1、毕 业 设 计2013 年 6 月 7 日设计题目 小型真空系统及其加热装置的设计 学生姓名 廖 世 云 学 号 20090766 专业班级 机械 09-10 班 指导教师 方应翠 院系名称 机械与汽车工程学院 目 录中文摘要 1英文摘要 21 绪 论 31.1 真空镀膜的意义 31.2 真空镀膜技术在国内外的发展状况 41.3 真空加热烘烤的重要性 51.4 课题的研究的任务及背景 62 设计方案的确定 72.1 加热装置的选择 72.1.1 加热烘烤装置的类型 72.1.2 加热烘烤装置的确定 82.2 加热元件的选择 82.2.1 加热元件的种类 82.2.2 加热元件的选择 92.3
2、加热箱体的内部结构设计 .112.4 加热烘烤过程中的温度控制方案 .123 真空系统的设计及计算 .143.1 真空系统简述 .143.2 玻璃真空管壁厚的计算 .143.3 真空室选泵的计算 .153.3.1 粗算主泵抽速 .153.3.2 流导计算 .153.3.3 精算主泵抽速 .163.3.4 前级泵的计算 .163.3.5 抽气时间的计算 .183.3.6 计算扩散泵的抽气时间 .203.4 加热时间的计算 .233.4.1 玻璃真空室吸热量的计算 .233.4.2 中间空气吸收的热量 .233.4.3 计算加热时间 .253.5 系统概况 .264.设计系统的操作流程 .27结论
3、 .29谢 辞 .30参考文献 .31第 0 页小型真空系统加热装置设计摘要: 本次毕业设计主要是针对小型真空系统的加热装置进行的，一个好的真空系统，要保证真空室有一个良好的高真空环境，需要有一个稳定的加热系统。由于真空系统体积较小且为玻璃圆柱状，内部的气体不易抽出，故需要对其进行加热处理，设计中选择外部圆筒式烘烤箱加热的方式，内部是以高温铁铬铝合金丝为电阻丝的单管红外石英加热灯管，以正六边形各顶点的位置分布于箱体内壁，以达到加热的均匀性，排出气体效果良好，达到高真空的目的。同时，对加热温度进行简单的电路控制，使加热烘烤温度能稳定在所需温度范围，达到控制的自动化，不需要每次都手动操作，保证了加
4、热的稳定性和持续性。关键词：小型真空系统；加热烘烤箱；加热温度控制；第 1 页Abstract: The graduation project is primarily for small heating device vacuum system.A good coating machine must have a good high vacuum environment and a stable heating system. Because the vacuum system is small and it is made of cylindrical glass, the externa
5、l cylindrical ovens heating mode has been chosen .The interior of the system is a single tube of quartz infrared heating lamps, whose resistance wire is made by high temperature iron-chromium alloy wire. And they are located in the housing wall in the position of the vertices of a regular hexagon, i
6、n order to achieve uniformity of heating and a good effect of the exhaust gas. So, it can achieve the purpose of high vacuum. Meanwhile,designing the simple control circuit of the heating temperature keep the heating and baking temperature can be stabilized at the desired temperature range. The equi
