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真空系统设计(1第八讲：真空系统设计王继常(东北大学一、真空系统的组成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。
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(如图1。
图1所示的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，通常在图1所示的真空系统中串联一个高真空泵。
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。
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。
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、储气罐等。
那么，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。
对焊缝的要求: 1 真空侧深度熔焊2 双面焊接时，外部结构最好断续焊或设置钻孔（便于检漏）3 内部结构焊必须断续（以便气体容易被抽走）4 焊缝应一次焊好，否则应将缝磨掉直至露出母材5 焊缝漏率必须低于10-6Pal/s6 焊接的组件应设计得使最大数量的焊缝在制造阶段测试漏率。
可拆密封：密封机理：依靠弹性垫圈在外力作用下变形来堵塞被连接件表面的微小凹坑形成的通道。
弹性体有金属和非金属两类。
外力可以通过螺栓、螺母、卡环等方式施加。
密封面粗糙度有要求，通常达到粗糙度1.6。
螺栓连接：密封圈：非金属密封圈：依靠弹性圈的弹性变形来实现密封。
由于放气量大，而且烘烤温度不能高于150℃，所以通常只用于低、高真空系统中。
密封槽的形状：矩形倒三角形燕尾槽螺栓连接：金属密封圈：金属密封圈：依靠垫圈的塑性变形实现密封因为放气量小，烘烤温度可高于200 ℃，所以金属密封圈常用于超高真空系统。
由于是利用塑性变形的特性，所以金属圈基本是一次性使用。
材料：无氧铜、金、银或保险丝形状：O型截面垫圈（金属丝），矩形截面垫圈（无氧铜真空动密封:往复、旋转、摆动将运动传递到真空室所需要的密封连接称为动密封。
如要使真空室中的某个物件通过真空室外部的电机带动而旋转，那么必将有一根旋转的轴穿过真空室壁.接触式:接触注油式自润滑材料密封(自润滑材料：石墨聚四氟乙烯)液态金属密封:液体薄膜表面张力或利用液柱高度与压差之间平衡。
J形橡胶圈的密封结构JO形橡胶圈密封结构O形橡胶圈密封结构。
磁流体密封：磁性流体: 把磁铁矿等强磁性的微细粉末，在水、油类、酯类、醚类等液体中进行稳定分散的一种胶态液体，又称磁性液体、铁磁流体或磁液。
它既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性。
磁流体由3种主要成分组成：固体铁磁体微粒载液（溶媒）。
包覆着微粒并阻止其相互凝聚的表面活性剂（稳定剂）磁流体可以封气、封水、封油、封尘、封烟雾等，磁流体密封是通过设置单个或多个永久磁铁和铁磁性极靴，在旋转轴和极靴的夹缝中加入磁流体，由于磁场吸引力的作用，磁流体绕轴形成“O”型环，把空隙完全堵住，阻止被密封介质从空隙通过。
真空技术及应用系列讲座东北大学真空工程博士点,博士导师杨乃恒先生主持第一讲:真空科学的发展及其应用李云奇 95(2)…………………………………………第二讲:真空物理基础张世伟 95(3)………………………………………………………第三讲:机械真空泵(一)(二)(三)(四)(五)(六)…张以忱95(4)、(5)、(6)、96(1)、(2)、(3)第四讲:蒸汽流真空泵姚民生 96(4)………………………………………………………第五讲:气体捕集式真空泵徐成海 96(5)…………………………………………………第六讲:真空测量刘玉岱 96(6)、97(1)、(2)、(3)、(4)……………………………………第七讲:真空检漏关奎之 97(5)、(6)、98(1)、(2)、(3)……………………………………第八讲:真空系统设计王继常 98(4)………………………………………………………第八讲:真空系统设计王继常(东北大学)四、流导的计算(上接1998年第4期第48页)11流导和流几率(1)流导图3 管道中的气流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(如图3)。
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之间的关系,则可写成Q =C (P 1-P 2)(5)式中C 是比例常数。
C =QP 1-P 2(6)该比例常数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Pa ・m 3 s ,P 1-P 2的单位是Pa ,所以流导的单位是m 3 s 。
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。
真空技术及应用系列讲座
东北大学真空工程博士点,博士导师杨乃恒先生主持
第一讲:真空科学的发展及其应用李云奇 95(2)…………………………………………第二讲:真空物理基础张世伟 95(3)
………………………………………………………第三讲:机械真空泵(一)(二)(三)(四)(五)(六)…张以忱95(4)、(5)、(6)、96(1)、
(2)、(3)第四讲:蒸汽流真空泵姚民生 96(4)………………………………………………………第五讲:气体捕集式真空泵徐成海 96(5)
