真空系统设计计算ppt课件

1 真空系统设计 主讲人 王继常东北大学 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 2 真空系统设计 1 真空系统的组成2 真空技术基本方程3 真空系统的设计计算4 气体流动状态的判别5 流导的计算6 抽气时间的计算7 真空密封 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 3 1 真空系统的组成 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 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 4 1 1真空系统的概念 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 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 5 1 2真空系统的组成元件 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 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 6 1 3真空系统示意图 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 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 如图1 7 1 4高真空系统 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 图1所示的最简单的真空系统只能获得低真空度 当需要获得高的真空度时 需要添加高真空泵 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 以便高真空泵能单独保持真空 如果所串联的高真空泵是一个油扩散泵 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 8 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 9 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 高真空油扩散泵机组 10 1 5真空系统设计的基本内容 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 真空系统设计的基本内容 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 确定导管 阀门 捕集器 真空测量元件等 进行合理配置 最后划出真空系统装配图和零部件图 11 2 真空技术基本方程 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 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 12 2 1真空系统的最主要性能参数 极限真空度和有效抽速 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 真空系统的极限真空度是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是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 13 2 2流导的定义 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 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 14 2 3真空技术基本方程 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 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 则有方程 a b c 本质上是同一个方程 在真空系统设计中是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 15 2 4真空技术基本方程在真空系统设计中的意义 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 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 此时真空系统对容器的有效抽速Se Sp 这就是说为了充分发挥泵对容器的抽气作用 在设计真空系统管路时 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 这就是说 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 16 3 真空系统的设计计算 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 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 17 3 1选主泵 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 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 18 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 19 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 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 20 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 21 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 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 22 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 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 m s Q 真空室内所用耐火保温材料的出气流量 Pa m s 23 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 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 m 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 m 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 24 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 a Qg的计算式中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 25 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 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 26 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 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 27 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 b Qn的计算某些真空设备的真空室内要求加热到较高的温度 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 Pd 标准大气压 Pa t 耐火保温材料被加热的时间 s 28 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 c 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 m2 s 一般用抽空一小时的放气速率数据 Ai 第i种材料暴露于真空条件下的表面积 m2 29 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 在利用式 38 计算真空室内的总排气流量时 对于某一种确定的真空设备 