真空系统设计

真空系统 第八讲:真空系统设计 王继常 (东北大学) 4(真空系统设计中应该注意的问题 (1)真空元件，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。 (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，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。 (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)。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。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。 (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。为了达到工作中排气稳定，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，更加美观。 (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。随着真空技术的发展，要求在整个抽气过程中能够进行自动操作，如采用真空继电器控制罗茨泵在1333Pa压强下启动工作。采用水压继电器控制蒸气流泵的水压在某一个压力上，当水压不足或断水时，能够立即断电并发出警报。防止泵被烧坏。对于复杂真空系统和工艺过程及参数要求严格的设备应采用微机程序控制，更加安全可靠。 (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。做到这一点有很大的经济意义，它可使所设计的真空应用设备有广泛的市场销路。 5(真空系统的典型形式 真空应用是非常广泛的，因而用于各种不同工艺过程的真空系统，其种类十分繁多。但最能说明真空系统抽气过程的是静态系统和动态系统两个概念。 动态真空系统是系统中有气体流动。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。静态真空系统是指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，系统中几乎没有气流就可以认为是静态真空系统。 可以从不同的角度对真空系统进行分类，例如: 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。 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)。 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“大型动态金属高真空系统”、“无油超高真空系统”、“玻璃高真空系统”等等。 下面介绍一些典型的真空系统型式。 (1)低真空系统 这种真空系统的极限真空度在低真空范围内，低于1(33×lO-1Pa，只用机械泵给真空室排气，系统比较简单。 (2)中真空系统 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。中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: ?油增压泵(主泵)串联机械泵(前级泵)的真空系统。该系统的工作压强范围为1.33,1.33×10-1pa。其优点是抽气能力大，系统简单，振动小，工作稳定可靠，维修方便，成本低。缺点是预抽时间长(同罗茨泵系统比较)，因为在1.33,133.3Pa压强范围内，油增压泵和机械泵抽速部下降;工作中需要较贵重的增压泵油。 ?罗茨泵串联机械泵的真空系统。该系统的工作压强范围为1.33,1333Pa。不但抽气能力大，而且起动快。预抽气时间短，因为在1.33,101325Pa压强范围内。机械泵和罗茨泵最大抽速能很好连接上，缺点是工作时有振动，且噪音大;工作中随时间增加，罗茨泵性能下降。图14就是这种系统，它是用在真空离子渗碳和真空淬火热处理工艺中的系统。这里除罗茨泵系统之处，又并联一个小机械囊。它在离子渗碳时开动，并同时停止罗茨泵系统，可节省能量。 ?罗茨泵串联小型罗茨泵(中间泵)，再串联机械泵的真空系统，其工作压强范围为O.133,1333Pa。不但工作压强范围大，而且工作真空度高，同时具备了罗茨泵系统的特点。中间串联的小型罗茨泵减小了主罗茨泵对前级机械泵的依赖性，因为压缩比减小，加宽了工作压强范围和提高了极限真空度。 ?以油增压泵和罗茨泵为主泵，两个泵出口串联罗茨泵(再串联机械泵的真空系统，其工作压强范围为O.133,1333Pa。该系统具有罗茨泵系统和油增压泵系统的双重特点，如图15所示，被称为真空自耗炉的典型系统，对于熔炼钛合金具有突出优点。 ?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。还有罗茨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。 (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6.67×10-2,1.33×10-3Pa。如镀膜机、电子轰击炉和部分电阻炉等都采用高真空系统。 ?扩散泵串联机械泵的真空系统。该系统一般用在工作时放气量较小的应用设备上。系统结构简单，工作可靠。成本低。缺点是系统起动慢，预抽气时间长。扩散泵油蒸气容易返流到真空室中去。 ?扩散泵串联油增压泵，再串联机械泵的真空系统，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，再串联机械泵的真空系统，它起动慢，但预抽气时间短(因为中间有罗茨泵)。图16是由三个泵串联组成的高真空系统。 (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。其系统有如下几种。 ?用扩散泵和钛泵并联为主泵，扩散泵单独串联前级机械泵的真空系统。图17所示，称为钠灯超高真空封接炉的系统。可以达到极限真空度为1.33×10-6Pa。 ?