7、pment can ensure the heat stability and sustainability that do not require manual operation each time .Keywords: Small vacuum system; heating ovens; heating temperature control; 第 2 页1 绪 论1.1 真空镀膜的意义随着我国电子科技、食品加工、医疗生产等方面的不断进步，真空镀膜广泛应用在电真空，电子学、光学、能源开发、现代仪器、建筑机械、包装、民用制品、表面科学、以及原子能工业和空间技术中。在真空系统中的镀膜技术，
8、是真空应用技术的重要组成部分，是一项综合的、应用范围很广的先进技术，是许多前沿学科发展的基础技术之一，同时也是当今信息时代中许多高新技术发展必不可少的手段。这一技术目前之所以得到飞速发展是因为它不仅仅是单一的真空应用技术，而是以真空技术为基础，利用物理或化学的方法，并且吸收了电子束、分子束、离子束、等离子体、射频、磁控等一系列新的技术，从而为科学研究与生产提供了膜层涂覆的新工艺，新技术的结果。用真空镀膜技术代替传统的电镀工艺，不但能节省大量的膜材和降低能耗，而且还会消除湿法镀膜中所产生的环境污染。因此国外在钢铁零件涂覆防腐层和保护膜方面，已采用真空镀膜工艺来替代电镀工艺，在冶金工业中，为钢板和
9、钢带加镀铝防护层已很普遍。在机械制造工业中，真空镀膜工艺用于改变某些加工工艺和节约贵重的原材料，再如汽车制造业中采用塑料制品金属化零件代替各种金属零件，即减轻了汽车的重量又节约了燃油的消耗。在玻璃上镀滤光膜和低辐射膜，可使阳光射入。而作为室内热源的红外辐射又不能通过玻璃辐射出去，这在高纬度地区也可以达到保温节能的目的。真空镀膜技术及设备在当今和未来都拥有十分广阔的应用领域和发展前景 特别是在制造大规模集成电路的电学膜：数字式纵向与横向均可磁化的数据纪录储存膜：在能充分展示和应用各种光学特性的光学膜；在计算机显示用的感光膜；在TFT、PDP平面显示器上的导电膜和增透膜；在建筑、汽车行业上应用的玻
10、璃镀膜和装饰膜；在包装领域用防护膜、阻隔膜；在装饰材料上具有各种功能装饰效果的功能膜；在工、模具上应用的耐磨超硬膜：在纳米材料研究方面的各种功能性薄膜等等都是在真空镀膜技术及设备在广泛应用的基础上得到的不断发展的领域。真空镀膜工艺技术的不断发展，也推动了真空镀膜设备的不断更新，真可第 3 页谓是一代工艺、一代设备，而各类新的真空镀膜设备的出现，又为先进、复杂的工艺应用于工业化生产提供了可靠的保证。所以针对镀膜设备中的一些方面进行改进，以此来尽量使镀膜设备完善，提高真空系统的工作效率，研究的小型真空系统的加热装置，属于真空系统中密不可分的一个部分，对其结构进行改进和创新，不断优化加热装置，使真空
11、室在加热时热量分布均匀，排出气体效果良好，达到高真空系统的要求，同时是对整个真空系统设备的改进，也是对真空镀膜工艺技术的提高。1.2 真空镀膜技术在国内外的发展状况从中国的真空镀膜技术及设备的发展历史来看，是从20世纪60年代开始的，从无到有，从模仿设计、自行研制到技术引进，并在技术引进的基础上促进了自行研制和发展，特别是在20世纪80-90年代我国的真空镀膜技术及设备都取得了长足的发展，在一些薄膜的应用领域里甚至得到了跨越式的进展。但随着中国进入WTO和世界经济全球化进程的加快，我国的真空镀膜技术及设备已经面临和正在面临着国外拥有先进的真空镀膜技术和设备的跨国公司的强有力的竞争和挑战，这种竞