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Qn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 漏气流量Ql的计算用式 28 30 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 2 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QPa m3 s所要求的工作真空度为pgPa则被抽容器所要求的有效抽速Sey为 31 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 3 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 根据式 2 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 32 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 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 4 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 33 3 2配泵 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 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 1 前级泵应保证能及时排出主泵所排出的气体流量 2 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 3 兼作预抽泵的前级泵应满足预抽时间的要求 34 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 所配前级泵确定之后 即可按前级泵的入口尺寸选择前级管道阀和预抽管道阀 确定各部分连接管道的尺寸 根据以上的确定 可绘制出真空系统设计图 35 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 几种典型主泵的配泵 1 油蒸气流泵作为主泵当选用油蒸气流泵作为主泵时 配前级泵的方法可以按经验标准所推荐的前级泵的大小来确定 见表4 36 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 2 分子泵作为主泵分子泵作为主泵时 其抽气能力与前级泵的抽气能力有密切关系 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 S2 前级泵的抽速 m3 s 37 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 3 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 S2 油封机械泵作为前级泵的抽速 Ss 水环泵作前级泵的抽速 38 3 3储气罐和维持泵 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 1 作用 在前级泵停止工作时 保证能排出主泵内的气体 2 使用场合 a 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 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 b 储气罐 储气罐可用在大型主泵的系统上 39 3 4真空系统设计中应该注意的问题 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 1 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 2 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 3 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 40 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 4 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 一般在有一个蒸气流泵作为主泵 扩散泵或油增压泵 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 还应有一个预真空管道 真空室直通机械泵的管道 其次是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 也叫低真空阀 在预真空管道上设置预真空管道阀 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 给装料和取料时用 41 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 5 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 6 真空系统设计中要采用新技术 做到自动控制和联锁保护 7 真空系统设计中要求做到节省能源 降低成本 使用方便可靠 42 3 5真空系统的典型形式 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 3 5 1静态系统和动态系统静态真空系统 系统中没有气体流动 系统内各部分的压强相等 而且长时间不变化 凡是真空室或管道内没有放气或漏气的系统均属静态真空系统 实际上 绝对的没有放气和漏气的情况是不存在的 但是在漏气和放气流量都非常小的情况下 系统中几乎没有气流就可以认为是静态真空系统 动态真空系统 系统中有气体流动 系统中各处压强不等 系统的各截面有压强降落 凡是真空室或系统某处有放气或漏气的真空系统均属此类 43 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 3 5 2真空系统分类 1 按真空系统工作真空度的高低可分为低真空系统 中真空系统 高真空系统和超高真空系统 2 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 3 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 44 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 3 5 3典型的真空系统形式 1 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 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 45 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 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 46 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 真空感应熔炼炉 47 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 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 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 48 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 49 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 罗茨泵串联滑阀泵机组 50 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 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 下图为一实列 51 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 罗茨泵串联小型罗茨泵 中间泵 再串联机械泵 52 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 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 图15为一实例 53 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 54 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 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 