真空系统组成元件.pptx

1第1页/共127页21 1 真空阀门真空阀门1.11.1 概述概述1.21.2 真空阀门的典型结构真空阀门的典型结构1.31.3 真空阀门的设计真空阀门的设计第2页/共127页31.1 概述真空阀门：在真空系统中，用来改变气流方向，调节气流量大小，切断或接通管路的真空系统元件。真空阀门的型号编制方法国家专业标准作了规定,可查阅有关标准。pJB/T7673-1995 真空设备型号编制方法pJB/T6446-2004 真空阀门 例：GDQ-J320第3页/共127页4第4页/共127页5真空阀门在系统中的作用开关气路:控制气流流动路线控制气流大小，调节真空度：定量充气：第5页/共127页6真空阀门的分类 通常按阀门的职能、结构型式、驱动方式、材料和用途进行分类，见表1.第6页/共127页71.2真空阀门的典型结构ll 隔膜阀隔膜阀ll 真空球阀真空球阀 ll 真空蝶阀真空蝶阀ll 插板阀插板阀 ll 挡板阀挡板阀 ll 翻板阀翻板阀ll 电磁阀电磁阀ll 针阀针阀 ll 超高真空阀超高真空阀ll 玻璃真空活塞玻璃真空活塞 ll 无油玻璃真空阀无油玻璃真空阀 第7页/共127页8隔膜式真空阀 利用阀杆将弹性体薄膜紧压在阀座上用来隔断气路。如图3所示,转动手轮可带动阀杆上、下移动,使隔膜离开阀座打开阀门或使隔膜紧压在阀座上关闭阀门。此种阀门如采用丁晴橡胶隔膜,适用于前级和预抽管道上及温度为-2580的非腐蚀性气体。如采用氟橡胶隔膜,可用于高真空系统,使用温度范围为-30150。第8页/共127页9第9页/共127页10第10页/共127页11真空球阀图4所示是真空球阀的结构,该阀中的密封机构是由两个环状弹性体紧压于一个金属球表面构成。金属球上有一个大穿孔,借助于手柄转动金属球使穿孔改变方向,即可接通或切断气路。金属球轴杆与阀体间的密封采用O形密封圈密封。第11页/共127页12第12页/共127页13手动电动气动第13页/共127页14真空蝶阀蝶阀的结构比较简单,如图5所示。阀板的边缘上嵌有O形密封圈,阀板靠螺栓固定在传动轴阀杆上,使阀杆带动阀板转动,当阀板上的密封圈与阀体紧密接触时即实现了阀门的关闭,从关闭位置、阀板再转动90时,阀门即完全打开,该种阀门的主要优点是体积小,结构简单。第14页/共127页15第15页/共127页16电动手动气动第16页/共127页17插板阀图6和图7是插板阀的两种结构型式。弹性体密封圈是嵌在阀体上。转动手柄即可打开或关闭阀门。图6的插板阀关闭时是靠限位块的斜面压紧阀盖,进而压紧密封圈。图7的插板阀是靠链板压紧实现阀口密封。第17页/共127页18第18页/共127页19手动电动气动第19页/共127页20挡板阀图8是一种挡板阀的结构。该阀通过阀盖的开启和压下来实现管路的接通和截止。第20页/共127页21第21页/共127页22电动手动气动第22页/共127页23翻板阀图9、10、11是三种不同结构的真空翻板阀。它们都是用压缩空气为动力源。在阀门打开或关闭的过程中,阀板的运动有一个翻转过程,能翻转一个角度。在图10的结构中,靠滚轮将阀盖挡翻,在这种结构的阀门中,阀盖不能翻转90。图9的结构,阀盖的翻转靠四连杆机构实现,阀盖能实现90翻转。图11的翻板阀是蚌线机构。这种阀门结构简单,总高度低,阀板能翻转90,是我国1971年首创的。在翻板阀中,阀板翻转90时,流导较大。第23页/共127页24第24页/共127页25第25页/共127页26第26页/共127页27第27页/共127页28电磁阀真空阀门的驱动方式为磁力驱动的即为电磁阀。电磁真空阀的密封机构与挡板阀相同,如图12所示。平时,电磁阀的阀盖靠弹簧压紧封住管路通道,需要开启时,将电磁线圈接通电流,磁力即吸引衔铁,带动阀盖,将阀门打开。有的电磁真空阀设计成带充气的,称为电磁真空带充气阀,是专门安装在油封式机械泵入口管路上的专用阀门。阀门与泵接在同一电源上,泵的启动与停止直接控制了阀的开启与关闭。当泵停止工作或电源突然中断时,阀能自动将真空管路封闭,并将大气通过泵的进气口充入泵腔,避免泵油返流污染真空系统。