1、.1真空系统设计主讲人：王继常东北大学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.真空密封东北大学首期真空技术培训班系列教程之六.31.真空系统的组成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.41.1 真空系统的概念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。.51.2 真
2、空系统的组成元件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。.61.3 真空系统示意图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)。.71.4 高真空系统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
3、。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东北大学首期真空技术培训班系列教程之六.9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.101.5 真空系统设计的基本内容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
4、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。.112.2.真空技术基本方程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.122.1 真空系统的最主要性能参数： 极限真空度和有效抽速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
5、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。.132.2 流导的定义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。21PPQCsm3smPa3.142.3 真空技术基本方程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),
6、(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。)(1)(1)(:111cSCCSbCSSSaSCSCSSCSpeppeppepe或或可以改写为.152.4 真空技术基本方程在真空系统设计中 的意义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
7、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SeC,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。.163.真空系统的设计计算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.173.1 选主泵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.
8、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东北大学首期真空技术培训班系列教程之六.19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
9、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东北大学首期真空技术培训班系列教程之六.21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1.3310113.3Pa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1.33 101 Pa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东北大学首期
10、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,Pam/s; Q真空室内所用耐火保温材料的出气流 量, Pam/s;.23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, Pam/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, Pam/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
11、同情况具体考虑。.24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
12、少量占原含量的百分比。.27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 /(m2s); 一般用抽空一小时 的放气速率数据; A
13、i 第i种材料暴露于真空条件下的表面积 ，m2 。.29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Q Pa m3 /s所要求的工作真空度为pg Pa则被抽容器所要求的有效抽速Sey为.31东北大学首期真空技术培训班系列教程之六(3) 粗
14、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=1.31.4; 当采用捕集器时,取Ks=22.5。.32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
15、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。.333.2 配泵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
16、)兼作预抽泵的前级泵应满足预抽时间的要求。.34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
17、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。.383.3 储气罐和维持泵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
18、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。 .393.4 真空系统设计中应该注意的问题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。
19、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
20、,给装料和取料时用。.41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。.423.5 真空系统的典型形式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
21、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
22、空系统”、“无油超高真空系统”、“玻璃高真空系统”等等。.44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1.3310-1Pa。.45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:1.331.3310-1Pa。 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
