1、1 第五章：真空系统 设计 钢铁冶金研究所 战东平2 怎样来构造一个真 空系统？ ？ 3 2009级硕士讲义 战东平 真空应用设备种类繁多，但无论何种真空应用设备都 有一套排除被抽容器内气体的抽气系统，以便在真空容器 内获得所需要的真空条件。 一、真空系统的组成 举例来说：一个真空处理 用的容器，用管道和阀门 将它与真空泵连接起来， 当真空泵对容器进行抽空 时，容器上要有真空测量 装置，这就构成了一个最 简单的真空抽气系统。 4 2009级硕士讲义 战东平 最简单的真空系统只能在被抽容器内获得低真空 范围内的真空度，当需要获得高真空范围内的真空度 时 ，通常串联一个高真空泵。 当串联一个高真空
2、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。 5 2009级硕士讲义 战东平 高真空系统 6 2009级硕士讲义 战东平 凡是由两个以上真空泵串联组成的真空系统，通常都把抽 低真空的泵叫做它上一级高真空泵的前级泵(或称前置泵)，而 最高一级的真空泵叫做该真空系统的主泵，即它是最主要的
3、泵，被抽容器中的极限真空度和工作真空度就由主泵确定。 被抽容器出口到主泵入口之间的管路称为高真空管路，主 泵入口处的阀门称为主阀。 通常前级泵又兼作予真空抽气泵。 被抽容器到予抽泵之间的管路称为予真空管路，该管路上 的阀门称为予真空管道阀。 主泵出口到前级泵入口之间的管路称为前级管道，该管路 上的阀门称为前级管道阀，而软连接管道是为了隔离前级泵 的振动而设置的。 7 2009级硕士讲义 战东平 总起来说，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、
4、储气罐等。 8 2009级硕士讲义 战东平 究竟什么是 真空系统? 用一句话来概括，就是：用来获得有特定要求 的真空度的抽气系统。 9 2009级硕士讲义 战东平 真空系统设计的基本内容： 是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。 10 2009级硕士讲义 战东平 真空系统最重要的性能参数是其所能获得的极限 真空度和 对容器的有效抽速。 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
5、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。 二、真空技术基本方程 11 2009级硕士讲义 战东平 流导：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： (1) 12 2009级硕士讲义 战东平 如果用S e 来表示真空系统对容器的有效抽速， 用S p 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： (2) (2a) (2b) (2c) 方程(2) ，(2a) 、(2b)、和(2c)本质上是一个方程
6、， 只不过写法不同，这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S p 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。 13 2009级硕士讲义 战东平 从方程(2b)可以看出：如果管路的流导C 远大于泵的抽速S p ，则S p /C的值远小于1，此时 真空系统对容器的有效抽速S e S p 。 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。 (2b) 14 2009级硕士讲义 战东平 相反，如果管路的流导C远小
7、于泵的 抽速S p ，则C/S p 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S e 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。 (2c) 15 2009级硕士讲义 战东平 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) 三、气体流动状态的判别 是湍流和粘滞流 之间的过渡状态 粘滞流和分子流 之间的过渡状态 16 2009级硕士讲义 战东平 因为湍流仅仅
8、发生在真空系统刚刚工作之时，持续 的时间很短，发生湍-粘滞流的时间也很短，所以在真 空系统的设计计算中很少考虑这两种流动状态的影响。 而 主要考虑粘滞流，粘滞-分子流，分子流这三种流 动状态下，管道对气体的导通性能-流导 。 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? 17 2009级硕士讲义 战东平 对于室温20空气、湍流、湍- 粘滞流、粘 滞流之间的判别式为式（