12、争和挑战迫使我们要同世界贸易组织的其它成员国一样，在同等条件下参与整个世界市场的竞争。但机遇也伴随竞争和挑战降临，主要的机遇在于中国入世后将逐步成为世界各经济国的加工基地，同时设备制造的国际性优质配件的采购也将更容易，采购成本也会降低，国产设备的品质会得到大幅度的提高。从目前真空镀膜设备的市场发展现状来看，国外许多实力雄厚的真空镀膜设备生产商已在中国成立了许多合资或独资的加工企业，并将一些新的真空镀膜工艺技术和产品移植到这些企业中来。因此我国真空镀膜设备在今后三五年内的主要市场除了国内的企业外，外商投资企业也是设备需求新的增长点。但是在真空镀膜技术和设备上国内和国外还存在很大的差距。我们国内的
13、镀膜设备研发的创新意识还不够，国内真空镀膜设备的生产厂家，主要考虑的是国内的中、低端市场，常常受用户给出的低价格所迫，以牺牲设备的性能和可靠性来赢得市场，而生产厂家也缺乏对设备研制的能付诸于实施的中长期规划。这样就使得对新技术、新工艺的应用迫切性降低，而给国外厂家创造了进第 4 页入中国市场的大好机会。目前国内的生产厂商以中、小规模居多，规模小，综合实力低。由于国内的整体配套更新较慢，加工设备较差，加工手段不先进，造成产品的一致性差，产品质量在许多方面低于国外同类产品的水平。可是我们国内在真空镀膜技术的发展和应用上也有很多明显的优势。首先是资源上的优势，我国有近20多个有一定规模的真空镀膜设备
14、的研制和生产厂家，并都拥有一支有一定技术水平和研发能力的技术队伍和销售网络，整个真空行业是有凝聚力的。从全行业的研制生产规模和从业人数上来看都是具有一定优势的。其次是市场上的优势，随着中国进入WTO以后，中国将逐步成为世界最大工业产品的加工基地，中国范围内就有巨大的市场发展空间。还有研制和制造成本上的优势，国内的主要真空镀膜设备生产企业，同国外厂家相比都具备低的人工成本和低的加工设备和工作场地的租金成本(或资产占用费)，这也许是国外许多同类企业无法比拟的优势。所以我们要发展我们的优势，自主创新，及时地响应市场发展的需求变化，积极跟踪国外的先进工艺技术及设备的进展，采用引进部分先进技术和生产模式
15、，同国外著名真空镀膜厂家的合作方式，推行关键部件国际化采购的方式，提高我国真空镀膜设备的质量及整体的技术水平，以真正能适应市场发展的需求。近年来，随着表面和薄膜科学，微电子器件及纳米技术等迅速发展，将使开发和检测方法体系的研究成为真空镀膜技术中的发展重点；而电子束蒸发源将是真空镀膜技术中的一种重要的加热方法和发展方向；目前计算机和信息技术的基础使超大规模继承电路；但下个世纪的基本元件将是纳米电子集成电路。它是微电子器件的下一代，有自己的理论，技术和材料。现有微电子器件的主要材料是极纯的硅，锗等晶体半导体。纳米电子器件可能是以有机或无机复合晶体薄膜为主要原理，要求纯度更高，结构更完善，真空制备的
16、清洁环境，有希望加工组装出纳米电子器件所要求的结构。1.3 真空加热烘烤的重要性在真空镀膜的过程中，镀膜系统的好坏对膜的影响非常大，镀膜室是一个真空度要求比较高，环境要求比较严格的空间。一台好的镀膜机，要保证镀膜室有一个良好的高真空环境，就需要有一个稳定的加热系统，真空系统的加热第 5 页装置，属于真空系统中密不可分的一个部分。如果所使用的加热方式不当，很可能达不到镀膜所要求的高真空度，这会对镀膜造成影响，使所镀膜的性能不符合要求，造成极大的损失。所以，需要对真空加热装置进行设计改进，选择合理的加热方式，安装在正确的位置，使热量均匀扩散，达到排出杂气提高真空度的目的。1.4 课题的研究的任务及
17、背景要求在保证真空度的情况下，对加热装置的结构进行改进设计，尽可能的优化真空室的加热烘烤装置的结构位置，使其实用性提高，同时也提高设备的使用寿命。 认识真空系统加热方法，包括对真空室和真空室内零部件的加热；查文献和工具书认识样品加热装置的具体结构；设计一种新型的对真空室加热的装置，并配置简单的真空系统；用CAD画出零件图，系统图，并用Solid word画出系统或部分零件图。第 6 页2 设计方案的确定2.1 加热装置的选择加热烘烤装置主要用红外管加热器、电阻丝作为加热元件。通常用红外管加热器安全可靠、寿命长，但被烘烤真空系统的形状受到一定限制。电阻丝使用方便、价格低廉，而且被烘烤设备的形状不