23、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:1.331333Pa。 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东北大学首期真空技术培训班系列教程之六.49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东北大学首期真空技术培训班系列教
24、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:0.1331333Pa。 优点:工作压强范围大,工作真空度高。 下图为一实列.51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:0.1331333Pa。 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东北大学首期真空技术培训班系列教程之六.54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
25、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6.6710-21.3310-3Pa。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
26、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东北大学首期真空技术培训班系列教程之六.59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1.3310-6Pa。 图17所示为钠灯超高真空封接炉的系
27、统.61东北大学首期真空技术培训班系列教程之六.62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东北大学首期真空技术培训班系列教程之六.64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
28、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东北大学首期真空技术培训班系列教程之六.66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
29、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:6.671021.33103Pa 极限真空度:1.3310-4Pa 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东北大学首期真空技术培训班系列教程之六.69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:1.331.3310-1Pa 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
30、真空度:1.331.33103Pa 极限真空度:1.33 10-1Pa 组成元件:与油增压泵机组相同。.703.6 真空系统的结构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东北大学首期真空技术培训班系列教程之六.72东北大学首期真空技
31、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。(
32、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
33、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 ！.774.气体流动状态的判别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.784.1 气体流动状态对流导的影响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
34、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.794.2 气体流动状态的分类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。.804.3 湍流、湍粘滞流、粘滞流之间的判 别式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
35、间的判别式是 Q2660D为湍流 Q1450D为粘滞流 1450DQP2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东北大学首期真空技术培训班系列教程之六.89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A m2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 。smACrsmrACrsmrArrCrvkvkvk333288. 0712. 02001 . 01200525. 011766525. 0时，时，时，.90东北大
36、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。smDCrsmrDCrsmrDrrCrvkvkvk323232288. 0712. 01571 . 01157525. 011602525. 0时，时，时，.91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/D20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
37、体的平均压强,Pa。smPLDCvy3431034. 1P.92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/D20mm时用(b)型。.152东北大学首期真空技术培训班系列教程之六高压电输入密封 图20所示是高压电 输入密封的一种结 构。高压电输入密 封的特点是输入线 均采用陶瓷做为绝 缘体。.153东北大学首期真空技术培训班系列教程之六低电压大电流的电极密封 图21是低电压大电流的电极密封结
38、构。图中a、b两种结构是固定式电极,c是可移动式电极,为了对电极进行冷却,在b、c两种结构中均设有水冷。供水和回水均在真空室外进行。.154东北大学首期真空技术培训班系列教程之六.155东北大学首期真空技术培训班系列教程之六导线的真空密封 将导线引入到真空系统或真空管壳中去常采用永久密封引线的方法。这种永久引线基于玻璃与金属封接或陶瓷与金属封接。.156东北大学首期真空技术培训班系列教程之六棒形密封：如图22所示。图中a为单引线式,b、c、d为双引线式.157东北大学首期真空技术培训班系列教程之六图23中给出了 这种棒形密封导线中所通过的允许电流。实际使用中,导线中所载的电流应该小于图中曲线所
39、标的数值。.158东北大学首期真空技术培训班系列教程之六芯柱密封：如图24所示.159东北大学首期真空技术培训班系列教程之六销钉密封：如图25所示.160东北大学首期真空技术培训班系列教程之六7.2.2.7 观察窗 根据密封型式,观察窗可分为可拆连接和不可拆连接。前者用于高真空和低真空,后者用于超高真空系统。图26、27是观察窗的两种密封结构。.161东北大学首期真空技术培训班系列教程之六7.2.3 “O”形密封圈的密封力计算在真空静密封连接中所使用的橡胶密封圈主要有两种断面形状:圆形和矩形(其它还有锥形、碗形等)。其中圆形截面橡胶密封圈应用得最为广泛。7.2.3.1橡胶密封圈压缩比的选择所谓