55 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 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 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 56 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 扩散泵串联滑阀泵 57 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 扩散泵串联油增压泵 再串联机械泵该系统起动慢 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 但预抽气时间短 因为中间有罗茨泵 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 58 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 59 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 扩散泵串联罗茨泵和滑阀泵 60 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 4 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 61 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 62 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 扩散泵串联扩散泵 中间泵 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 63 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 64 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 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 65 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 66 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 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 67 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 5 真空机组a 真空机组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 b 几种真空机组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 68 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 69 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 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 70 3 6真空系统的结构设计 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 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 设计中应注意的问题 1 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 2 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 3 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 71 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 72 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 4 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 5 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 6 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 73 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 7 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 8 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 74 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 9 真空系统上测量规管座位置安排应遵循如下原则 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 规管内壁各处 必须保证真空卫生 否则会造成测量不准 规管应尽量接在靠近被测量的地方 以减少测量误差 75 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 10 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 76 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 课程结束谢谢 77 4 气体流动状态的判别 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 4 1气体流动状态对流导的影响4 2气体流动状态的分类4 3湍流 湍 粘滞流 粘滞流之间的判别式4 4粘滞流 粘滞 分子流和分子流之间的判别式 78 4 1气体流动状态对流导的影响 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 气体在管道中的流动状态不同 管道的流导也不一样 也就是说 管道对气体的流导不仅取决于管道的几何形状和尺寸 还与管道中流动的气体种类和温度有关 在有的流动状态下还取决于管道中气体的平均压力 所以在计算管道对气体的流导时 首先必须判明管道中的气流是哪一种流动状态 79 4 2气体流动状态的分类 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 在真空状态下 气体通过管道的流动属于稀薄气体流动 在真空系统管路中的气流有五种流动状态 湍流 又称紊流 涡流 湍 粘滞流 粘滞流 又称层流 粘性流 泊稷叶流 粘滞 分子流 分子流 又称自由分子流 克努森流 湍 粘滞流是湍流和粘滞流之间的过渡状态 粘滞 分子流是粘滞流和分子流之间的过渡状态 80 4 3湍流 湍 粘滞流 粘滞流之间的判别式 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 对于室温20 空气 湍流 湍 粘滞流 粘滞流之间的判别式是Q 2660D为湍流Q 1450D为粘滞流1450D Q 2660D为湍 粘滞流式中Q 通过管道的气体流量 Pa m3 s D 管道的内径 m 81 4 4粘滞流 粘滞 分子流和分子流之间的判别式 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 对于室温20 空气 粘滞流 粘滞 分子流和分子流之间的判别式是式中D 管道的内径 m 管道中气体的平均压强 Pa 82 5 流导的计算 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 5 1流导和流导几率5 1 1流导5 1 2流导几率5 2流导的计算5 2 1粘滞流时流导的计算5 2 2分子流时流导的计算 83 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 5 2 3粘滞 分子流时 圆管对于室温空气的流导的计算5 2 4管路元件串 并联时 流导的计算5 2 4 1串联管路的流导5 2 4 2并联管路的流导 84 5 1流导和流导几率5 1 1流导 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 流导的定义 在单位压差下 流经管路元件气流量的大小被称为流导 流导的定义式 Q 气流量 单位Pa m s P P 管路压强差 单位Pa C 流导 单位m s 