第五章真空系统设计PPT讲稿.ppt

第五章真空系统设计第1页，共47页，编辑于2022年，星期三主要内容：n1、真空系统的组成、真空系统的组成n2、真空系统元件及连接、真空系统元件及连接n3、真空系统中常用材料、真空系统中常用材料n4、真空卫生、真空卫生n5、真空系统的设计计算、真空系统的设计计算第2页，共47页，编辑于2022年，星期三1、真空系统的组成、真空系统的组成n1.1真空技术系统图用图形符号真空技术系统图用图形符号：阀门阀门热偶规热偶规扩散泵扩散泵冷阱冷阱第3页，共47页，编辑于2022年，星期三Vacuum System Schematic SymbolsHand Operated Valve.Gate Valve.Pneumatic Gate Valve.Leak Valve.Butterfly Valve.Pneumatic Butterfly.Bellows.Sorption Trap.Vacuum Gauge.Rotary PumpTurbomolecular Pump.Ti Sublimation Pump.Ion Pump.Cryo Pump.第4页，共47页，编辑于2022年，星期三n1.2 真空系统的构成真空系统的构成真空系统是由真空容器真空容器、获得真空、测量真空、控制真空等组件组获得真空、测量真空、控制真空等组件组成。成。较完整的真空系统：真空室真空室所需的真空泵或真空机组：所需的真空泵或真空机组：真空测量装置真空测量装置连接导管连接导管捕集器捕集器真空阀门真空阀门其他真空元件及电气控制系统其他真空元件及电气控制系统将真空泵与相应的真空元件按其性能将真空泵与相应的真空元件按其性能要求组合起来构成的抽气装置要求组合起来构成的抽气装置p低低真真空空抽抽气气机机组组特特点点：工工作作压压强强高高、排排气气量量大大、抽抽速比高真空机组低。速比高真空机组低。p中真空机组中真空机组特点：大抽速、获得中真空特点：大抽速、获得中真空p高真空机组高真空机组特点：工作压强较低、排气小、抽速大特点：工作压强较低、排气小、抽速大p超超高高真真空空机机组组特特点点：工工作作压压强强极极低低、材材料料的的出出气气率率很很小小、漏气率很小、能高温烘烤漏气率很小、能高温烘烤第5页，共47页，编辑于2022年，星期三1.3 典型的真空系统典型的真空系统1、真空室，、真空室，2、真空计，、真空计，3、管道，、管道，4、阀门，、阀门，5、机械泵。、机械泵。第6页，共47页，编辑于2022年，星期三第7页，共47页，编辑于2022年，星期三第8页，共47页，编辑于2022年，星期三1.4 真空系统的基本操作规测真空系统的基本操作规测n启动油封机械泵时，首先保证转子方向正确、油位符合要求；启动油封机械泵时，首先保证转子方向正确、油位符合要求；n油封机械泵停止时，防止压差返油；油封机械泵停止时，防止压差返油；n不要让机械泵工作到极限压强；不要让机械泵工作到极限压强；n不要让油封机械泵在大气压强下或较高压强下长时间工作；不要让油封机械泵在大气压强下或较高压强下长时间工作；n在扩散泵通大气之前，应将泵油冷却到安全温度，防止高温下油氧化；在扩散泵通大气之前，应将泵油冷却到安全温度，防止高温下油氧化；n高真空泵在工作之前，先要开启水冷；高真空泵在工作之前，先要开启水冷；n使用电离计时，应在真空室压强低于使用电离计时，应在真空室压强低于1.3310-1Pa，才接通电离计；，才接通电离计；n真空系统停止工作时，应将系统内的各元件（包括真空室）都保持真空状态下封真空系统停止工作时，应将系统内的各元件（包括真空室）都保持真空状态下封存，但机械泵要通大气；存，但机械泵要通大气；第9页，共47页，编辑于2022年，星期三2、真空系统元件及连接、真空系统元件及连接n真空元件真空元件:真空室、真空泵、真空测量装置、连接导管、真空阀门、捕真空室、真空泵、真空测量装置、连接导管、真空阀门、捕集器（阱）、除尘器、真空继电器集器（阱）、除尘器、真空继电器真空阀门真空阀门密封连接密封连接第10页，共47页，编辑于2022年，星期三2.1 真空阀门真空阀门真空阀门的作用：真空阀门的作用：p开关气路开关气路p控制气流大小控制气流大小p定量充气。