9、）。 （） 18 2009级硕士讲义 战东平 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（）。 19 2009级硕士讲义 战东平 1流导和流几率 (1)流导 就一个真空系统管路元件( 包括导管、阀门、 捕集器等)来说，若其入口压力P 1 和出口压力P 2 不相等，即管路元件的两端存在压强差P 1 -P 2 ， 则元件中将有气流从高压侧流向低压侧。 四、流导的计算QP 2 P 1 管道中的气流 20 2009级硕士讲义 战东平 若流经元件的气流量是Q， 实验和理论都证明Q值的 大小与元件两端的压强差P 1 -P 2 成正比 。 用数学式子来表示Q与P 1 -P 2 之间的关
10、系，则可写成： Q=C （P 1 -P 2 ） (5) 式中C 为比例常数。 C=Q/(P 1 -P 2 ) (6) 常数C 称为流导。式(6)即是流导的定义式。 它表明：在单位压差下，流经管路元件气流量的大 小被称为流导。 在国际单位制中，气流量Q的单位是Pam 3 /s ，P 1 -P 2 的单位是Pa，所以流导的单位是m 3 /s 。 21 2009级硕士讲义 战东平 流导的大小说明在管路元件两端的压强差P 1 -P 2 一定的条件下流经管路元件的气流量的多少 。 从式(5)可见，当压差P 1 -P 2 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
11、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。 22 2009级硕士讲义 战东平 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。 用p r 来表示流导几率，则流导几率的定义式为： p r =C/C fk (7) C= p r C f
12、k (8) 从式(8)可以看出，管路元件的流导C 等于该元件入口 孔的流导C fk 和其流导几率P r 的乘积。 通常，管路元件入口孔的流导C fk 是很容易求得的， 如果知道了元件的流导几率P r ，则利用式(8)可以很容易地 计算出元件的流导。 (2)流导几率 23 2009级硕士讲义 战东平 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。 2流导的计算 24 2009级硕士讲义 战东平 薄壁孔 粘滞流时气体流经薄壁孔，如图4所示，当P 1 P 2 时，气体从I空间流向II 空间。 试验发现：当P 1 不
13、变时，随P 2 下降，通过孔口 的流速和流量都增加，但当P 2 下降到某一值时，它们 都不再随P 2 下降而增加。 (1)粘滞流时流导的计算 25 2009级硕士讲义 战东平 对于室温空气，面积为Am 2 的薄壁孔的流导为： (9) 26 2009级硕士讲义 战东平 对于室温空气，圆形薄壁孔的流导为式(10) 。 (10) 27 2009级硕士讲义 战东平 通常，气体从一个大容积进入管道的入口孔时，孔口 对气流存在影响，但当管道的长度比较长，管口对气流 的影响则可以忽略，即可以不考虑管口对气流的影响。 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
14、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： 不考虑管口影响时，圆管的流导 28 2009级硕士讲义 战东平 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。 当管道的长度不太长时，管口效应的影响在进行计算 中不能忽略。 在工程计算中，一般认为管道的长径比L/D 20 都 属于这种情况，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： 考虑管口影响时，圆管的流导 29 2009级硕士讲义 战东平 薄壁孔 分子流时，对
15、于室温空气，面积为Am 2 的薄壁孔 的流导用式(13)计算。 (13) (2)分子流时流导的计算 (14) 对于直径为D的圆孔： 30 2009级硕士讲义 战东平 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 (15) 导出。 不考虑管口影响时，圆管的流导 式中，L 和D分别为圆管的长度和直径，m。 由式(15)导出的圆管的流导为式(16) 。 31 2009级硕士讲义 战东平 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(17) 。 图5 截圆锥形管道 不考虑管口影响时，圆锥形管的流导 32 2009级硕士讲义 战东平 设圆管的长度为L，