85 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 流导的意义 流导的大小说明在管路元件两端的压强差P P 一定的条件下流经管路元件的气流量的多少 当压差P P 一定时 流导C的值较大 那么流经管路元件的气流量Q的值就较大 反之流导C的值小 则流经元件的气流量Q就小 所以作为真空系统管路元件 不管是导管 还是阀门 捕集器 除尘器等 都希望它的流导值尽可能大一些 使气流能顺利地通过 因此 流导是真空系统管路元件的一个重要参数 在真空系统设计计算中 要计算管路元件以及某段真空系统管路的流导 86 5 1 2流导几率 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 流导几率的定义 流导几率也称为传输几率 其物理意义是气体分子从元件的入口入射进入元件能从管路元件的出口逸出的概率 在分子流状态下 利用流导几率来表征真空系统管路元件对气体的导通性能更直观 更本质 流导几率的定义式 式中pr 流导几率 C 管路元件的流导 Cfk 管路元件入口孔的流导 87 5 2流导的计算在真空系统中 连接管道通常采用的是圆截面管道 被抽气体又多为室温下的空气 因此这里只简要介绍圆孔和圆截面管道对室温空气的流导 5 2 1粘滞流时流导的计算 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 5 2 1 1薄壁孔粘滞流时气体流经薄壁孔 如图4所示 当P1 P2时 气体从空间流向空间 试验发现 当P1不变时 随P2下降 通过孔口的流速和流量都增加 但当P下降到某一值时 它们都不再随P2下降而增加 88 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 89 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 对于室温空气 面积为Am2的薄壁孔的流导为 式中r为孔口两侧的压强比 r P2 P1 其中P1 P2 A为薄壁孔的面积 m2 90 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 对于室温空气 圆形薄壁孔的流导为 式中 D为圆形薄壁孔的直径 m 91 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 5 2 1 2不考虑管口影响时 圆管的流导当管道的长度比较长 管口对气流的影响 在工程计算中 通常把管道的轴线长度L与管道直径D的比值L D 20的管道视为 长管 其实质是可以不考虑管口的影响进行计算 设圆管的轴线长度为Lm 直径为Dm 则其粘滞流条件下对于室温空气的流导为 式中是管道中气体的平均压强 Pa 92 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 5 2 1 2考虑管口影响时 圆管的流导在粘滞流条件下 气流从大容积进入管口 在管口处受到影响 这种影响破坏了粘滞流的应有秩序 使管道的流导减小 这种影响常称为管口效应 在工程计算中 一般认为管道的长径比L D 20时 管口效应的影响在进行计算中不能忽略 这就是所说的 短管 对于室温空气 考虑管口影响时 管道的流导用下式计算 式中L和D分别为管道的长度和直径 m 是管道中气流的平均压强 Pa Q是管道中的气流量 93 5 2 2分子流时流导的计算 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 5 2 2 1薄壁孔分子流时 对于室温空气 面积为Am2的薄壁孔的流导用下式计算 对于直径为Dm的圆孔 94 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 5 2 2 2不考虑管口影响时 圆管的流导不考虑管口影响时 在分子流条件下 任意截面形状管道的流道计算式可由克努森流导积分公式导出式中 是气体分子热运动平均速率 B为管道横截面周长 A为管道横截面面积 L为管道长度 K为管道断面形状修正系数 K值的大小由实验确定 由式 15 导出的圆管的流导为式中L和D分别为圆管的长度和直径 m 95 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 5 2 2 3不考虑管口影响时 圆锥形管的流导对于图5所示的截圆锥形管道 其分子流流导的计算式为式中D1为锥管大端直径 m D2为小端直径 m L为锥管轴线长度 m 96 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 5 2 2 4考虑管口影响时 圆管的流导设圆管的长度为L 半径为R 直径为D 2R 在分子流条件下 考虑管口影响时 圆管的流导几率pr如下 97 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 因此 当考虑管口影响时 圆管对于室温空气的流导计算式为 98 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 5 2 2 5真空阀门的分子流流导对于真空阀门的分子流流导计算可用下式 式中Cfk 阀门入口孔的分子流流导 m3 s pr 是阀门的流导几率 99 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 5 2 2 常用水冷障板的流导水冷障板的分子流流导的计算可用两种方法 一种是利用 比流导 的数值进行计算 比流导 指的是捕集器入口单位面积上的流导 利用 比流导 数据进行计算可用下式 式中Cs是捕集器的比流导 m3 m2 s 其数值可查有关资料 A是捕集器的入口面积 m2 100 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 若捕集器不是用水冷却 而是用其它冷剂 则式 20 要引入一个温度影响系数l 若冷凝剂用的是干冰 固体CO2 取l 1 2 若是液氮 则取l 1 7 第二种方法是用流导几率进行计算 对于很多种结构形式的捕集器 其流导几率值已有资料给出 因而利用式 8 可方便地进行计算 101 5 2 3粘滞 分子流时 圆管对于室温空气的流导计算 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 粘滞 分子流时 圆管对于室温空气的流导计算式是 102 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 在式 21 和 22 中 D是管道直径 m L是管道长度 m 是管道中气体平均压强 Pa 函数J f D 的数值见表1 103 5 2 4管路元件串 并联时 流导的计算 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 5 2 4 1串联管路的流导图6所示的一段管路 是导管 阀门 捕集器三个元件串联 若C1 C2 C3分别是这三个元件的流导 则它们串联之后的整段管路的流导为 104 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 n个管道元件串联后整个管路的流导为式中Ci是第i个元件的流导 可见管路元件串联之后 整个管路的流导等于各元件流导的倒数的代数和的倒数 105 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 5 2 4 2并联管路的流导图7所示的整段管路是三条导管的并联 若C1 C2 C3分别是这三条导管的流导 则并联后组成的整段管路的流导C为 106 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 如果有n条管路并联组成一段管路 则并联之后整段管路的流导为式中Ci是第i个管道的流导 可见并联管路的流导等于各并联元件流导的代数和 107 6 抽气时间的计算 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 6 1真空系统的抽气方程6 2低真空抽气时间的计算 108 6 1真空系统的抽气方程 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 6 1 1真空室内的气体来源 1 被抽容器内原有的空间大气 若容器的容积为Vm3 抽气初始压强为P0Pa 则容器内原有的大气量为VP0Pa m3 2 被抽容器被抽空后各种材料的放气 单位时间内的放气流量可以用QfPa m3 s来示 实验表明 材料表面单位时间内单位表面积的放气率q可以用下面的经验公式来计算 109 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 式中q1是抽空1h后放气速率 Pa m3 m2 s q0是抽空时间无限长之后材料表面的放气速率 Pa m3 m2 s t是抽空时间 h 是与材料的种类及其预处理状况有关的放气时间指数 值在0 5 2之间变化 真空室内暴露于真空下的构件表面 可能有多种材料 所以总的表面放气流量Qf为 