18、受限制。 常用的烘烤除气装置根据被烘烤材料特点大致分成下面几种类型：1 整体真空烘箱、2 分离式烘箱、3 烘烤带、4 红外管加热器2.1.1 加热烘烤装置的类型a.整体真空烘箱整体式真空烘箱适用于玻璃真空镀膜机、小型部件及电子器件的烘烤除气。常用的真空烘箱有两种结构：加热器放在真空罩中的内热式烘箱和放在真空罩外部的外热式烘箱。内热式烘箱的加热器不能使用普通电炉丝，因为它们在真空中容易蒸发，所以常用 W 或 M0 丝作加热器。外热式烘箱利用不锈钢钟罩将加热器与被加热部件隔开，部件依靠钟罩加热后产生的辐射热加温。其优点是加热温度均匀避免了加热器直接面对部件带来的蒸发物污染问题。此外还可采用加热器与
19、钟罩活动连接型式，由于加热器可以从钟罩上取走，因此被加热部件冷却快，使用方便。 真空烘箱的真空度一般应高于 lO-2Pa。真空度过低会影响除气效果，还容易产生放电甚至电弧现象，另外发热材料容易氧化并蒸发污染被加热部件。 真空烘箱的一个附带用途是通过改变烘箱内的气压对被加热器件进行高灵敏度的快速检漏。b.分离式烘箱即将整体烘箱分成几块电热板，使用时遥过连接件组合起来。这种烘箱对被烘烤对象的形状适应性强，适用于形状复杂的真空设备的烘烤。c.用电阻丝和玻璃纤维布做成“烘烤带” ，包在被烘烤设备的外部对设备进行加热除气。这种型式适用于形状复杂真空系统及设备的临时性烘烤或局部烘烤。d.在真空设备外部敷上
20、红外管加热器对设备进行加热。适用于大型、中型真空镀膜机的烘烤。 第 7 页2.1.2 加热烘烤装置的确定根据设计任务的要求，要对一直径为 60mm，长度为 800mm 的真空玻璃管进行加热烘烤，使其获得较高真空度。由于所给的加热烘烤对象是一体积较小的玻璃真空管，不能在该真空管内部设计加热装置，所以选择采用外部加热烘烤箱的加热方式。同时，玻璃真空管为圆柱式，故加热烘烤箱的内部也采用圆筒状的结构。图 2.1.2.1 加热烘烤箱体的外形2.2 加热元件的选择2.2.1 加热元件的种类a.单管石英红外线加热灯管红外线灯管是将钨丝伸入充气的石英管中构成。钨丝在交流电压作用下发热并加热石英管中的气体，由此
21、产生红外线辐射。 石英近红外、远红外灯采用透明或半透明石英玻璃作为灯管外壳可生产近红外线或远红外线辐射谱线，红外线灯管主要用于工业加热或烘干，如玻璃制品、金属零件、线路板封装、胶片等，以及其它烘干、干燥、加热，其优点是清洁、温度高、节能、安全、使用方便并且发热均匀。b.镀膜反射红外线灯管特性：所有单管及双管红外线石英加热器，包括短波、中波及快速中波加热灯管都可在背面镀金，镀陶瓷反射涂料。可大幅降低背面非加热方向之温度，减少设备或炉体之高温，并可省去反射罩之使用。镀金或镀陶瓷反射层可集中热能于加热方向，提高热效率并节省电能。第 8 页c.镀金卤素红外线加热灯升温时间极短，非常适合快速高温加热。灯
22、管外表镀有金黄色涂层，此特殊涂层可以滤除灯管发出的耀眼强光，而红外线热能却不受阻挡全部辐射出来。与透明管和红宝石管红外线灯相比，由于可见刺眼强光被滤掉，黄金管特别适合于室内外取暖及有人在场的加热烘干过程。d.金属头红外线加热管;塑料机械用加热管（金属头）:应用于高温环境.大部分光谱位于近红外短波区域。极高功率输出，最大线负载功率超过100W/cm，平面最大输出功率可达1000kw/m2。可选择高效耐用的金反射涂层或陶瓷反射涂层,反射效率高达8095%。只加热目标物方向，节约大量能源。升温时间极短，非常适合快速高温加热。2.2.2 加热元件的选择综合分析各类加热灯管的特性后，选择单管红外石英镀膜
23、反射灯管。单管红外石英镀膜反射灯管，在红外线石英加热灯管的背面镀反射涂料，可集中热能于加热方向，大幅降低背面非加热方向的温度，减少设备或炉体的高温，提高热效率并节省电能；灯管表面温度低于 800，建议使用镀金发射层，更高温度建议使用可耐温 1000的镀陶瓷发射层。工艺：石英加热管它是由电阻丝（材质有高温铁铬铝合金丝和镍铬合金丝Cr20Ni80）为发热体,优质石英玻璃管为绝缘体和导热体,两端用镀镍套固定接线柱,加工而成。 特点：辐射率稳定、高温不变形、无环境污染、抗腐蚀、热惯性小、热转换效率高 主要技术参数: (根据需要确定) 额定电压：380V、220V、110V 36-24V元件长度：300