16、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p r 如式(18) 。 考虑管口影响时，圆管的流导 33 2009级硕士讲义 战东平 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式(19)。 34 2009级硕士讲义 战东平 对于真空阀门的分子流流导计算如下： 真空阀门的分子流流导 35 2009级硕士讲义 战东平 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”数据进行计算可用式(20) 。 常用水冷障板的流导 36 2009级硕士讲义 战东平 若捕集器不是
17、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，式(21) 。 若冷凝剂用的是干冰( 固体CO 2 )，取l=1.2 ； 若是液氮，则取l=1.7 。 37 2009级硕士讲义 战东平 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。 C= p r C fk (8) 38 2009级硕士讲义 战东平 圆管对于室温空气的流导计算式是式(21)。 在式(21)和(22) 中，函数J的数值见表1 。 (3)粘滞- 分子流 39 2009级硕士讲义 战东平 40 2009级硕士讲义 战东平 组成真空系统的管路
18、各式各样，各系统管路元 件之间的关系，有的是串联，有的又属于并联。 (4)管路元件串、并联时，流导的计算 41 2009级硕士讲义 战东平 图6所示的一段管路，是导管、阀门、捕集器三 个元件串联。 若C 1 、C 2 、C 3 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式(23)。 串联管路的流导 42 2009级硕士讲义 战东平 如果是n个管道元件串联，则串联后整个管路 的流导为式(24)。 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。 43 2009级硕士讲义 战东平 图7所示的整段管路是三条导管的并联，若C 1 、 C 2 、C 3 分别是
19、这三条导管的流导，则并联后组成 的整段管路的流导C为式(25)。 并联管路的流导 可见并联管路的流导等于各并联元件流导 的代数和。 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(26) 。 44 2009级硕士讲义 战东平 真空系统的任务：就是抽除被抽容器中的各 种气体。 真空系统的气体负荷：把被抽容器中所产生 的各种气体的流量称为真空系统的气体负荷。 真空系统的气体负荷（气源）： (1)被抽容器内原有的空间大气，若容器的容 积为Vm 3 ，抽气初始压强为P o Pa，则容器内原有 的大气量为VP 0 Pam 3 ； 五、抽气时间的计算 1真空系统的抽气方程 45 2009
20、级硕士讲义 战东平 (2)被抽容器内一旦被抽空，暴露于真空下的各种 材料构件的表面就将把原来在大气压下所吸收和吸 附的气体解析出来，这部分气体来源我们称之为放 气 ，单位时间内的放气流量可以用Q f Pam 3 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可以用式(27)的经验公式来计算。 46 2009级硕士讲义 战东平 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Q f 为式(49)。 47 2009级硕士讲义 战东平 (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Q s Pam 3 s 表示。 渗透的气流量：是大气通过容器壁结构材料
21、扩散 到容器中的气体流量。 气体的这种渗透是有选择性的，例如：氢只有分 离为原子才能透过铁、镍和铝；氢对钢的渗透将随钢 中含碳量的增加而增加。氦分子能透过玻璃。氢、氮、 氧和氩、氖、氦能透过透明的石英。一切气体都能透 过有机聚合物，如橡胶、塑料等。但是所有的隋性气 体都不能透过金属。 除了有选择性之外，渗透气流量Q s 还与温度、气 体的分压强有关。在材料种类、温度和气体分压强确 定时，渗透气流量Q s 是个微小的定值。 48 2009级硕士讲义 战东平 (4)液体或固体蒸发的气体流量Q Z Pam 3 s 。 空气中水分或工艺中的液体在真空状态下蒸 发出来，这是在低真空范围内常常发生的现象。
22、 在高真空条件下，特别是在高温装置中，固 体和液体都有一定的饱和蒸气压。 当温度一定时，材料的饱和蒸气压是一定 的，因而蒸发的气流量也是个常量。 49 2009级硕士讲义 战东平 (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Q L Pam 3 /s。 对于确定的真空装置，漏气流量Q L 是个常数。 漏气流量：通常可通过所说的压升率，即单位 时间内容器中的压强增长率P x 来计算式(28)。 50 2009级硕士讲义 战东平 当真空泵启动之后，真空系统即对被抽容器 此时，真空系统对容器的有效抽速若以S e 表示， P表示，则单位时间内系统所排出 S e P 。