式中 Ai是第i种材料暴露在真空下的表面积 m2 q1i是第i种材料在抽空1h后的表面放气速率 Pa m3 m2 s i是第i种材料的放气时间指数 Q0是抽气时间无限长后总的放气流量 Pa m3 s t是抽空时间 h 110 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 3 大气通过容器壁结构材料向真空室内渗透的气体流量 以QsPa m3 s表示 4 液体或固体蒸发的气体流量QzPa m3 s 5 大气通过各种真空密封的连接处 通过各种漏隙通道泄漏进入真空室的漏气流量QLPa m3 s 111 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 6 1 2真空系统的抽气方程当真空泵启动之后 真空系统即对被抽容器抽气 此时 真空系统对容器的有效抽速若以Se表示 容器中的压力以P表示 则单位时间内系统所排出的气体流量即是SeP 容器中的压强变化率为dP dt 容器内的气体减少量即是VdP dt 根据动态平衡 可列出如下方程 这个方程称为真空系统抽气方程 112 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 式中V是被抽容器的容积 由于随着抽气时间t的增长 容器内的压力P降低 所以容器内的压强变化率dP dt是个负值 因而VdP dt是个负值 这表示容器内的气体减少量 放气流量Qf 渗透气流量Qs 蒸发的气流量Qz和漏气流量QL都是使容器内气体量增多的气流量 SeP则是真空系统将容器内气体抽出的气流量 所以方程中记为 SeP 113 6 2低真空抽气时间的计算 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 低真空阶段抽气可分为近似常抽速和变抽速两种情况来分别考虑 6 2 1近似常抽速时 抽气时间的计算油封机械泵在大气压到102Pa范围内抽速近似为常抽速 抽气方程为 114 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 1 不考虑管道影响和漏放气时抽气时间的计算假定真空泵的入口直接连到容器出口上进行抽空 如图8所示 则可以不考虑管道影响和漏放气 115 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 则可得抽气时间计算的最基本的公式V是容器的容积 m3 Sp是真空泵的抽速 m3 s P0是抽气开始时容器内的压强 Pa P是抽气终了时容器内的压强 Pa t是将容器内的压强从P0降低到P的抽空时间 s 116 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 2 不考虑管道影响而考虑漏放气时抽气时间的计算式中Pu是真空系统所能达到的极限真空度 Pa 其余符号的意义同前 117 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 3 考虑管道影响和漏放气时 抽气时间的计算式中Se是真空泵对容器的有效抽速 m3 s 其余符号的意义同前 118 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 6 2 2变抽速时抽气时间的计算大多数真空泵的抽速都随其入口压强的变化而变化 尤其是机械真空泵 当其入口压强低于10Pa时 泵的抽速随其入口压强的变化更为显著 图9是某些真空泵的抽速特性曲线示意图 119 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 1 分段计算法在一般情况下 计算变抽速时的抽气时间需要首先知道泵的抽速与其入口压强的关系 如图10所示 假定需要求容器内的压力由P0降低到P的抽气时间 则可以将P0到P这个压强区段分成n段 段数愈多 计算的抽气时间愈接近变抽速的实际 设相应每段的抽气时间为t1 t2 ti tn 取每段的平均抽速为S1 S2 Si Sn 用相应的公式进行各个压力区段的抽气时间计算 然后求其代数和即得总的抽气时间t 120 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 2 经验系数计算法油封机械真空泵的实际抽速S随其入口压强的降低而降低 研究其抽速特性曲线发现 其实际抽速S与其名义抽速Sp的近似关系是 式中系数K在不同压力区间的取值如表2 121 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 因此抽气时间的计算可用下式 122 7 真空密封 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 7 1概述7 2静密封7 2 1永久密封连接7 2 2可拆密封连接7 2 3 O 形密封圈的密封力计算7 2 4垫圈密封的机理7 3动密封7 3 1接触密封连接7 3 2非接触密封连接7 3 3软件变形密封连接 123 7 1概述 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 真空密封的意义真空系统是由真空泵 阀门 扑集器 导管等各种元件通过不同的连接形式组成的 各式各样的零件要用不同的密封方法连接在一起 这些密封方法既要保证零件的可靠连接又要防止通过接头发生漏气 保证真空系统的密封质量 根据被连接件的相互关系 可以将真空密封分为两大类 静密封连接和动密封连接 密封种类的进一步划分见图1 124 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 125 7 2静密封 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 7 2 1永久密封连接永久密封连接用于不需经常拆卸的密封连接处 用这种方法可以保证最好的密封和机械强度 7 2 1 1玻璃与玻璃的封接玻璃封接需要注意的是被封接玻璃之间的热膨胀系数要相近 线膨胀系数之差不大于7 10 7 7 2 1 2玻璃与金属封接最常见到的玻璃与金属的封接是电极引线 以及管道状的玻璃与金属的封接 126 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 匹配密封和非匹配密封a 匹配密封 匹配封接指的是膨胀系数相近的玻璃和金属之间的封接 封接处内应力小 b 非匹配密封 非匹配封接指的是膨胀系数相差较大的玻璃和金属之间的封接 封接处内应力大 为了消除玻璃与金属膨胀系数相差较大而产生的内应力 一般多采用延展性好的薄壁金属管与玻璃封接 靠金属的塑性变形来消除内应力 127 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 非匹配封接分为外封接 玻璃仅熔接在金属管壁外侧 内封接 玻璃仅熔接在金属管壁内侧 和双边封接 玻璃从内 外二侧包住金属管壁 三种 图2为双边密封 128 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 7 2 1 3金属与金属封接焊接方法 图3 129 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 真空技术对焊缝的要求 a 设计焊缝结构时 接头必须焊透 应避免产生聚集污物的有害空间 真空技术中常见的焊接结构如图4所示 130 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 b 焊缝应一次焊好 以避免两次焊接时造成有害空间而无法检漏 c 焊缝因强度需进行两面焊接时 内部焊缝应不漏气 为检漏起见 在进行外焊时应设置钻孔和塞孔 d 如容器内需要进行结构焊接时 内部焊缝不应连续 以便让来自任何沟槽的气体容易放出 而且结构焊缝不应与密封焊缝相交叉 e 焊接的组件应设计得使最大数量的焊缝能在制造阶段分别测试 并且能在进行最终装配以前矫正 131 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 f 焊接密封的允许最大漏率 对于空气 在焊缝长度上约为10 7Pa m3 s m 7 2 1 4金属钎焊定义 钎焊是利用第三种熔点较低的金属连接两个金属零件的方法 是一种低温焊接 钎焊所需的温度多在500 以上 应比被钎焊零件的熔点低50 200 表1是适于真空钎焊的一些被焊材料及其焊接的温度和所使用的焊料 金属钎焊的方式有火焰焊 炉焊和感应焊接 132 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 133 真空系统设计 东北大学首期 真空技术 培训班系列教程之六 钎焊的优点 由于真空钎焊的材料蒸气压较低 又是在真空条件下焊接的 因此它不但可以保证更高的焊接质量 而且也扩大了钎焊的使用范围 可以对焊接时氧化性很强的活性金属 如钛 锆 轻金属 如铝 以及难熔金属 如钨 钼 钽 等进行焊接 因为这些金属在真空条件下完全可以避免在焊接时与氧 水蒸气和氮等产生剧烈反应 从而保证了焊缝的高质量 134 真空系统设计 东北大学