由扩散泵串联扩散泵(中间泵)，再串联机械泵的真空系统。如图18，是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。该系统的特点是能获得超高真空，并能稳定工作。 ?主泵为分子泵串联机械泵的真空系统，该种超高真空系统，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)，则构成了无油超高真空系统，该系统比较清洁。 ?用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)，构成无油超高真空系统(如图19所示。也可以用钛泵联接预真空机械泵，但此时机械泵的入口管道上要加油蒸气捕集器。 ?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。 (5)真空机组 真空机组是由各种真空元件组合而成。它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，油增压泵机组和罗茨泵机组。机组名称以主泵命名。高真空机组工作真空度为6.67~lO-2,1.33×lO-3Pa，其极限真空度为1.33×10-4Pa。它是由油扩散泵、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。 中真空油增压泵机组用以获得l.33,1.33×10-1Pa的工作压强，其极限真空度为1.33×lO-2pa。它由油增压泵、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。 中真空罗茨泵机组其工作真空度为1.33,1.33×103Pa。其极限真空度为1.33×lO-1Pa。其它元件与油增压泵机组相同。真空机组已经系列化。有专门厂家生产。 6(真空系统的结构设计 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。设计中应注意如下几点。 (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。但是许多系统元件又离不开焊接结构，这时应选择焊接性能较好的钢材。 (2)焊接是真空系统制造中的一道重要工序，为了保证焊接后焊缝不漏气，除了要求技术水平较高的工人进行焊接，提高焊接质量外，合理地设计焊接结构也很重要。因此焊接结构要避免处于真空中的焊缝有积存污物的空隙，否则给清洗造成困难，还会成为缓慢放气的气源。当焊缝出现死空间时，在系统检漏中就不易找到漏隙所在。 (3)结构上要保证快速抽空。为此要避免出现隔离孔穴(气袋)，因为气袋会成为缓慢放气的源泉，增长了抽气时间，例如图21所示。要将气袋开设出气孔，以利快速抽空。 (4)减少面放气。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。一般处于高真空的内壁粗糙度在6.3/,3.2/;处在中真空的内壁粗糙度在12.5/左右。处在超高真空的内壁粗糙度要求抛光，达到非常光洁的表面。要特别注意:生锈的金属表面对抽空十分不利! (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，这样即可达到尺寸和粗糙度要求，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。 (7)为了使真空系统元件壳体和真空室壳体有足够强度，保证在内力和外力作用下不产生变形，器壁要有一定厚度。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，尽量不采用平盖，因为它的抗压能力相差很大。壁厚已经有了标准尺寸，当然也可以计算。设计时还要注意一点，在容器检漏时，若采用内部打压法，一般打三个大气压力容器不应变形。水套检漏时也按三个压力打压。就是说有水套的壳体在外部或内部打三个压力下，都不应变形。 (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。 (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。 (10)真空室壳体上的水套结构，要保证水流畅通无阻。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。 7(真空系统操作规则 (1)起动机械泵时，首先要保证转子运动方向正确，而且油位合乎要求。 (2)机械泵停止后，立即将机械泵入口通入大气。因泵内真空会使泵油进入系统中。 (3)不要用机械泵把高真空室直接抽至低于13.33Pa压强，否则机械泵油蒸气会进入高真空室。因为压强低于13.33Pa时，会出现分子性气流，油蒸气分子将返流到真空室而造成污染。如果在机械泵与真空室间设有冷凝捕集器，则允许机械泵抽到13.3Pa以下的压强，这时捕集器可以防止油蒸气进入真空室。 (4)不要使机械泵在大气压强下或较高压强下连续长时间工作，否则电机会过热，且泵会喷出油雾。 (5)在扩散泵(或油增压泵)通大气之前，应将泵油冷却到安全温度，防止高温下泵油氧化。 (6)蒸气流泵在加热之前，应供给冷却水。该泵应该配备热保护继电器。当发生停水事故时，能立即使加热器断电，并关闭入口阀门防止泵液因温度过高而恶化。 (7)由于扩散泵油返流在泵开始工作和泵停止加热阶段特别利害，因此在开泵前和停泵前将扩散泵入口阀门关闭，可以防止泵油返流到真空室。 (8)不要在压强高于lO-2Pa时给阱加入液氮，这样导致凝结很多水气。在使用前要把液氮阱的贮液罐中的所有水凝液都清除掉，以避免水冻结在阱内。开始抽气时，最好分步地加注液氮，这样可使真空系统冷凝物主要捕集在阱的下部。当达到高真空后，应给阱加注液氮达到较高液面，大量捕集气体。 (9)为了缩短抽空时间，将真空室对大气压作短时间通气时，使用干燥氮气为好。把真空系统内表面的湿气减到最小限度。通气时应在真空室一侧用放气阀门进行放气。不可以从扩散泵出口的前级管道上通气。 (10)使用电离计时，应在真空室内压强达到1.33×lO-1Pa时，再使用电离真空计(热阴极电离真空计)。防止因室内压强高而烧坏规管。 (11)在真空系统停止工作时，应将系统各元件(包括真空室)都保持在真空状态下封存，但机械泵要通大气。