23、容器中的压强变化率为dP/dt，容器内的气体 Vd P / d t 。 根据动态平衡，可列出如下方程(29) 。 抽气。 容器中的压力以 的气体流量即是 减少量即是 这个方程称为真空系统抽气方程。 V是 被抽 容器 的容 积 放气流量Q f ，渗透气 流量Q s ，蒸发的气流 量Q z 和漏气流量Q L 都是使容器内气体量 增多的气流量 S e P 则是真空 系统将容器内 气体抽出的气 流量，所以记 为S e P 51 2009级硕士讲义 战东平 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，
24、这表示容器内的气 体减少量。 放气流量Q f ，渗透气流量Q s ，蒸发的气流量 Q z 和漏气流量Q L 都是使容器内气体量增多的气 流量。 S e P 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S e P 。 52 2009级硕士讲义 战东平 对于一个设计、加工制造良好的真空系统， 抽气方程(29) 中的放气Q f 渗气Q s 、漏气Q L 和蒸气Q z 的气流量都是微小的。 因此抽气初期( 粗真空和低真空阶段) 真空系统 的气体负荷主要是容器内原有的空间大气。 随着容器中压强的降低，原有的大气迅速减 少，当抽空至1 10 -1 Pa时，容器中残存的气体主 要是漏放气，而且主要
25、的气体成分是水蒸汽。 如果用油封式机械泵抽气，则试验表明，在几 十几Pa 时，还将出现泵油大量返流的现象。 53 2009级硕士讲义 战东平 从大气压开始到0.5Pa范围的抽气，我们统称为低真空 抽气阶段。 这一阶段的抽气通常用油封式机械真空泵或 分子筛吸 附泵来完成。 一般来说，油封机械泵的特性是在大气压到10 2 Pa时抽 速近似为常数，在10 2 0.5Pa时抽速变化较大，而对于吸 附泵，5A分子筛在室温下由大气压到0.5Pa时对氮气的吸 附速率近于常数； 在液氮温度下，由大气压到1Pa时，对氮气的吸附量近 似于常数。 因此，对于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
26、考虑。 2低真空抽气时间的计算 54 2009级硕士讲义 战东平 油封机械泵在大气压到10 2 Pa 范围内抽速近似 为常抽速。 在这一阶段抽气过程中，系统内的压强较高， 排气量较大，即使系统内有些微小的漏气和放气， 影响也不大，可以忽略漏气、放气、蒸发和渗透的 气流量。 忽略这些微小的气流量之后，抽气方程(29) 变 为(30)。 (1)近似常抽速时，抽气时间的计算 55 2009级硕士讲义 战东平 假定真空泵的入口直接连到容器出口 上进行抽空，此时没有连接管路或是连接 管路很短，其影响可以忽略不计。 微小的漏、放气流量等也忽略不计， 则求解抽气方程(31)。 不考虑管道影响和漏放气时抽气时
27、间的计算 通常，被抽容器的出口到真空泵入口之间有连 接管路。 连接管路的影响是使得系统对真空容器的有 效抽速S e 低于真空泵的抽速S p ， 这说明管路对于气 体流动具有阻力。 56 2009级硕士讲义 战东平 由式(32)可得出容器内压强P随抽空时间t 的 变化关系式(33)。 式中各符号的意义同式(32) ， 式(32) 是抽气时 间计算的最基本的公式。 57 2009级硕士讲义 战东平 对于任何一个被抽容器不可能没有漏气和放 气，当被抽容器内的压强较低，真空系统的排 气流量不是很大时，就必须考虑漏、放气等气 流量对抽气过程的影响，此时抽气时间的计算 式为(34) 。 不考虑管道影响而考
28、虑漏放气时抽气时间的计算 58 2009级硕士讲义 战东平 实际上真空泵对容器的抽气都是通过连接管路 进行的。 由于管路的影响，泵对容器的有效抽速降低 了，延长了抽气时间。 因此在这种情况下需要考虑管道的影响。 此时抽气时间的计算式为(35)。 考虑管道影响和漏放气时，抽气时间的计算 59 2009级硕士讲义 战东平 真空泵对容器的有效抽速s 可以利用真空技术基 本方程(2)求出。 计算时需先求出真空泵入口到容器出口之间连 接管路的流导C，而流导C 又与气流状态有关，所以 要根据不同的气体流动状态，选择适宜的流导计算 公式计算连接管路的流导C 。 计算出连接管路的流导C，由泵的实际抽速S p
29、， 即可通过真空技术基本方程(2)求出泵对容器的有效 抽速S e 。 再利用式(35)即可求出对于容积为Vm 3 的容器， 从压强P 0 降低到P的抽气时间t 。 (2) 60 2009级硕士讲义 战东平 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。 (2)变抽速时抽气时间的计算 61 2009级硕士讲义 战东平 如图10所示。假定需要求容器内的压 力由P 0 降低到P的抽气时间，则可以将P 0 到P这个压强区 段分成n段。 段效愈多，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t 1 ，t