…………………………………………………第六讲:真空测量刘玉岱 96(6)、97(1)、
(2)、(3)、(4)……………………………………第七讲:真空检漏关奎之 97(5)、(6)、98(1)、
(2)、(3)……………………………………第八讲:真空系统设计王继常 98(4)
………………………………………………………第八讲:真空系统设计王继常
(东北大学
)
四、流导的计算(上接1998年第4期第48页)
11流导和流几率
(1)流导图3 管道中的气流
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(如图3)。
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之间的关系,则可写成
Q =C (P 1-P 2)(5)
式中C 是比例常数。
C =Q
P 1-P 2(6)
该比例常数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Pa ・m 3 s ,P 1-P 2的单位是Pa ,所以流导的单位是m 3 s 。
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
5
4第5期1998年10月 真 空V acuum 2V acuum T echno logy and M aterial
路元件以及某段真空系统管路的流导。
(2)流导几率
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 f k (7)
式中 C —管路元件的流导;C f k —管路元件入口孔的流导。
由式(7)可得
C =C f k p r
(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 f k 和其流导几率P r 的乘积。
通常,管路元件入口孔的流导C f k 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。
21流导的计算
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。
(1)粘滞流时流导的计算①薄壁孔
图4 粘滞流时气体流经薄壁孔
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 空间流向 空间。
试验发现:当P 1不变时,
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。
对于室温空气,面积为A m 2的薄壁孔的流导为:
在r ≥0.525时,C vk =766r 0.7121-r 0.288A 1-r m 3 s
在r <0.525时,C vk ≈200A 1-r
m 3 s 在r <0.1时,C vk ≈200A m 3 s
(9)式中 r 为孔口两侧的压强比,r =P 2P 1
,其中P 1>P 2;A 为薄壁孔的面积,m 2。
对于室温空气,圆形薄壁孔的流导为: 在r ≥0.525时,C vk =602r 0.7121-r 0.288D 2
1-r m 3 s
在r <0.525时,C vk ≈157D 21-r
m 3 s 在r <0.1时,C vk ≈157D 2 m 3 s
(10)式中,D 为圆形薄壁孔的直径,m 。
②不考虑管口影响时,圆管的流导
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 D ≥20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L m ,直径为D m ,则其粘滞流条件下对于室温空气的流导为:
64真 空第5期
C vy
=1.34×103D 4L P ϖ m 3 s (11)
式中P ϖ是管道中气体的平均压强,Pa 。
③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。
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,管道的流导用下式计算:
C vd =1.34×103
D 4P ϖL +2.96×102Q m 3 s (12)式中 L 和D 分别为管道的长度和直径,m ;P
ϖ是管道中气流的平均压强,Pa ;Q 是管道中的气流量,Pa ・m 3 s
(2)分子流时流导的计算
①薄壁孔
分子流时,对于室温空气,面积为A m 2的薄壁孔的流导用下式计算:
C f k =116A m 3 s
(13)对于直径为D m 的圆孔:
C f k =91
D 2 m 3 s (14)
②不考虑管口影响时。
圆管的流导
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导出
C f =43v λK ∫L 0B A 2d l (15)式中,v
λ是气体分子热运动平均速率;B 为管道横截面周长;A 为管道横截面面积;L 为管道长度;K 为管道断面形状修正系数,K 值的大小由实验确定。
由式(15)导出的圆管的流导为
C f =121
D 3L m 3 s (16)
式中 L 和D 分别为圆管的长度和直径,m 。
图5 截圆锥形管道
③不考虑管口影响时,圆锥形管的流导
对于图5所示的截圆锥形管道,其分子流流导
的计算式为
C f z =242
D 21D 22(D 1+D 2)L m 3 s (17)
式中,D 1为锥管大端直径,m ;D 2为小端直径,m ;L
为锥管轴线长度,m 。
(未完待续)7
4第5期 王继常:真空系统设计。