第28页/共127页29第29页/共127页30第30页/共127页31针阀图13是一个超高真空针阀。针阀是一种微调阀,其阀塞为针形,主要用作调节气流量。微调阀要求阀口开启逐渐变大,从关闭到开启最大能连续细微地调节。针形阀塞即能实现这种功能。针形阀塞一般用经过淬火的钢制长针,而阀座是用锡、铜等软质材料制成。阀针与阀座间的密封是依靠其锥面紧密配合达到的。阀针的锥度有150和6锥角两种,锥表面要经过精细研磨。图中的阀杆与阀座间的密封是靠波纹管实现的。第31页/共127页32第32页/共127页33超高真空阀通常的高、低真空阀门,密封垫圈的材料为橡胶,不能承受高温烘烤。因而不能使用在超高真空设备上。能使用在超高真空设备上的超高真空阀门必须满足:(1)能承受高温(400450)多次烘烤;(2)放气量小,气密性好;(3)重复性好;(4)流导大。图14是超高真空阀门的一种。其主要部件是无氧铜阀盖,不锈钢阀体和传动导向机构。阀座刀口型式为直角,挡板起保证阀门重复性的作用,即刀口在阀盖上压出的刀痕每次都能重合第33页/共127页34第34页/共127页35第35页/共127页36玻璃真空活塞玻璃活塞由开有孔的锥形芯子及带有连接管的外套组成,芯子与外套之间的接触面是磨光面,其间涂以真空封脂以取得密封。气体的通路由芯子上的孔和所对准的连接管决定,转动芯子便可控制气体通路。因用封脂密封,芯子与外套之间就不会漏气。图15是典型的玻璃真空活塞。活塞按其连接管道的数目分为二通、三通或多通活塞。二通又分为对通和直角通。在图15(b)中,(2)、(3)两种较(1)的型式密封更好,因在使用中有大气压力将锥芯往内压。第36页/共127页37第37页/共127页38无油玻璃真空阀为避免真空油脂对真空环境的影响,可以采用液态金属密封和磨砂口密封。图16所示是液态金属密封的玻璃真空阀之一。图17所示是玻璃磨口密封的无油真空阀,其密封是由一半球状玻璃阀体与一半球状阀座之间的精密磨光面接触来实现的。以上两种玻璃真空阀均可应用于超高真空系统中,但两侧不能承受大的压强差,只能应用在两侧压强相近(相差200400Pa以内)的场合。玻璃真空阀只能做成小型的,大口径的阀门必须用金属制造。第38页/共127页39第39页/共127页401.3真空阀门的设计真空阀门是真空系统的重要元件。对于构成管路一部分的阀门,其流导大小是一个重要的性能参数。对于主要用来起开关气路作用的阀门,阀板关闭的密封性能也是重要的性能参数之一。密封性能是用其漏气率来衡量的。对于主要用来调节气流大小的阀门,能够调节气流量的精度及范围,则是一项重要的性能参数。对于全金属超高真空阀门,每次关闭是否性能稳定?使用寿命是否长?是其主要的性能指标.第40页/共127页41本部分涉及的主要内容p对真空阀门的一般要求p阀板的密封结构和密封力计算p阀板压紧装置p阀板的传动机构p真空阀门的动力选择p阀门开关的限位和指示p打开阀板的先导装置第41页/共127页42对真空阀门的一般要求阀门密封性能要好,阀板密封处的漏气率要小;阀板开启后应尽可能有较大的流导;阀门内所用材料应有较低的饱和蒸气压,高抗腐蚀性能和高化学稳定性、耐磨损、寿命长,超高真空阀门应能耐烘烤(400450);阀门结构要简单,开关轻便省力,有标志,传动机构在高压侧;真空阀门的型式、基本参数、连接尺寸和技术条件应按国家专业标准执行。第42页/共127页43阀板的密封结构和密封力计算 胶垫密封结构及密封力的计算p橡胶垫圈密封是利用阀板与阀座间压紧橡胶垫圈,依靠橡胶弹性变形填塞表面不平来实现的密封。p目前真空阀门的胶垫密封归纳起来有6种,如图18所示。前4种用于较大口径的阀门,后2种用于较小口径的阀门。a种是早期采用的结构,为了便于加工阀座上的密封槽,必须把阀座与阀壳设计成可拆卸的,这就在结构上增加了一道真空密封。现在绝大多数阀门都采用阀板上带密封圈的结构,如图中(b)、(c)、(d)所示。第43页/共127页44第44页/共127页45p选择真空阀门的密封结构时应注意以下几点:a.尽可能减少阀板下高真空侧的放气因素,例如 选用放气率小的密封垫材料等;b.关阀后密封圈截面上有最大的压缩变形;c.