40、胶圈的压缩比是指橡胶圈压缩前后的高度差和压缩前的高度之比。设h0、h、d、Z分别为矩形和圆形断面橡胶圈压缩前后的高度,则压缩比为.162东北大学首期真空技术培训班系列教程之六 7.2.3.2 O形圈密封力的计算O形环压缩后的相对宽度Bx和相对高度Xx的关系 Bx和Xx关系 曲线见图28dXXdBBxx;.163东北大学首期真空技术培训班系列教程之六自由O形圈的压缩密封力F与相对高度Xx之间的关系式中Fx相对密封力，与相对高度的关系曲线 见图29； dO形圈线径,m； LO形圈平均周长(L=D),m； DO形圈中径,m； E与橡胶硬度有关的相氏模量,Pa，其与 橡胶邵氏硬度的关系见图30。.16
41、4东北大学首期真空技术培训班系列教程之六.165东北大学首期真空技术培训班系列教程之六.166东北大学首期真空技术培训班系列教程之六密封比压力s 密封比压力是指O形环与法兰接触面上平均单位面积上所承受的压力。相对比压力x 即若用相对密封力Fx和相对宽度Bx来表示x,则有.167东北大学首期真空技术培训班系列教程之六由于Fx和Bx都是Xx的函数,所以x也是Xx的函数。其关系曲线见图31上的曲线(g)。.168东北大学首期真空技术培训班系列教程之六从图中可见,对于自由O形环,相对比压力x相当近似于0.5 Bx 。因此,当0.7 Xx 0.95时,可近似用下式计算O形圈在矩形断面密封的沟槽中受到压缩
42、时,有可能受到槽宽的约束,这时密封比压力将随压缩比的增加而急剧增加,如图31所示。图中虚线表示,当O形圈受到槽宽约束程度不同的情况下,相对比压力x与相对高度Xx的关系。图中yx表示相对槽宽,其值为 式中y矩形槽的宽度；dO形圈的线径；.169东北大学首期真空技术培训班系列教程之六当O形圈在矩形断面密封槽中压缩时,根据相对高度Xx和相对槽宽yx,从图31中可以查得相对密封力x,然后利用下式计算所需的密封力F.170东北大学首期真空技术培训班系列教程之六7.2.4 垫圈密封的机理垫圈的密封机理：表面粗糙度非常好的两个法兰相互压紧，便在它们之间留下微米大小的通道，这类通道便构成漏隙，这种漏隙的路径取
43、决于法兰表面的状况，气体通过这些漏隙的漏率取决于漏隙的大小。 封口的尺寸见下图432.171东北大学首期真空技术培训班系列教程之六.172东北大学首期真空技术培训班系列教程之六7.2.4.1 均匀断面漏隙的流导密封长度为L，室温为250C的氦，流导和漏率为sPamPLWKFWLAPCQsmLWKFWLAAAWLACLCsLLsxL32323213exp3403exp340340.173东北大学首期真空技术培训班系列教程之六7.2.4.2 非均匀断面漏隙的流导两个抛光后相互压紧的表面间的密封模型如图4-33.174东北大学首期真空技术培训班系列教程之六单元槽的截面沿槽的变化如图4-34所示.17
44、5东北大学首期真空技术培训班系列教程之六接触面总流导为AAAAArrvCrrCxxili36. 011cos14ln234ln23200时，当04ssssKKieeArrTC36. 0112. 8ln214. 6/320.1767.3 动密封东北大学首期真空技术培训班系列教程之六把运动传递到真空容器中所需要的密封连接称为动密封连接。动密封传递的运动形式： 往复直线运动,旋转运动、摆动运动和包括这三种运动形式的复合运动等四种情况。动密封分类见图32。.177东北大学首期真空技术培训班系列教程之六.178东北大学首期真空技术培训班系列教程之六7.3.1 动连接接触密封 动连接接触密封,根据采用的密
45、封物质分为固体密封物质密封和液体密封物质密封两种。7.3.1.1采用固体密封物质的接触密封(1)液体润滑的真空动密封a.固体密封件中润滑的作用及润滑材料的选择作用：减小运动轴表面与不运动的密封件间的摩擦；利用润滑物质来充填接触区内微观的凸凹不平的沟槽,以防止大气通过这些沟槽渗漏到真空容器中去。.179东北大学首期真空技术培训班系列教程之六润滑材料的选择：密封所用的润滑物质,多数采用室温下饱和蒸气压低的真空油或真空油脂。b. 接触式真空动密封的结构O形橡胶圈密封 典型结构:如图33所示 使用场合:常用于真空度不高于10-4Pa的真空设备中,可以用来传递旋转运动,也可用于传递直线往复运动,其传递旋
46、转运动的转速小于1000r/min,传递往复直线运动的速度小于0.2m/s。当传递直线往复运动的距离较长时,通常在孔壁上开密封槽。.180东北大学首期真空技术培训班系列教程之六.181东北大学首期真空技术培训班系列教程之六J型橡胶圈密封 典型结构:如图34所示 使用场合:这种密封结构适用于线速度小于2m/s,转速不高于2000r/min的真空转轴密封。.182东北大学首期真空技术培训班系列教程之六JO型橡胶圈密封 典型结构:如图35所示。 使用场合:适用于线速度小于2m/s,转速不高于2000r/min的真空转轴密封。.183东北大学首期真空技术培训班系列教程之六(2)自给润滑的真空动密封 这
47、种密封结构可以实现密封本身自给润滑，几种常见结构如下：利用氟塑料衬套的动密封（图36）.184东北大学首期真空技术培训班系列教程之六用圆形聚四氟乙烯密封圈和圆橡皮圈调节压紧力的动密封结构(图37）.185东北大学首期真空技术培训班系列教程之六密封件为氟塑料圈和进行中间抽气的密封部件(图38).186东北大学首期真空技术培训班系列教程之六7.3.1.1 采用液体密封物质的接触密封(1) 液态金属密封 液体用于真空动密封的结构原理如图39所示， 有(a)液体薄膜密封和(b)液体压差密封两种。.187东北大学首期真空技术培训班系列教程之六(a)液体薄膜密封 它是利用小间隙中液体薄膜的表面张力和压差的
48、平衡状态来实现的。在轴1处于静止状态时,其可靠的密封条件是式中液体的表面张力,其值示于表2中; P1密封高压侧压力。1P.188东北大学首期真空技术培训班系列教程之六(b)液体压差密封 图中b是具有液体静密封的装置,其中P1-P2应等于液柱高x的压强,为了减少所需的液柱高度,一般把密封容器2设置在真空室与单独抽真空的中间室中间。这种装置的缺点是它只能用于轴处于垂直的位置,而且需要设置中间抽气室。一旦中间室的压力增大,则会产生向真空室喷出密封液体的危险。.189东北大学首期真空技术培训班系列教程之六 几种可作为液体密封的金属的蒸汽压力值（表 3）.190东北大学首期真空技术培训班系列教程之六(2
49、)磁性流体密封a.磁流体真空动密封的原理磁流体:磁流体也称为铁磁流体或磁液。它是将掺入到载液中的铁磁性微粒(10nm)用分散剂均匀地分散,使成为某种具有流动性的悬浮状的胶态液体。组分材料概况如表4所示。.191东北大学首期真空技术培训班系列教程之六磁性流体密封:磁性流体密封就是利用磁流体在外加磁场作用下具有承受压力差的能力而实现的。其原理如图40所示。 这种密封方式可用于转轴是磁性体(图40b)和非磁性体(图40c)两种场合。.192东北大学首期真空技术培训班系列教程之六磁流体密封的优缺点： 在真空转轴动密封技术中,磁性流体转轴动密封技术具有零泄漏、无固体摩擦、能耗小、无机械磨损、寿命长、适于
50、传递高转速(最高可达120000r/min)等优良性质。如果采用低蒸气压的磁性流体,可用于10-7Pa以上真空度的真空设备。但应指出的是,由于磁性流体在高温下性能不稳定,所以磁性流体密封装置的通常工作温度范围为-30120,转轴在过高或过低温度下工作时必须采用冷却或升温措施,从而导致密封装置结构复杂化。.193东北大学首期真空技术培训班系列教程之六b.磁流体转轴密封的结构整体结构：如图41所示.194磁流体转轴密封部位的几种结构形式： 如图42所示 图42(a)所示的磁流体密封采用多个磁铁,每个磁铁与其对应的一对极靴构成各自独立的磁回路,各回路间采用不导磁的隔垫隔开。图42(b)则没有使用不导