24、 - 2500mm 元件匹配：200w - 5000W 元件外径：10mm-30mm 常用规格为18和20的; 热响应速度：3 - 5分钟 表面温度：低温度为350460 中温度为500580 可根据要求提高至700750,或降低到100300 光谱范围：2.5-6微米（有较高辐射强度）光谱发射系数：0.92（波长为48um) 第 9 页管径(mm) 总长度(mm) 功率(W) 电压(V)18-20 200mm 200W 220V18-20 300mm 300W 220V18-20 400mm 400W 220V18-20 500mm 500W 220V18-20 600mm 600W 220
25、V18-20 700mm 700W 220V18-20 800mm 800W 220V18-20 900mm 900W 220V18-20 1000mm 1000W 220V18-20 1200mm 1200W 220V18-20 1500mm 1500W 220V18-20 1600mm 1600W 220V18-20 2000mm 2000W 220V根据需求选择，额定电压 220V；元件长度：800mm；功率 800W；元件直径：20mm；表面温度：400。图2.1.3.2 .1 单管红外石英镀膜反射灯管 第 10 页注意事项 ： 1.使用时配用铝反射罩或不锈钢反射罩，平面或抛物面反射罩
26、。但抛物反射罩最佳：提高辐射的利用率高 2.应避免剧烈振动和摇动。3.加热元件与被加热物之间距离最佳控制为100-400毫米为宜。4.石英加热元件属脆性材料，安装使用时应注意安全、使用时根据被加热物件的具体情况、采取必要的防护措施、以免产生机械损伤。5.该加热元件单支实测寿命为15000小时，乳白石英管寿命可达十年。为提高辐射效率、要定期清除管面污垢及灰尘。2.3 加热箱体的内部结构设计针对真空玻璃管的圆柱结构，采用的加热烘烤箱体内部也为圆柱式的结构，在箱体的内壁设计灯管位置时，要考虑灯管加热时的均匀性和稳定性。为了使加热时，玻璃真空管的周围温度均匀稳定上升，选择六根灯管，按正六边形的顶点的位
27、置放置。图 2.3.1 箱体内部灯管的分布第 11 页如图所示，加热烘烤箱内部，正中间放置的是玻璃真空管，圆筒壁上六根加热灯管，均匀的按正六边形的顶点排布，使得玻璃真空室到各个灯管的距离都是相等的，在各个灯管加热放出热量时，相对于正中心的玻璃真空管来说，从四周传递过来的热量是相对均匀和稳定的。通过这样的结构设计，使得加热烘烤箱的加热均匀稳定性得要改善，能更好的对玻璃真空室进行加热，使之获得满足要求的真空度。2.4 加热烘烤过程中的温度控制方案对玻璃真空管进行加热烘烤，其烘烤温度为360，烘烤时间为一小时。加热烘烤温度控制方案：当玻璃真空管抽到一定真空度时，接通烘烤箱电源，开始加热，当温度上升至
28、100时，通过电路调节，使温度在100120保持35min，使玻璃真空管温度均匀，达到充分预热的效果；然后继续升温，达到200时，在此调节电路，使温度在200220的范围内保持35min；继续升温至360，通过电路调节，使玻璃真空管的温度保持在350370的范围内烘烤一小时，达到除气提高真空度的目的。温度控制的原理简述：当温度开始上升时，每隔一段时间，通过热电偶传感器将温度信号传至模数转换器，通过模数转化器将模拟信号转换为数字信号，与预设温度进行比较，将比较结果传至单片机，若未到达所需温度，不作处理继续加热；若温度超过所需上限，则通过单片机调节加热元件，降低加热源温度，使温度降至要求的范围，这