结构力求简单;d.制造方便;e.密封元件便于拆卸和修理。第45页/共127页46p阀门关闭的密封性能好坏决定于密封垫填塞阀座表面不平的程度。影响这种填塞程度的因素有二方面:a.密封垫材料的硬度和压紧程度;b.阀座表面的粗糙度。一般阀座表面的粗糙度都高于Ra3.2，密封垫的硬度都在邵氏55-75之间，实验证明压缩比在15%以上就能使漏气率足够小，考虑制造精度上允许的偏差通常取压缩比为15-25%.胶垫密封阀板的密封力计算,多数可按O形环在矩形槽中受压缩的密封力进行近似地计算:第46页/共127页47式中密封比压力,N/cm2;B密封宽度,即密封圈与阀座的接触宽度,cm;L密封圈平均周长,cm;x相对比压力;E密封圈材料的相氏模量,N/cm2;Bx密封圈的相对宽度,d密封圈的线径,cm;D密封槽的中径,cm。第47页/共127页48 有些阀门只需要单向使用,例如扩散泵入口阀门,阀板只需要封住扩散泵中的真空状态。这种阀的设计,结构上允许阀板在压力差作用下继续被压紧。因此,阀板关闭时只需要初始压紧力就可以。我国1968年真空阀门联合设计中提出,在上述情况下,密封的初始比压力可以取为20N/cm2。实践证明,这种做法是可行的。故这种阀门的初始密封力为：Fs=20BL N 有些阀门需要双向使用，需用下式计算：Fs=BL+7.8510-5 D2Pd N 式中 Pd是大气压强,Pa;其余符号同前。第48页/共127页49金属垫密封结构及密封力计算p图19给出金属垫密封的几种结构。其中图(a)即是针阀的结构。图(b)、(c)、(d)和(e)都是用于超高真空系统中的金属垫密封阀门。一般来说,阀板用软金属紫铜、无氧铜、铝、镍和铅等制成,铜、铝、镍要预先经过退火处理。阀座用硬金属不锈钢等制成刀口形。图(f)、(g)和(h)是用低熔点的软金属及其合金作为密封材料,而阀座也是用硬金属不锈钢等制成。它们都是依靠软金属受压产生塑性变形与阀座密合达到密封的。为保证密封,每次阀板关闭时刀口的压痕必须重合。为此除了阀板在传动上应有精确的导向机构外,刀口尖还应倒圆。第49页/共127页50第50页/共127页51p如图20所示,倒圆半径一般有两种:R0.1mm和R0.2mm,多数取为R0.1。p图(g)没有刀口压痕问题,密封垫的寿命较长。p刀口形状对阀门性能也有一定影响。表2给出了一些实验数据,从表中实验数据可知,直角形刀口比夹角形刀口所需螺旋压紧转矩大些。第51页/共127页52p为了提高阀板(或金属垫)的寿命,阀板的压下量还可以设计成可微调的。一旦原有压痕失去了应有的密封性能时,可通过微调,使压痕再稍深一些。这样能保证密封性能,也延长了阀板的使用寿命。第52页/共127页53p目前有关金属垫密封阀门的密封力计算通常是基于实验数据。设计者针对所设计的密封结构进行模拟试验,确定出密封比压力,然后按照具体的密封尺寸进行计算。根据国内外有关资料,设计者可参考表3。根据表中的数据,金属垫密封力可按下式计算:Fs=Ls.fls=As.fsaN式中Ls密封口中心长度,mm;fls单位长度的密封力,N/mm;As密封面积,mm2;fsa单位面积的密封力,N/mm2。第53页/共127页54第54页/共127页55阀板压紧装置 精确计算阀板密封力是真空阀门设计的首要问题,而正确设计压紧装置是达到密封力的基本保证。阀板压紧装置应达到的要求p在压紧密封垫时在压紧密封垫时,阀板不产生横向运动。阀板不产生横向运动。因为横因为横向运动会搓伤密封垫向运动会搓伤密封垫;p压紧位置要有重合性压紧位置要有重合性,即每次关闭都压在同一位即每次关闭都压在同一位置上。置上。只有这样才能保证阀门关闭性能稳定。金只有这样才能保证阀门关闭性能稳定。金属垫阀门对此要求严格属垫阀门对此要求严格,胶垫的差些胶垫的差些;p要均衡压紧密封垫。要均衡压紧密封垫。因为不均衡压紧密封垫就因为不均衡压紧密封垫就可能造成封闭不严密可能造成封闭不严密;p压紧后必须能自锁压紧后必须能自锁.否则要有动力来维持压紧状否则要有动力来维持压紧状态态;p压紧程度必须可调压紧程度必须可调.因为密封垫都有一定制造公因为密封垫都有一定制造公差差,必须通过调整才能压紧。