《真空系统设计及计算》思维导图
U4129214947
2026-07-23
真空系统
设计计算
元件选型
抽气时间
真空系统设计计算：理论、元件选型与核心公式
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第1章 真空技术基础
真空系统分类
粗真空10^3~10^5Pa
低真空10^-1~10^3Pa
中真空10^-3~10^-1Pa
高真空10^-6~10^-3Pa
超高真空10^-10~10^-6Pa
极高真空＜10^-10Pa
重要概念
极限真空度
真空系统的极限真空度低于泵的极限真空度
本底真空度
压强降低到对工艺没有影响时的真空度
工作真空度
主泵
对极限真空度的获得起主要作用的泵
前级泵
粗抽（预抽）泵
气体量
指气体压强和体积的乘积（P*V），Pa.m³
流量（flow rate）
单位时间流经管道某一截面的气体量Q，Pa.m³/s
流导（C）
反映管道导通能力的物理量，m³/s
流导的倒数为流阻（R），表示管道对流动介质阻尼程度
有效抽速（Se）
差分系统（difference system）
第3章 真空密封
分类
真空静密封
不可拆静密封
通过热量、压力等将两个零件接触面连接起来
钎焊brazing
温度通常高于450℃，比被焊接金属熔点至少低100℃；
非常适合不同金属之间以及非金属和金属之间的焊接；
多用于尺寸较小的钢、铜、黄铜等零件和管道的连接
氩弧焊tungsten inert gas welding,TIG
温度通常高于1000℃；
常用于不锈钢材质的焊接；
焊缝尽量放在真空侧，单侧焊接，防止出现“死空间”
真空系统的结构焊接，放在大气侧，采用断续焊，与密封焊不能叠加交叉
焊接前必须彻底清洗干净
第一次焊接质量不好时，必须将焊缝磨掉，露出母材，才能进行第二次焊接
激光焊
激光能量密度大，焊缝深宽比大，可以焊接人体难以接近的部位，能够增加焊缝熔深，改善熔池稳定性，获得高质量的焊缝
电子束焊
能力密度高
焊接速度快、焊缝窄且焊接变形区小
真空条件下焊缝化学成分温度且纯净
接头强度高，焊缝质量高
通过计算机控制焊缝参数，工艺重复性好，可靠性高
适用于异种金属材料焊接，特别是难溶金属、互相不相容的合金，如不锈钢于铝的焊接
在真空环境中，焊接尺寸受限
焊缝清洗困难
受磁场影响，不能焊接磁性材料
设备昂贵，初始投资大
可拆静密封
原理：通过外力使得密封圈变形，堵塞密封面上的微小通道来实现密封；
必要元件：密封圈和法兰；必要因素：外力
非金属密封圈静密封
弹性形变
常用材料有：氟橡胶（FKM、FPM、Viton）、硅橡胶和氟塑料（FEP、PVDF、Teflon）
形状：O型、矩形或方形
O型密封圈是标准件，执行标准JB/T1092-2018
外力引起的密封圈变形量不能超过弹性限度；
烘烤温度不超过100℃，如果超过必须水冷
金属密封圈静密封
塑性形变
材料：无氧铜（annealed copper gasket）最常用，国标GB/Z 25756-2010、铝、金及银丝等
一般只使用一次
可经受450℃高温烘烤，经常烘烤，可在无氧铜表面镀银膜，避免氧化
弹簧蓄能密封圈静密封
法兰flange
密封力
非金属密封圈
密封圈单位面积上受到的压力称为比压力。比压力乘以密封圈与法兰的接触面积就是施加在密封圈上的密封力。
变形量（d0-d）/d0的值越大，密封效果越好，但变形量不能超过密封圈的弹性限度
对于邵氏硬度大于50，变形量一般≥15%，漏气率＜1.3×10^-9mbar.L/s，满足中高真空；变形量不能超过25%，对应比压力约为13kg/cm²
法兰与密封圈接触的密封面表面粗糙度≤Ra1.6
密封圈压缩到终止位置时，上下法兰之间应留有间隙，确保压力施加在密封圈上
金属密封圈
常用单位长度上的密封力，比载荷来表征密封力
密封效果与密封圈的质量、形状以及所施加的密封力均匀性有关；密封力均匀性与螺栓和螺母的拧紧方式有关，一般先以对角拧紧的方式，慢慢加力，最后再顺时针或逆时针拧紧
活套法兰/旋转法兰
法兰的类型及密封连接
CF法兰（conflat flange）又称刀口法兰，用于无氧铜密封圈，标准GB/Z 25756-2010
超高和极高真空系统常见法兰
密封面呈刀口形状，刀口角度有70°和107°
法兰盘上开有径向槽，连通到刀口面，是密封检漏所用
刀口接触面积小，施加较小密封力，刀口就能嵌入密封圈内部，密封圈获得较大变形，形成高度可靠的密封。
可在高温下烘烤，漏率低至1×10^-12mbar.L/s