定量充气。阀门的开合阀门的开合真空阀门的工作形式：真空阀门的工作形式：隔膜阀、球阀、蝶阀、插板阀、挡板阀、翻板隔膜阀、球阀、蝶阀、插板阀、挡板阀、翻板阀、针阀、阀、针阀、超高真空阀、无油玻璃真空阀超高真空阀、无油玻璃真空阀电磁阀，手动阀、气动阀电磁阀，手动阀、气动阀第11页，共47页，编辑于2022年，星期三典型的真空阀工作方式：典型的真空阀工作方式：直角阀直角阀直通阀直通阀球阀球阀蝶阀蝶阀第12页，共47页，编辑于2022年，星期三典型的真空阀工作方式：典型的真空阀工作方式：直角阀直角阀直通阀直通阀球阀球阀蝶阀蝶阀第13页，共47页，编辑于2022年，星期三可调流量控制器可调流量控制器漏阀（放气阀）漏阀（放气阀）第14页，共47页，编辑于2022年，星期三2.2 密封密封n密封材料密封材料密封材料密封材料工作温度范工作温度范围围/适用真空区适用真空区域域密封材料密封材料工作温度范工作温度范围围/适用真空区适用真空区域域天然橡胶天然橡胶-3090低、中真空低、中真空铅铅-200170高真空高真空丁基橡胶丁基橡胶-30130低、中、高低、中、高真空真空铝铝-200-350超高真空超高真空丁腈橡胶丁腈橡胶-30130低、中、高低、中、高真空真空银银-200450超高真空超高真空氟橡胶氟橡胶-30240高、超高真高、超高真空（少用）空（少用）铜铜-200500超高真空超高真空硅橡胶硅橡胶-100260低、中真空低、中真空金金-200500超高真空超高真空聚四氟乙烯聚四氟乙烯-150250高、超高真高、超高真空（少用）空（少用）第15页，共47页，编辑于2022年，星期三真空阀门的胶垫密封结构真空阀门的胶垫密封结构正压强正压强的的O-ring密封密封第16页，共47页，编辑于2022年，星期三其它其它O-ring密密封封第17页，共47页，编辑于2022年，星期三快快速速接接头组件头组件第18页，共47页，编辑于2022年，星期三n橡胶密封材料的基本要求n光华表面；无划伤；无裂纹；具有低的出气率、挥发率和透气率；光华表面；无划伤；无裂纹；具有低的出气率、挥发率和透气率；n良好的耐热性、耐油性、抗老化能力、耐压缩形变（良好的耐热性、耐油性、抗老化能力、耐压缩形变（0.65）第19页，共47页，编辑于2022年，星期三真空阀门的金属垫密封真空阀门的金属垫密封金属垫金属垫第20页，共47页，编辑于2022年，星期三各式金各式金属嵌入密封属嵌入密封Materials Ag,In,Al,Au,Cu,Alloy第21页，共47页，编辑于2022年，星期三n优点优点n放气远小于橡胶；放气远小于橡胶；n气体渗透低气体渗透低n耐高温耐高温n缺点缺点金属密封圈弹性差，需要很大的密封力才能保证可靠的真空密封金属密封圈弹性差，需要很大的密封力才能保证可靠的真空密封重复使用性很差，有些金属密封圈只能使用一次重复使用性很差，有些金属密封圈只能使用一次法兰密封面和刀口的粗糙度和配合精度要求高，很小的伤痕都能破坏密封，大法兰密封面和刀口的粗糙度和配合精度要求高，很小的伤痕都能破坏密封，大尺寸法兰加工困难。尺寸法兰加工困难。