必须通过调整才能压紧。第55页/共127页56常用的几种压紧方式常用的几种压紧方式 螺旋压紧、斜面压紧、链板压紧、弹簧压紧、螺旋压紧、斜面压紧、链板压紧、弹簧压紧、弹性垫圈自身压紧、动力压紧弹性垫圈自身压紧、动力压紧p螺旋压紧螺旋压紧uu螺旋压紧在真空阀门中应用最广螺旋压紧在真空阀门中应用最广螺旋压紧在真空阀门中应用最广,它的结构简单它的结构简单它的结构简单,制造容易制造容易制造容易,压紧时增力倍数较大压紧时增力倍数较大压紧时增力倍数较大,适于手动、电适于手动、电适于手动、电动两种阀门动两种阀门动两种阀门;uu其缺点是开关阀门时间较长、传动效率较低其缺点是开关阀门时间较长、传动效率较低其缺点是开关阀门时间较长、传动效率较低;uu压紧后的自锁条件是：压紧后的自锁条件是：压紧后的自锁条件是：arctan arctan arctan f f f :螺旋升角螺旋升角螺旋升角 f f f：螺杆与螺母材料的摩擦系数：螺杆与螺母材料的摩擦系数：螺杆与螺母材料的摩擦系数 第56页/共127页57第57页/共127页58p斜面压紧 阀板上的斜面沿着垫块上的斜面向左滑动、阀板与垫块被撑开而将胶圈压紧密封。和螺旋压紧类似,若斜面升角小于两者材料的摩擦角,压紧后就能实现自锁，但横向位移过大而一般利用传动连板保证自锁。如图22,为产生所需密封力Fs,传动连板给阀板的推力Ft应为 Ft=Fs.tan(+)+fFs式中斜面间材料的摩擦角f 胶圈阀板间摩擦系数第58页/共127页59 为了消除图22所示的在压紧密封圈时,阀板与密封圈间的摩擦力,目前国内外都采用图23所示的压紧密封原理，此时：式中f滚轮与导轨之间的摩擦系数;第59页/共127页60p链板压紧第60页/共127页61u如果不考虑铰链的摩擦力,作用在链板上有4个力:密封力Fs、阀板受到的止推力Fz、导轨槽通过滚轮(或滑块)给出的反力Ff(Ff=Fs)和推杆传来的推力Ft。u因为链板是压力杆,所以合力在其中心线上。推力Ft还需克服滚轮与导轨槽的摩擦力fFf=fFs,根据力的平衡条件可得 Ft=Fs(tan+f)式中链板中心线与阀板密封面法线的夹角 f滚轮与导轨槽的摩擦系数。u压紧装置的自锁条件是 tan-1f第61页/共127页62p弹簧压紧 如图12所示,阀板6由弹簧5压紧密封。当电磁线圈2通电时,衔铁4被吸上,阀板被提起打开阀门。第62页/共127页63p弹性垫圈自身压紧弹性垫圈自身压紧 如图25所示,阀塞被碗形密封圈箍紧密封。这就象往复运动的动密封一样,不过由于阀塞进出密封圈,需要阀塞的两头有光滑的倒角,以免擦伤密封圈。第63页/共127页64p动力压紧动力压紧 动力压紧有气压的、液压的和电磁力的压紧。动力压紧有气压的、液压的和电磁力的压紧。凡是密封力大的阀门都用液压压紧。如图凡是密封力大的阀门都用液压压紧。如图2626所示的阀门是靠薄壁铜筒在油压作用下产生所示的阀门是靠薄壁铜筒在油压作用下产生弹性变形弹性变形,与阀体内筒的与阀体内筒的 光滑表面紧密贴合光滑表面紧密贴合 来密封的。当撤去来密封的。当撤去 油压时油压时,薄壁铜筒恢薄壁铜筒恢 复原形复原形,阀塞就可以阀塞就可以 拉上去打开阀门。拉上去打开阀门。第64页/共127页65 为了解决金属垫密封阀门所需的大压紧力,国外采用了高压气动压紧。如图27所示,当阀板推至阀口后,往波纹管中通以高压空气(21个大气压或35个大气压)对阀板压紧密封。由于电磁力较小(大磁力线包可能很大),衔铁行程有限,因此电磁力压紧多用于小口径阀门。第65页/共127页66压紧装置中的均压、续压和调压措施压紧装置中的均压、续压和调压措施p为了保证阀门的密封性能为了保证阀门的密封性能,要求阀板压紧密要求阀板压紧密封圈时能自动均压封圈时能自动均压;当大气压压到阀板上时当大气压压到阀板上时能允许进一步压紧能允许进一步压紧;又因为密封圈和其它传又因为密封圈和其它传动件的加工制造误差不可避免动件的加工制造误差不可避免,所以阀板压所以阀板压紧程度必须可调。这就是压紧装置的均压、紧程度必须可调。这就是压紧装置的均压、续压和调压问题。续压和调压问题。