30、2 t i t n 取每段的平均 抽速为s 1 ，S 2 ，S i S n ，用相应的公式(36) 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 。 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。 62 2009级硕士讲义 战东平 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S p 的近似关系是(46) 。 经验系数计算法 式中系数K在不同压力区间的取值如表2 。 63 2009级硕士讲义 战东平 应用该式计算抽气时间时，实际上相当于 把从大气压到1Pa的抽气
31、时间计算分成为五个 区强区段，对应每一个压强区段，根据表2 所 给出的K值分别计算各压强区段的抽气时间， 然后将五个压强区段的抽气时间相加即得从 大气压到1Pa的总的抽气时间。 因此抽气时间的计算可用式(37) 。 64 2009级硕士讲义 战东平 而所说的预抽泵是为了使被抽容器能从大气压 力很快地抽空到主泵能够开启工作的压力。 对一个真空系统来说，往往把系统的前级 泵同时兼作预抽泵使用。 我们这里所说的选泵是指选择主泵而言，而 配泵是指为主泵选配合适的前级泵或预抽泵。 六、真空系统的设计 在图2所示的真空系统中，主泵决定 了被抽容器的极限真空度和工作真空度， 而前级泵则在主泵出口处造成始终低
32、于 主泵的临界前级压力的真空度，保证主 泵能正常工作。 65 2009级硕士讲义 战东平 选主泵要考虑两个方面： 选择主泵的类型 确定主泵抽速的大小 (1)主泵类型的确定 确定主泵类型的依据是： 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。 1选主泵 66 2009级硕士讲义 战东平 图1l 各种真空泵的工作压强范围 67 2009级硕士讲义 战东平 为此，应当对各种真空泵的性能及使用特点 进行了解。 例如：油封式机械
33、真空泵能够直接向大气中排气，即可以单独 抽空，又可以作为某些泵的前级泵。在无气镇装置的情况下，该泵 只适用于抽除干燥气体、当带有气镇装置时，也可以抽除含有少量 水蒸气的气体，不适合抽除有爆炸性的气体，对金属有腐蚀性的气 体，以及含有颗粒灰尘的气体。 再如油增压泵和油扩散泵，它们都属于油蒸汽流泵。这两种泵 对摩尔质量较小的气体(如氢气)抽气能力大，被抽气体中含有少量 灰尘和水蒸汽也影响不大。但它们不能将气体直接排到大气中去， 必须有前级泵，而且工作前必须有一个预真空环境。这两种泵作为 主泵的系统，都会有一定数量的泵油蒸气返流到被抽容器中。 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
34、的灰尘情况。 68 2009级硕士讲义 战东平 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。 根据初次投资和日常运转维护费用 由两个图中的曲线可见，在1.3310 -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1.3310 1 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。 69 2009级硕士讲义 战东平 主泵的类型选定之后，接下来就是要具体地 确定主泵抽速的大小规格。 主泵抽速大小的确
35、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。 具体分如下步骤： 真空室内排气流量的计算 被抽容器所要求的有效抽速的计算 粗算主泵的抽速S 验算主泵的抽速 (2)主泵抽速大小的确定 70 2009级硕士讲义 战东平 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，再按式 (2a) 计算粗选主泵对真空室出口的有效抽速S e ， 若S e 大于或等于被抽容器所要求的有效抽速 S ey 则认为粗选的主泵的大小合乎要求，否则 应重
36、新粗选主泵，再进行验算，直至合乎要 求为止。 71 2009级硕士讲义 战东平 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。 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 。 2配泵 72 2009级硕士讲义 战东平 所配前级泵确定