密封圈和法兰材料的线膨胀系数相差较大，加热不均匀或密封结构设计得不正确，密封圈和法兰材料的线膨胀系数相差较大，加热不均匀或密封结构设计得不正确，会引起局部变形而造成漏气会引起局部变形而造成漏气真空阀门的金属垫密封的优缺点真空阀门的金属垫密封的优缺点第22页，共47页，编辑于2022年，星期三2.3 真空连接及密封真空连接及密封n真空法兰（真空法兰（Vacuum Flanges)连接连接n动密封连接动密封连接n引入接口（引入接口（Fittings）VCR、VCO、NPT、快速接头、底板密封式、快速接头、底板密封式（Baseplate）接头、测试用圆端口及软管接头）接头、测试用圆端口及软管接头 n观察窗（观察窗（Viewports）第23页，共47页，编辑于2022年，星期三穿通密封件穿通密封件(Feedthroughs)穿通密封件是一种可以穿过真空腔壁来传输各种电功率、电信号、运动、运转、流穿通密封件是一种可以穿过真空腔壁来传输各种电功率、电信号、运动、运转、流体及光束等的密封器件。体及光束等的密封器件。n电穿通密封件电穿通密封件:电穿通密封件，包括各种不同规格的接口、耐压及载流指标。电穿通密封件，包括各种不同规格的接口、耐压及载流指标。电穿通密封件主要分为以下四种：功率式，同轴信号式，热电偶式，陶瓷电穿通密封件主要分为以下四种：功率式，同轴信号式，热电偶式，陶瓷隔离式。隔离式。n流体穿通密封件流体穿通密封件:传送液体或气体到真空腔室内的设备，目的通常是为了传送液体或气体到真空腔室内的设备，目的通常是为了散热冷却，或提供动力给气动或液压驱动的装置。散热冷却，或提供动力给气动或液压驱动的装置。n传动式穿通密封件传动式穿通密封件:传动式穿通密封件是一种精密的操作装置，可用来移传动式穿通密封件是一种精密的操作装置，可用来移动或定位真空室内的物体。动或定位真空室内的物体。n光学式穿通密封件光学式穿通密封件(Viewports)是安装在真空腔壁上的特定的玻璃窗口，其是安装在真空腔壁上的特定的玻璃窗口，其用途包括：用途包括：可让操作员观察真空室内的操作过程；可让操作员观察真空室内的操作过程；透过特定波长的光束进透过特定波长的光束进行物理或化学反应；行物理或化学反应；测量在工艺中放射出来的光波或其他电磁波测量在工艺中放射出来的光波或其他电磁波；或监或监控某特定波长的光学效应控某特定波长的光学效应(椭圆偏光测量术椭圆偏光测量术)等。等。第24页，共47页，编辑于2022年，星期三磁流体磁流体 转轴转轴转动转动裝置裝置第25页，共47页，编辑于2022年，星期三利用弯曲的伸缩管转动传送利用弯曲的伸缩管转动传送第26页，共47页，编辑于2022年，星期三线性传动线性传动利用伸缩管利用伸缩管进行进行倾斜操作倾斜操作第27页，共47页，编辑于2022年，星期三第28页，共47页，编辑于2022年，星期三第29页，共47页，编辑于2022年，星期三第30页，共47页，编辑于2022年，星期三第31页，共47页，编辑于2022年，星期三n光学材料可选Kodial玻璃、石英、蓝宝石、特殊玻璃材料(例如硒化锌，氟化镁等)及有光学镀层的7980高纯熔融石英（专用于传输激光）。第32页，共47页，编辑于2022年，星期三3、真空卫生、真空卫生n4.1材料表面常见的污染形式材料表面常见的污染形式n4.2 材料表面净化材料表面净化n4.3表面净化处理的基本方法表面净化处理的基本方法n4.4 放电清洗放电清洗n4.5气体冲洗气体冲洗n4.6 