p在图在图1111所示的真空阀门中所示的真空阀门中,通过锥面阀座和通过锥面阀座和与之配合的锥面阀板及铰销压紧来自动调均与之配合的锥面阀板及铰销压紧来自动调均对胶垫的压力对胶垫的压力;利用压杆头利用压杆头(兼作导向杆兼作导向杆8)8)与与阀板螺纹联接来达到压紧程度可调阀板螺纹联接来达到压紧程度可调;利用初利用初压后活塞达不到气缸底来实现大气压压到阀压后活塞达不到气缸底来实现大气压压到阀板时板时,阀板继续压紧密封圈。阀板继续压紧密封圈。第66页/共127页67第67页/共127页68p上述的均压措施在铰销轴方向不能自动均压,需要在装配中人工调好。对于口径较小的阀门,由于绝对误差量较小,在装配中容易调好,但对于口径较大的阀门,就困难得多。因此对于大口径阀门应采用完全自动均压的措施。例如图28所示的结构,采用球面压头就能完全自动均压。第68页/共127页69阀板的传动机构 阀板的传动机构有两个职能:一是使阀板压紧密封圈,保证阀门的密封性能;二是使阀板开启后,阀门有较大的流导。承担第一个职能的机构零件,由于受力较大、有强度、刚度和稳定性问题,设计中需要考虑。这些机件是传动机构中的主要构件,承担第二个职能的机件主要使阀板按所需要的位置开启,因此受力不大,零件的强度等问题是次要的。一般的真空阀门,其阀板的压紧机构就是其传动机构,例如图7、图8、图12、图14等。这类传动机构,只要知道了阀板压紧机构的压紧力,就可以按照普通机械传动进行设计了。第69页/共127页70 对于真空翻板阀,如图9、图10、图11的阀门,阀门开启时阀板翻转一个角度,对阀板运动的特殊要求是:1、阀板压紧或松开密封垫圈时,需要直起直落;2、开启阀板时需翻转较大角度,最好达到90;3、在阀板翻转过程中,阀板不能与阀座相碰。目前国内主要采用三种翻转机构,即挡杆挡翻(见图10)、四连杆机构(见图9)和蚌线机构(见图11)。（P160-162）第70页/共127页71真空阀门的动力选择真空阀门的动力选择真空阀门的传动动力主要有手动、磁动、气动、电动和液动。选择阀门动力主要考虑操作方便和工作可靠。一般说来,磁动阀门口径都较小,动作较快,电磁电源也较方便;而气动阀门突出的特点是动作快;两者都适合于作保护性的阀门。电动(即电动机传动的)和液压的阀门,都是需要大动力的阀门,尤其是液压传动的阀门,动力小了不合适,它不象电动的阀门,常常因为电源方便而被采用。第71页/共127页72阀门开关的限位和指示为了使阀门开关准确可靠和操作方便,阀门的开启和关闭需要有限位和指示。特别是金属垫密封的阀门更须严格控制阀座刀口对金属垫的楔入量,在保证密封性能的前提下,楔入量愈少,垫圈受压处冷硬现象愈轻,阀门使用寿命愈长。对于机动阀门,限位有保护设备免遭机械损伤的重要作用。图29是电动真空阀门中所用的开关限位和指示装置。当然这只是限位和指示装置中的一种。第72页/共127页73 第73页/共127页74打开阀板的先导装置有的真空阀门在开启阀板之前,需要先使阀板上下的气压平衡,避免压差过大使传动装置超负荷而受损害,这就要用到先导装置。先导装置还可用来在阀板上下压差较大的情况下,用较小的传动力打开阀板。如图30所示,在阀板上装设个小阀门,让传动杆6先打开小阀的密封板3,使阀板上下压差消失后再打开阀板8,这就是在压差较大的情况下顺利打开阀门的一个可行措施。小阀起到了先导作用,故称该小阀为先导装置或先导阀。第74页/共127页75第75页/共127页762 2 捕集器捕集器捕集器也称为阱,用来捕集真空系统中的可凝性蒸气。在有油封机械泵和蒸气流泵组成的系统中存在工作液蒸气，可使真空度降低、电热体和被处理工件氧化、真空系统被污染等。捕集器的种类很多，根据捕集器捕集蒸气的原理和方法不同，搞集器可分为挡油帽，机械捕集器(又称挡板、障板、机械阱)，冷凝捕集器(又称冷阱)，吸附捕集器(又称吸附阱)和其它类型的捕集器(如电捕集器，热捕集器，离子捕集器）等。第76页/共127页772.1 2.1 挡油帽挡油帽扩散泵在工作过程中,泵液会向被抽容器中返流。返流的油蒸气会对被抽容器及被处理工件造成污染。通常在泵芯的一级喷咀上面设置挡油帽,这样可以大大降低油蒸气的返流。