中保持1.3×10-3Pa的工作壓強所需要的真空系統(tǒng)的有效抽速S根據(jù)要求的工作壓強及使用要求，選油擴散泵作為主泵計算擴散泵與真空室排氣口間管路的流導(dǎo)，驗證選K-600型擴散泵是否合適。計算前級泵真空管路計算抽氣時間第四十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五確定真空室中保持1.3×10-3Pa的工作壓強所需要的真空系統(tǒng)的有效抽速S為了可靠起見，增大20%?。?388L/s根據(jù)要求的工作壓強及使用要求，選油擴散泵作為主泵山型擋板+高真空擋板閥；一般泵的有效抽速約為泵的抽速的三分子一；選抽速為10000L/s的擴散泵（K-600）試算；抽氣速率L/s）最大反壓強(Pa)極限壓強(Pa)進氣口直徑(mm)推薦前級泵抽速(L/s)K-60012500407*10-5600,70第四十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期五主要考慮管道3，閥門4、擋板5的流導(dǎo)；確定氣體流動狀態(tài)：當(dāng)真空室達到1.3×10-3Pa壓強時，平均壓強為：分子流計算總流導(dǎo)C

計算擴散泵的抽速SP分子流第四十五頁，