非金属材料的清洗非金属材料的清洗n4.7清洗的基本程序清洗的基本程序n4.8清洗注意事项清洗注意事项n4.9清洁零件的存放清洁零件的存放第33页，共47页，编辑于2022年，星期三3.1材料表面常见的污染形式材料表面常见的污染形式n环境空气中的尘埃和抛光残渣及其它有机物等；环境空气中的尘埃和抛光残渣及其它有机物等；n水基类水基类:操作者的手汗、吹气时的水汽、唾液等；操作者的手汗、吹气时的水汽、唾液等；n表面氧化物：材料长期放置在空气中或放置在潮湿空气中表面氧化物：材料长期放置在空气中或放置在潮湿空气中所形成的表面氧化物；所形成的表面氧化物；n酸、碱、盐类物质：清洗时的残余物质、手汗、水中的矿物质酸、碱、盐类物质：清洗时的残余物质、手汗、水中的矿物质等；等；n油脂：加工、装配、操作时沾染上的润滑剂、切削液、真空油油脂：加工、装配、操作时沾染上的润滑剂、切削液、真空油脂等。脂等。第34页，共47页，编辑于2022年，星期三3.2 材料表面净化材料表面净化n表面净化表面净化：在真空工艺进行前，先从工件或系统材料表面清：在真空工艺进行前，先从工件或系统材料表面清除所不期望的物质的过程除所不期望的物质的过程n净化的目的：净化的目的：为了改进真空系统中所有器壁和其他组件表面为了改进真空系统中所有器壁和其他组件表面在各工作条件下的工作稳定性在各工作条件下的工作稳定性n清洁表面的分类：清洁表面的分类：原子级清洁表面原子级清洁表面；工艺技术上的清洁表面工艺技术上的清洁表面。第35页，共47页，编辑于2022年，星期三3.3表面净化处理的基本方法表面净化处理的基本方法n溶剂清洗（溶剂清洗（最普遍最普遍）软化水或含水系统；无水有机溶剂；石油分馏物；乳状液或软化水或含水系统；无水有机溶剂；石油分馏物；乳状液或溶剂蒸气；金属清洗剂溶剂蒸气；金属清洗剂n超生清洗（超生清洗（清除较强粘附污染清除较强粘附污染）n蒸气脱脂清洗（蒸气脱脂清洗（简单、大批量简单、大批量）清除基片表面油脂膜和类油脂膜等氢化物清除基片表面油脂膜和类油脂膜等氢化物n电解侵蚀清洗电解侵蚀清洗 缩短侵蚀时间，减少溶液的消耗量缩短侵蚀时间，减少溶液的消耗量 n加热和辐照清洗加热和辐照清洗 将工件放置于常压或真空中加热，促使表面上的挥发杂质蒸发来达到清洗的目的。将工件放置于常压或真空中加热，促使表面上的挥发杂质蒸发来达到清洗的目的。第36页，共47页，编辑于2022年，星期三3.4 放电清洗放电清洗 应用于高真空、超高真空系统的清洗除气。应用于高真空、超高真空系统的清洗除气。3.5 气体冲洗气体冲洗 氮气冲洗氮气冲洗：在系统中通入干燥的氮气，因为氮气在材料表面吸附：在系统中通入干燥的氮气，因为氮气在材料表面吸附时，吸附热小，吸留时间短。时，吸附热小，吸留时间短。第37页，共47页，编辑于2022年，星期三3.6 非金属材料的清洗非金属材料的清洗n玻璃陶瓷的清洗玻璃陶瓷的清洗 溶剂清洗溶剂清洗n塑料与橡胶的清洗塑料与橡胶的清洗 特殊清洗特殊清洗n污染物的确定污染物的确定n清洗方法的确定清洗方法的确定n清洗溶剂的选择清洗溶剂的选择3.7 涤清洗的基本程序涤清洗的基本程序第38页，共47页，编辑于2022年，星期三3.8 清洗注意事项清洗注意事项n有序操作有序操作3.9 清洁零件的存放清洁零件的存放n尽可能缩短暴露大气；尽可能缩短暴露大气；n储存容器必须与零件一样清洁；储存容器必须与零件一样清洁；n已净化的零件严禁用手触摸。已净化的零件严禁用手触摸。第39页，共47页，编辑于2022年，星期三4、真空系统的设计计算、真空系统的设计计算n4.1 气体负荷的计算气体负荷的计算n真空室内总气体负荷真空室内总气体负荷n漏气流量的计算漏气流量的计算n放气流量的计算放气流量的计算n方法方法 渗透气体流量的计算渗透气体流量的计算n工艺工程中真空室内产生的气体流量的计工艺工程中真空室内产生的气体流量的计算算n4.2 