挡油帽一般用水冷却,比较好的水冷挡油帽可把扩散泵的返油率降低到0.1%1%。因此挡油帽是现代扩散泵所必备的部件。扩散泵加挡油帽后,降低了返油率,但同时也降低了泵的抽速。通常认为加挡油帽后,泵的抽速降低小于20%为宜。第77页/共127页78挡油帽的设计方法如图31所示:先划出导流管和喷咀外沿的连结线AB,再在距B为1cm左右处引垂线CD,延长AB与CD交于E点,此即挡油帽的外缘。这样确定挡油帽外缘的位置则不会挡住工作液蒸气射流。第78页/共127页79图33是挡油帽的一种经验设计,实践表明,这种挡油帽的挡油效果较好,且对泵的抽速没有太大的影响。第79页/共127页80各种型式挡油帽的挡油效果如图34所示,图中(a)是不加挡油帽,设此时返油量为1;(b)、(c)、(d)、(e)等表示加挡油帽及水冷套等措施后的返油量,数值愈小,挡油效果愈好。第80页/共127页812.2 2.2 机械捕集器机械捕集器概述机械捕集器的设计原则及其典型结构第81页/共127页82概述机械捕集器又称挡板、障板、机械阱。当对降低返油率有更高要求时,常被广泛应用,主要用来防止蒸气流泵工作液的蒸气分子返流进入被抽容器。返流的蒸气分子怎样通过管道进入真空室？蒸气分子先碰撞管壁被吸留;由于热运动,管壁吸留的分子又蒸发,再在更靠近真空室的管壁上被吸留,然后再蒸发,这样逐步进入真空室中。因此，可以在蒸气进入被抽容器的通路上安装不同结构的具有光学密闭性的板状组件,阻挡住直线运动的蒸气分子穿越,使其在壁板上凝结或反射回去,用这种机械阻挡的方法消除或减少蒸气分子进入被抽容器。第82页/共127页83机械捕集器的型式如表机械捕集器的型式如表4 4。第83页/共127页84机械捕集器的设计原则及其典型结构机械捕集器主要靠机械阻挡的方法来降低油蒸气的返油率,而高速热运动的蒸气分子经三次碰壁后,其能量大大损耗。因此,在设计光密性障板的时候,要求蒸气分子在通过它的过程中,至少应有一次以上使蒸气分子与板壁碰撞。此外,要求板壁材料有较好的导热性,尽可能保持较低的温度。通常通冷却水,以减少蒸气凝结后的再蒸发,常用的材料有铜、铝、不锈钢等导热系数较大的金属板。第84页/共127页85在设计障板时应注意以下原则:p光学密闭性,至少要挡住一次束流;p有尽可能大的流导;p障板材料应放气率低,饱和蒸气压低,热传导性能好,易于加工;p超高真空系统使用的障板应能承受高温烘烤。第85页/共127页86典型的几种机械捕集器结构典型的几种机械捕集器结构 如图如图3535至图至图3838所示。所示。第86页/共127页872.3 2.3 冷凝捕集器冷凝捕集器概述冷阱的典型结构冷阱的抽速第87页/共127页88概述冷凝捕集器又称冷阱,是利用低温冷壁来捕集可凝性蒸气的一种低温冷凝捕集器。冷阱被广泛应用于高真空和超高真空系统中,安装在主泵入口和真空室之间的管路上。冷阱能有效收集返流蒸气和部分裂解物，且能抽除来自真空室的可凝性蒸气。冷阱的效果与结构和冷壁温度有关。使用冷阱应遵守一定规则:在加入冷剂前,应将容器抽空到足够低的压强,使可凝性气体被大量排除后再加入冷剂;在使用过程中,由于冷剂的损耗而使冷剂液面不断下降,露出无冷剂接触的壁面,这些表面的温度回升,使已被冷凝的蒸气重新蒸发,所以要设法使冷剂的液面尽量处于恒定位置。第88页/共127页89常用冷剂的制冷温度见表常用冷剂的制冷温度见表5 5。第89页/共127页90冷阱的设计原则为p冷凝部位应具有较大的冷凝面积;p结构为光学密闭的,防止蒸气分子直线通过;p有尽可能大的流导;p冷剂消耗尽量少;p清洗拆装方便。冷阱的结构型式很多,就材质而言,有金属冷阱和玻璃冷阱两类。第90页/共127页91冷阱的典型结构 金属冷阱中,盛装冷剂的容器一般用不锈钢制成,在其壁上焊上若干捕集片,以增大低温壁板的表面积和阻挡蒸气分子进入真空室的作用。第91页/共127页92图图3939是一种长效冷凝捕集器。是一种长效冷凝捕集器。第92页/共127页93图图4040的结构具有较大流导的结构具有较大流导,可防止蒸气分子向可防止蒸气分子向上蠕动。上蠕动。第93页/共127页94图图4141是一种高效冷凝捕集器。是一种高效冷凝捕集器。