29、样使得温度得到控制和稳定。加热系统温度控制示意图第 12 页3 真空系统的设计及计算3.1 真空系统简述本次设计真空系统主要实现对玻璃真空管进行加热烘烤抽气，以达到要求真空度的功能，根据设计基本要求，该系统选用一个主抽泵、一个前级泵、设计的加热烘烤箱，为了实现对内部真空度的测量、充气量和温度的控制，需要配置电阻规、电离规、质量流量计和热偶传感器，此外选取必要的阀门管道、波纹管以及密封设施保证真空系统的正常运行。3.2 玻璃真空管壁厚的计算根据设计要求，真空室为圆筒型玻璃管，其内径为 60mm，长度为 800mm。按照壁厚计算公式，圆筒壳体只承受外压的时候，按照稳定条件，其计算壁厚为： 4.00
30、)(25.1DLEPSt式中 S0为圆筒计算壁厚，单位 mm；D 为圆筒内径（60mm） ，单位 mm；P 为外压设计压力（1 个大气压） ，单位 MPa；L 为圆筒计算长度（800mm） ，单位mm；Et 为材料温度为 t 是的弹性模量(7.2*104MPa)，单位 MPa。圆筒实际壁厚应为：S = S 0 + C式中 S 为圆筒实际壁厚，单位为 mm；C 为壁厚附加量。其中：C = C 1 + C2 + C3式中 C1为钢板的最大差附加量(一般取 0.5mm)；C 2为腐蚀裕度（大气腐蚀速度0.05mm/年 时，双面腐蚀取 2mm） ；C 3为封头冲压时的拉伸减薄量（玻璃圆筒 C3=0）
31、；单位均为 mm。此外，还需满足： 523.04.tBDLEP现已知真空室的内径为 60mm，长度为 800mm，所以综合上述各式子可得圆筒玻璃真空室的实际壁厚为：S5mm第 13 页3.3 真空室选泵的计算3.3.1 粗算主泵抽速初选系统极限工作压强 p = 1*10-5 Pa，根据经验公式可知系统有效抽速为：S=（5-20）V其中，S 为抽速，V 为真空室体积，LDLr261.)(22式中，D 为真空室内径 60mm，L 为真空室的高 800mm计算可得：S = 11.305-45.22 L/s油扩散泵在使用时，需要在其进气口上方加上冷阱以防止反油现象，考虑到冷阱对抽速有较大影响，需选择抽
32、速更大的泵，所以选择 K-160B，其抽速为810L/s,极限压强为 7*10-5Pa,加热功为 1.2KW，进口直径 160mm，泵用油量0.36L，冷却水用量 200L/h。3.3.2 流导计算K-160B 型扩散泵口径为 160mm，泵口经冷阱过渡，与真空室之间连接口径为 63mm 的管道,管道总长度为 896mm,中间有一个插板阀。总的流导为两节管道和冷阱以及插板阀的串联流导。确定气体沿管道的流动状态。真空室工作压力为 110-5 Pa 时，扩散泵入口压力很低，所以管口的压力可以忽略，管路中的平均压力 510-4 Pa，此时，D*P=6310 -3 * 510-4 =3.1510-5
33、Pa*m 0.02Pa*m所以，管道中为分子流（1）管道流导为（2）插板阀 CC-63A 的流导查表得：C 2 = 400L/s(3)冷阱的流导：C 3 = 330L/ssLLD/7.31089631.1.2-31 ）（第 14 页所以，总流导： sLC/46.2813213.3.3 精算主泵抽速sLSCe/5.2711考虑管道流导，主泵对真空室的有效抽速 S1所得结果与初算时的抽速相差很小，所以选择的主泵符合要求。 3.3.4 前级泵的计算K-160B 扩散泵的前级压力为 40Pa，所以，根据第一机械工业部制定的标准所推荐的前级泵选取 2X-8 型机械泵。3.3.4.1 流导的计算选取排气口
34、管道为直径 50mm 的管道，长约为 728mm，因为扩散泵出口压力40Pa，机械泵进口压力要比 40Pa 低得多，计算管道中平均压力 P20Pa此时，D*P=5010 -3 * 40= 2 Pa*m 0.65Pa*m所以，管道中为粘滞流。流导：3.3.4.2 前级泵抽速的粗算：主泵名义抽速为 S1 时的最大工作压强 P 大 = 510-5 Pa主泵出口的最大排气压强 P 反 = 40Pa主泵的最大排气量 Q max = S1*P 大 =810510-5 =4.0510-2 Pa*L/ss/046.8.721053414-4v LLDC）（ s/1026.0.)25.1.( 3-3-max2