37、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，确定备部分 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。 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，通常按式(47)选取前级泵的抽速。 73 2009级硕士讲义 战东平 罗茨泵作为主泵时，由于罗茨泵的转子与转子、 转子与定子之间的间隙较大，所以它对气体的压 缩比较小，一般其前缀泵要大些。 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(48) 选取。 74 2009级硕士讲义 战东平 由
38、于扩散泵和油增压泵起动时间长，在周期性 操作的设备中，当装料和卸料的时候，为了缩短工 作周期而不切断扩散泵和油增压泵的电源，将高真 空阀和前级管道阀关闭，使主泵处于正常工作状态。 由于阀门等总会有极少量的漏气和表面放气， 经过一段时间主泵出口压强增加，若超过主泵的最 大排气压强而返流到泵中，则会使油蒸气氧化。 为了解决这个问题，一个办法是用前级泵继续 抽除主泵排出的气体，但此时主泵内排出的气体量 很小，出现前级泵大马拉小车的现象。浪费许多能 源。 3储气罐和维持泵 75 2009级硕士讲义 战东平 为此可采用另一种办法，停止前级泵工作，关 闭前级管道阀门，在主泵出口处设置维持泵或储气 罐 ，这
39、就可以保证即能排出主泵内的气体，又可以 节省能源消耗。 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，而维持泵可用在大型主泵的系 统上 。 储气罐的另一个作用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，这时要用储气罐来储存在工艺 过程中主泵所排出的气体，以保证工艺过程中被处 理工件的质量。 76 2009级硕士讲义 战东平 用于防振目的而设置储气罐的容积的计算是根据在机 械泵停止工作这段时间里，扩散泵从真空室中排出的气体 全部排到储气罐中，引起罐中压强增高不超过扩散泵出口 的最大排气压强来计算的。 用于节能和缩短工作周期为目的的储气罐的
40、容积，其 计算办法基于如下考虑：当前级泵停止工作时，而扩散泵 仍处于正常工作状态，这时扩散泵将气体排到储气罐中。 此时气体来源是扩散泵入口上的高真空阀门到扩散泵 出口的前级管道阀之区间的漏气流量和这一区间的表面放 气流量，这些气流量引起扩散泵出口压强增高，但不能超 过扩散泵的最大排气压强。 77 2009级硕士讲义 战东平 使用维持泵的目的是节能，它设置在油蒸气 流泵的出口处，一般与前级机械泵并联。 通常维持泵与前级泵是同一类型的泵。 经验表明，维持泵的抽速大小可以是前级 泵抽速的十分之一。 可见使用维持泵即能大量节约能源，又能 减小环境噪音。 78 2009级硕士讲义 战东平 (1)真空元件
41、，如阀门、捕集器、除尘器和真空泵 等相互联接时，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。 4真空系统设计中应该注意的问题 79 2009级硕士讲义 战东平 (3) 真空系统建成后，应便于测量和检漏。 生产实际告诉我们，真空系统在工作过程 中，经常容易出现漏气而影响生产。 为了迅速找到漏孔，
42、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，以便测量和检漏。 80 2009级硕士讲义 战东平 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) 。 主泵上的高真空阀门，通常不能在阀盖下为 真空状态，而阀盖上为大气压状态下开阀，这要 通过电气联锁保证安全。 (4) 真空系统中配置的阀门
43、和管道，应使系统 抽气时间短，使用方便，安全可靠。 81 2009级硕士讲义 战东平 前级管道阀和预真空管道阀要考虑到阀本身能在大 气压下开阀。 以蒸气流泵为主泵的真空系统，主阀要盖向主泵， 前级管道阀也要盖向主泵，预真空管道阀盖向真空室。 在机械泵入口管道上，应设一个放气阀门。 当机械泵停止工作时，能立即打开此阀，使机械泵 入口通入大气，防止机械泵油返流到管路中，因此该阀 要和机械泵电气联锁。 真空室上也要设置放气阀门，给装料和取料时用。 该阀设置的位置要考虑到放气时，气体冲力较大，防止 因冲力过大而破坏真空室内的薄弱构件。 放气阀的大小与真空室的体积有关，要考虑放气时 间不能太长，影响工作。 82 2009级硕士讲义 战东平 为了达到工作中排气稳定，要求主泵性能稳定，各 阀门运转灵活，密封可靠，系统中各元件的接头不漏气， 真空室密封性能好，备真空元件连接采用标准尺寸，保证 有互换性。 在真空系统设计中，原则上讲，每一个封闭管路尺寸 应有一个可调尺寸。 这个可调尺寸在过去设计中，都采用软管来解决，现 在设计系统时，多数不采用软管。 而采用提高真空元件加工尺寸精度和利用连接法兰上 的密封橡胶圈来解决安装误差，这样可以提高系统强度和 刚度，减少用于系统上的支架，更加