第94页/共127页95图图4242是一种常见多用的冷凝捕集器。是一种常见多用的冷凝捕集器。第95页/共127页96图图4343是另一种金属冷阱是另一种金属冷阱,它结构简单它结构简单,效果较效果较好。好。第96页/共127页97图图4444是一种复合式冷阱。是一种复合式冷阱。第97页/共127页98图图4545是中心带有液氮罐的冷阱。是中心带有液氮罐的冷阱。第98页/共127页99玻璃冷阱采用杜瓦瓶的形式玻璃冷阱采用杜瓦瓶的形式,分为两层或多层分为两层或多层,两层之间抽成高真空两层之间抽成高真空,以降低热传导损失。玻以降低热传导损失。玻璃冷阱的型式很多璃冷阱的型式很多,图图4646是常见的几种玻璃冷是常见的几种玻璃冷阱的结构。阱的结构。第99页/共127页100冷阱的抽速冷凝捕集器对蒸气分子的抽速类似于低温泵的抽速,是指在捕集器中的蒸气压强下,单位时间内凝结在冷却壁上的蒸气体积。当蒸气压强和温度与冷壁温度及其饱和蒸气压相等时,冷阱的抽速Sl=0。冷阱的实际抽速还受蒸气分子凝结系数的影响,实际抽速总是小于理论抽速。若设空间水蒸汽和汞蒸气的温度为室温,即293K,冷阱冷凝表面的温度为液氮温度,77K,则冷阱对水蒸汽和汞蒸气的抽速分别为 SH2O=147Am3/s SHg=44A m3/s第100页/共127页1012.4 2.4 吸附捕集器吸附捕集器吸附捕集器是利用某些物质具有吸附性能(物理吸附和化学吸附)的原理来捕集可凝性蒸气的一种捕集器,常称吸附阱。它被广泛应用于机械真空泵和扩散泵(或被抽容器)之间的管路上,用来捕集油蒸气,水蒸汽,还有在机械泵中由于转子和泵体之间的摩擦热使油分解(裂变)而产生的轻馏分物质气体。第101页/共127页102常用的吸附剂有:分子筛(沸石),活性碳,硅胶,Al2O3,P2O5等。表6是施特恩(Stern)等人研究给出的某些固体吸附剂的数据。第102页/共127页103图图4747是一种活性氧化铝吸附阱是一种活性氧化铝吸附阱,其中放置其中放置3 31010mmmm的球状吸附剂的球状吸附剂,挡油效率可达挡油效率可达99%,99%,主要用主要用于前级管道。于前级管道。第103页/共127页104图图4848是一种分子筛是一种分子筛吸附阱。吸附阱。其特点是其特点是:分子筛烘烤激活是分子筛烘烤激活是用放在中心的管状用放在中心的管状加热器加热器,被吸附的蒸被吸附的蒸气从接管排出气从接管排出,这样这样不必移出分子筛不必移出分子筛,结结构又简单操作也方构又简单操作也方便便,这样的吸附阱最这样的吸附阱最高可捕集返流油蒸高可捕集返流油蒸气的气的99.7%99.7%。第104页/共127页105图图4949所示的吸附阱所示的吸附阱,是在一根长是在一根长127127mm,mm,直径直径5151mmmm的圆管两端加固定网的圆管两端加固定网,管中放置不同的吸管中放置不同的吸附剂附剂,其挡油效果见表其挡油效果见表7 7。第105页/共127页106利用分子筛作为吸附阱吸附剂时,应注意：分子筛能大量地吸附大气中水蒸汽,而吸附水份后的吸附剂对其它气体的吸附能力大大降低，所以要求其含水量不应超过2%。因此，在使用中应避免分子筛吸附阱经常暴露于大气中,否则，几小时内分子筛就能吸收超过2%的水份。在使用前应对分子筛进行预处理,如在真空中进行烘烤,除去水份。再者,重复再激活分子筛会使它的吸附能力下降,当烘烤温度高于350,长时间的烘烤将引起吸附能力的迅速退化。第106页/共127页1072.5 2.5 其它捕集器其它捕集器钛升华阱离子捕集器热捕集器电捕集器第107页/共127页108钛升华阱液氮冷却的冷凝捕集器能有效捕集泵液蒸气，但仍会有少量油分子穿过冷阱，另外，油裂解产生大量氢气也不能被液氮冷阱捕集，这是限制扩散泵系统获得更高真空的一个主要因素。在扩散泵和真空室之间的管路上加装钛升华阱,除能进一步捕集返流的油蒸气分子及其裂解物外,还能捕集氢气,因此,装有钛升华阱的超高真空系统,能获得10-1110-12 Pa的极限压力。第108页/共127页109典型钛升华阱的结构型式如图50所示,其捕集气体的原理是利用低温冷凝和新鲜钛钼膜的吸附性能。