35、LPS ）（反 第 15 页前级泵抽速：3.3.4.3 前级泵抽速的粗算：所得结果与粗算中相差很少，所以说明所选的前级泵符合要求。3.3.5 抽气时间的计算小型真空系统通过较大的管道连接由泵来排气，一旦接通系统立即进入低压抽空直至所需真空度，小容器中的气体由管道入口一端向管道出口一端迅速扩散，小容器被快速抽空。因此管道中的压强分布不但是管道长度的函数，而且是抽气时间的函数。所以初抽时间为：式中：容器的体积 V（包括管道的体积在内）容器中所要达到的压强 Pc=0.1Pa；容器的初始压强 Pcp=105Pa； 泵的抽速 Sp=8L/s；粘滞流时管道的系数 KF 为空气自由程与所用气体的自由程的比值
36、sLSSp /)15.7(53.1)35.1(2）（ s/105.3max2 LCQPSv反sPKPScpcp 83.12069.82.13.0)1(lnt LV 03.7m48.15)20(8)263(80)26( 管容 1.0563.048.96.176.17 FDCK第 16 页C 为分子流时管道的流导插板阀 CC-63A 的流导 C3 = 400L/ssLC/48.913213.3.6 计算扩散泵的抽气时间扩散泵对电离规真空计处的有效抽速为：管道流导：冷阱的流导：C 2= 330L/s sL/93.1421有机玻璃的放气率为：玻璃真空室的内表面积为：sLLD/82.37108631.2
37、1.2-31 ）（ sC /06.13048.15.21.2 -31-3 ）（ sLCSe /49.1293.4810 sLD/13.25102631.1. -331 ）（ scmPa237/1093.2q2.150786cLDA第 17 页由公式： tqAPSe将起始压强为 0.1Pa 代入，= t1=0.036h将终止压强 10-3 Pa 代入,= t2=3.63h故高真空抽气时间 t=t2-t1=3.63-0.036=3.594h3.4 加热时间的计算3.4.1 玻璃真空室吸热量的计算查表得玻璃的密度为 玻璃真空室的体积为 玻璃玻璃真空管的质量为 查表得玻璃的比热容为 玻璃管从室温上升至
38、 360时吸收的热量为17-t093.25071.249.027-3-t1093.15071249.03/kg108.24m）（ 3422221 10925.380)6()5( mlrlV kgV025.1925.3106.2m4 J/6.c2第 18 页JTmcQ 5212 103.0-36106.9025.)( ）（玻3.4.2 中间空气吸收的热量查表得空气的密度为 中间空气的体积为 中间空气的质量为空气的比热容为 图 3.4.2.1 积分环计算空气吸热量3/kg.m 3222221 107.80)65()0( mlrlV kg1034.107.205.m22kgJc/6.第 19 页如图
39、所示，计算从室温 20加热至 360时，中间空气的吸热量，取一厚度为 dr,温度为 Tr 的环形薄壁，内部玻璃真空管温度为 T1=360，外部加热灯管表面温度 T2=400。将玻璃管至灯管的温度看成线性分布，则积分环的空气吸收的热量为中间总空气的吸热量为从内部玻璃管 r1=0.03m 积分到灯管外表面 R=0.185m3.4.3 计算加热时间根据加热箱结构，内壁上有隔热棉以及反射热量的金属层，所以灯管所释放出的热量向外扩散少，为 10左右，内部空气和玻璃真空管吸收的热量为 90。灯管产生的热量为 则从室温加热至 360所需时间为rTRTcLdTcQr6.2078.136m012）（ 室积 12
40、12 TRrTRrTr JrQ 27.3d6.207r8.13685.0. ）（空 ttptQ4806总 JQ3721035.27.94890 玻空总 s41.789.0483t第 20 页35 系统概况如图 3.5.1 为系统设计情况，根据要求设计加热烘烤箱体以及系统装置的支架等，具体尺寸见装配图及零件图。图 3.5.1 整体设计系统第 21 页4.设计系统的操作流程通水、开总电源，检查水电安全粗抽：开总阀、粗抽阀、机械泵真空度达到0.1Pa开扩散泵关闭粗抽阀真空度达到10 -4Pa开加热箱电源开始加热第 22 页温度达到 360维持温度，烘烤一小时真空度达到10 -5Pa进行相关实验关闭主