抽气时间和压强的计算抽气时间和压强的计算低真空抽气时间的计算低真空抽气时间的计算高真空抽气时间的计算高真空抽气时间的计算真空室的极限压强真空室的极限压强真空室的工作压强真空室的工作压强抽气过程中真空室的压强抽气过程中真空室的压强第40页，共47页，编辑于2022年，星期三n4.3真空泵的选择与匹配计算真空泵的选择与匹配计算n主泵的选择与计算主泵的选择与计算n前级真空泵前级真空泵(预抽泵预抽泵)的选择与计算的选择与计算n4.4 真空系统的结构设计真空系统的结构设计n4.5 真空系统的安装调试与操作维护真空系统的安装调试与操作维护4、真空系统的设计计算、真空系统的设计计算第41页，共47页，编辑于2022年，星期三事例:n 设计一台有油真空系统。真空室的直径为100cm容积为V1.5m3，内表面积为7.5m2。真空室材料为不锈钢 1小时后的出气率为2.310-5 Pa.L/(s.cm2)，2时后的出气率为1.510-5PaL(s.cm2)。n真空室工作压强为p1.310-3Pa，n真空室工艺过程中放出的气体量Q11.3 PaL/s，n系统的总漏气量Q26.710-1 PaL/s；n被抽气体为20C干燥空气；n返流油蒸汽对工艺过程有害。第42页，共47页，编辑于2022年，星期三计算过程计算过程1确定真空室中保持确定真空室中保持1.310-3Pa的工作压强所需要的真空系统的的工作压强所需要的真空系统的有效抽速有效抽速S2根据要求的工作压强及使用要求，选油扩散泵作为主泵根据要求的工作压强及使用要求，选油扩散泵作为主泵3计算扩散泵与真空室排气口间管路的流导，验证选计算扩散泵与真空室排气口间管路的流导，验证选K-600型扩型扩散泵是否合适。散泵是否合适。4计算前级泵真空管路计算前级泵真空管路5计算抽气时间计算抽气时间第43页，共47页，编辑于2022年，星期三确定真空室中保持确定真空室中保持1.310-3Pa的工作压强所需要的真空系统的有效抽速的工作压强所需要的真空系统的有效抽速Sn为了可靠起见，增大为了可靠起见，增大20%取：取：3388L/s根据要求的工作压强及使用要求，选油扩散泵作为根据要求的工作压强及使用要求，选油扩散泵作为主泵主泵山型挡板山型挡板+高真空挡板阀；高真空挡板阀；一般泵的有效抽速约为泵的抽速的三分子一；一般泵的有效抽速约为泵的抽速的三分子一；选抽速为选抽速为10000L/s的扩散泵（的扩散泵（K-600）试算；）试算；抽气速率L/s）最大反压强(Pa)极限压强(Pa)进气口直径(mm)推荐前级泵抽速(L/s)K-60012500 407*10-5600,70第44页，共47页，编辑于2022年，星期三n主要考虑管道主要考虑管道3，阀门，阀门4、挡板、挡板5的流导；的流导；n确定气体流动状态：当真空室达到确定气体流动状态：当真空室达到1.310-3 Pa压强时，压强时，平均压强为：平均压强为：分子流分子流n 计算总流导计算总流导Cn 计算扩散泵的抽速计算扩散泵的抽速SP分子流分子流第45页，共47页，编辑于2022年，星期三计算前级泵真空管路计算前级泵真空管路在在2.7*10-2Pa下，扩散泵的最大排气量为：下，扩散泵的最大排气量为：前级泵的抽速不得低于：前级泵的抽速不得低于：前级管道的平均压强：前级管道的平均压强：粘滞流粘滞流通常将通常将Sp增大增大1.53倍，选泵。倍，选泵。2X-30型机械泵第46页，共47页，编辑于2022年，星期三计算抽气时间计算抽气时间忽略管道的容积，利用忽略管道的容积，利用2X-30型机械泵从大气抽到型机械泵从大气抽到13.3Pa，其抽速为其抽速为30L/s粗抽时间不大于粗抽时间不大于1030分钟，故可行分钟，故可行13.3Pa1.3*10-3的抽气时间的抽气时间考虑出气影响，一小时后的出气量考虑出气影响，一小时后的出气量可见高真只要可见高真只要1小时就可达到。小时就可达到。第47页，共47页，编辑于2022年，星期三