钛钼升华蒸发、沉积在液氮冷却的壁板表面上能使气体分子的二次反弹最小,所以钛升华阱具有特别有效的捕集效果。第109页/共127页110离子捕集器 离子捕集器有外加磁场和无外加磁场两种结构典型的外加磁场离子捕集器的结构型式如图51。器壁最好用水冷却,以增加聚合物的吸附作用,吸附作用随温度降低而增加,所以电极系统也要采用水冷。这种离子捕集器的挡油效果可达99%。第110页/共127页111无外加磁场的离子捕集器,其结构类似于一只钛泵。它的阴极是由0.8mm钼丝弯成的矩形框架,其上绕0.11mm或0.22mm厚的钛带,器壁作为阳极并通冷却水。在1331.33Pa下产生辉光放电,当放电电流足够时,由于正离子轰击阴极钛条,被溅散的钛沉积在器壁上而形成活性吸附表面,由于用水冷却,整个抽气过程中器壁温度均匀,捕集油蒸气的效果很好。第111页/共127页112热捕集器 热捕集器的工作原理是:使碳氢化合物在被加热的表面上分解成易于被抽除的气体:氢、氧、一氧化碳、碳酸气和固体碳等。碳沉积在捕集器的器壁上,并作为吸附气体的吸附剂,而气体则被蒸气流泵排出,这种捕集器可用在油蒸气流泵的入口。第112页/共127页113电捕集器 电捕集器的工作原理为:在冷阴极或热阴极放电时蒸气分子被电离,在电场的作用下形成离子流,场的方向与真空系统的气流方向相反,这些离子大多都移向机械泵;蒸气分子在放电中被激发时,则有被吸附而凝结的趋向;当油分子在电子的碰撞下分解时,则和热分解一样变成了可被排出的气体和非挥发性的碳。第113页/共127页1142.6 2.6 捕集器的流导捕集器的流导捕集器的设计主要要求是:结构简单,挡油效果好,流导大。在达到所要求的挡油效果的基础上,应使捕集器的流导尽可能的大。捕集器流导的计算方法基本有3种:(1)利用实验得到的“比流导”数据计算;(2)把捕集器看成是异形截面管道串、并联而成的复杂管道,根据流导计算公式计算;(3)利用蒙特卡罗法计算得到的传输几率(又称流导几率)进行计算。第114页/共127页115利用“比流导”数据计算 在真空系统中,尤其是蒸气流泵的入口处所用的障板和冷阱,绝大多数都要在机械阻挡的基础上,对挡片进行冷却,以提高捕集可凝性蒸气的效果。常用的水冷障板的分子流流导(对于室温空气)可用下式计算 C=CSAm3/s式中 CS-是障板的比流导,m3/m2s。A-是障板入口面积,m2。第115页/共127页116 对于用冷剂冷却的冷阱,分子流流导计算式为 式中k是温度影响系数,若冷剂是“干冰”(固体二氧化碳),取k=1.2;若是液氮,则取k=1.7第116页/共127页117利用传输几率数值计算 传输几率也称为流导几率,它被定义为在分子流条件下,管路元件的流导C与其入口孔流导Ck的比值,即 因此管路元件的分子流流导为 利用上式,如果知道管路元件的流导几率pr,则很容易计算出分子流流导。第117页/共127页118对于某些结构的机械捕集器对于某些结构的机械捕集器,其传输几率值可其传输几率值可从表从表4 4中查出中查出,图图5252至至5858也给出了某些结构型也给出了某些结构型式障板的传输几率。式障板的传输几率。第118页/共127页119图图5252单百叶窗式障板单百叶窗式障板第119页/共127页120图图5353人字形障板人字形障板第120页/共127页121图图5454具有圆形挡片和两个节流端的障板的具有圆形挡片和两个节流端的障板的传输几率传输几率p pr r第121页/共127页122图图55 55 用在扩散泵上障板的传输几率用在扩散泵上障板的传输几率p pr r第122页/共127页123图图5656具有圆形挡片和一个节流端的障板的具有圆形挡片和一个节流端的障板的传输几率传输几率p pr r第123页/共127页124图图5757用在扩散泵上障板的传输几率用在扩散泵上障板的传输几率p pr r第124页/共127页125图图5858圆桶形和方形弯头挡板结构的传输几圆桶形和方形弯头挡板结构的传输几率率第125页/共127页126课程结束课程结束谢谢 谢谢 大大 家！家！E N D第126页/共127页127感谢您的观看！第127页/共127页