41、阀，主泵关闭机械泵关闭加热箱电源关闭总电源，停止通水第 23 页结论本次设计主要是针对小型玻璃真空系统的加热装置进行的，所设计的加热烘烤箱有自己的一定特色，其中的结构，内部支架的形状，灯管位置的选取和安装，都是自己构思设计的，设计具有一定的创新性。在设计的加热烘烤箱的基础上，结合真空系统设计的要求及方法进行了系统的选配。选取了 K-160B 扩散泵和 2X-8 机械泵组成抽气系统，并且选择了相关的阀门管道、冷阱、规管等一系列的系统所需的真空器件，也按照所需选取了充气阀、热电偶传感器等部件，组成了一个能够完成工作需求的真空系统。在设计过程中，对于玻璃真空室的壁厚、加热灯管的安装位置进行了合理的布
42、局和计算，在系统选配泵的过程中按照真空设计的要求做了合理的计算和安排，设计的系统基本可以满足真空玻璃管所需的测试任务。不过在设计的过程中也还有一些问题，比如加热时热量扩散的均匀性，由于时间关系就没有进一步详细具体的研究了。第 24 页谢 辞大学中的最后一堂大课毕业设计，马上就要落下帷幕了，这是我迈出校门走向社会的最后一课，让我学到了很多很多的东西。通过这次毕业设计，自己进一步温习了真空系统设计及真空相关的专业知识，同时弥补了很多之前的不足之处，在学习设计之余也结识了很多优秀的老师、学长和同学，对于这次设计自己收获颇多，相信这次设计对于我以后的发展有重要的意义。在整个设计过程中，方老师对我们要求
43、严格，给我们自己思考发挥的机会，让我们对专业知识更加了解，激发我们的创新思维，就是为了让我们运用所学知识系统的考虑问题，掌握设计的整个过程。对于我们不懂或者有疑问的地方，老师都是耐心听，认真指导，在设计细节上也为我层层把关，这才使我能顺利完成这次毕业设计。在此，谨向方老师致以最诚挚的感谢和最崇高的敬意。其次，要感谢研究生学长和同组的同学们，在这次设计过程中，学长给了我无私的帮助和指导，对于每一个设计图纸中的细节和不足之处，学长都耐心的一一指出并为我讲解其中的要点，让我保质保量的完成设计任务。同时，在设计过程中遇到许多的问题，与同组的同学之间的相互讨论，他们给了我许多很好的建议，在设计中给了我很
44、大的帮助，谢谢你们陪我上完大学里的最后一堂课。在这三个月的时间里，在老师、学长、同学的帮助下顺利的完成了我的毕业设计，同时自己扩大了知识面，增加了视野。再一次真诚的感谢方老师、学长以及在本次设计中帮助我的同学朋友们，谢谢！第 25 页参考文献1冀建华等.真空镀膜技术与设备M.合肥：合肥工业大学出版社.2001.2合工大真空教研室.真空系统设计与计算M.合肥：合肥工业大学出版社.2001.3 杨乃恒. 真空获得设备M.北京：冶金工业出版社.1999.4达道安.真空设计手册（第三版）M.兰州：兰州物理研究所.2004.5 干蜀毅. 超高真空技术M.合肥：合肥工业大学出版社.6 宋云涛.HT-7U
45、超导托卡马克装置真空室热烘烤结构数值模拟与分析A.合肥：中国科学院等离子体物理研究所.2004.7 R.J.艾尔斯、段方强. 真空材料的放气J.真空.1980 年 02 期.8 骐毅.国内外真空镀膜技术及设备的基本现状及国内真空镀膜设备发展的几点建议.国投南光有限公司，四川城都 610062.9 姜樊昌. 真空镀膜技术的最新进展.上海真空泵厂.10 张以忱 .真空镀膜设备.冶金工业出版社.2009.11Power BD. High Vacuum Pumping EquipmentJ. Vacuum，1966，(1):8-9.12Rolland R.Lapelle:Practical Vacuum Systems 1972.13H.A.Steinherz:Handbook of High Vacuum Engineering 1963.14张学学、李桂馥 .热工基础M.北京：高等教育出版社.2000.15高本辉等 .真空物理M. 科学出版社，1983.16成大先. 机械设计手册（第五版）：第 3 卷M.北京：化学工业出版社,2008.