KF法兰（德语klein fansche），标准型法兰通孔小于50mm，标准GB/T 4982-2003和GB/T 4983-2003
使用带定心环的O型橡胶圈，材料有丁晴橡胶或氟橡胶FKM
常用在粗、高真空系统中，压强高于1×10^-8Torr即1.33×10^-6Pa，漏率≥1×10^-9mbar.L/s
ISO法兰，标准DIN 28404/ISO 1609，采用橡胶圈密封
ISO-K法兰，通过爪钳连接
ISO-F法兰，通过螺栓-螺母连接
不能用在超高真空中，压强高于1×10^-8Torr即1.33×10^-6Pa，漏率≥1×10^-10mbar.L/s
ASA法兰，又称ANSI（American National Standards Institute）法兰
电输入密封
涉及到绝缘和密封两个问题
绝缘材料有塑料、橡胶、树脂、玻璃和陶瓷；
输入高电压时，用陶瓷绝缘；
输入大电流时，电极需要水冷；
高频输入时，要考虑材料电阻率的变化及对波的吸收导致的发热；
环氧树脂可实现绝缘和密封双重功能
热电偶等微小信号，不需要绝缘，只要考虑密封，密封材料可以是石墨（含98%graohite）、聚四氟乙烯PTFE、氯丁橡胶（neoprene）、环氧树脂（epoxy resin）、氟橡胶（viton）中的任一款
真空动密封
接触动密封
固体接触密封
O型圈、J型圈、JO型圈、骨架型密封圈
磁流体动密封，标准JB/T 10463-2016、GB/T 32292-2015
磁流体是由铁磁性微粒、活性剂和载液组成的悬浮胶体溶液
磁流体耐压值，即磁流体能够承受的最大压差，耐压值越高，密封性越好
外磁场强度，即永磁体磁场强度，越强越好
磁流体饱和磁化强度，即磁流体能被极靴磁化而获得的最大磁场强度，越强越好
磁流体轴向厚度，即沿着轴中心线方向的厚度，厚度增大，耐压值增大
径向间隙，即极靴与轴之间的间距，间隙越大，耐压值越低
极靴形状，前端通常不是平面而是齿状或马蹄状，增大耐压值
密封级数，即极靴的数目，耐压值随着级数增加而增大
轴的转速，转速越大，发热越多，密封效果越差，耐压值越低；
采用水冷，可将转速提高到500转/秒
优点：密封性好，一般认为漏率为零；无固体摩擦，可用于高速转轴
缺点：耐热性差，易退磁，工艺流体与磁流体不能相融合
在大直径高速旋转密封，多轴磁力流体密封方面有较好的发展前景
非接触动密封
减压密封
分子运动密封
磁连接隔板密封
挠性管连接
金属波纹管，标准JB/T 9486-2010
非金属橡胶管
第4章 真空阀门
具有控制管道气路的通断、调控管道气体流量、向真空系统定量充气等功能
阀门分类
根据对气流的控制程度分
真空隔离阀
vacuum isolation valve
仅限于开启和关闭两种状态
包括：真空止回阀、快速关闭阀（快阀）、三位置真空阀
真空控制阀
vacuum control valve
重要性能指标：阀门流量控制范围和最小可控精度
多以电机驱动为主进行控制，还有手动和气动
可作为纯控制阀，也可作为控制和隔离阀
包括：定量充气阀、漏阀、微调阀、减压阀或泄流阀
根据阀门结构分
角阀，通过调控阀板与阀座之间的距离调控流量，基于阻挡原理，属于挡板阀
插板阀和摆阀，通过调控阀板在管道中的面积来控制流量
蝶阀，通过旋转阀板的角度来调控流量
三通阀，属于挡板阀，一个阀门连同三个管道，任意时刻有两路是连通的
根据密封材料分
全金属阀，用于超高或极高真空系统
非全金属阀，通常阀体是金属，而密封圈为非金属材料
根据真空度分
超高真空阀
高真空阀
低真空阀
根据在真空系统中的位置分
主真空阀
前级管道阀
粗抽阀
阀门结构
角阀
结构包括：阀体、阀座、阀板、密封圈等元件及传动和压紧机构
密封圈有：橡胶圈密封、全金属密封（超高或极高真空系统）和混合密封
橡胶圈密封低、高真空角阀
漏率＜1×10^-9mbar.L/s
全金属密封超高真空角阀
波纹管
可经受超过300℃高温烘烤
漏率＜1×10^-10mbar.L/s
橡胶圈和金属圈混合密封角阀
可用于高真空、超高真空系统
当橡胶圈采用耐辐照橡胶（三元乙丙橡胶）时，可用在核能和核化工领域
直通阀inline valve
漏率＜1×10^-9mbar.L/s
工作压力范围1×10^-8mbar~5bar，即1×10^-6Pa~5×10^5Pa
电磁角阀
结构紧凑、重量轻，打开时流导大，可连接CF、KF法兰，运动部件可用橡胶圈或者波纹管密封，可应用于粗、低、高及超高真空系统
三通阀
通常一个阀门控制两路管道气流，但有时也会用一个阀门控制三路管道的连通
蝶阀
结构：阀板上设置密封圈，阀板被一根轴穿过，轴两端固定在阀座上，轴上固定手轮或其他动力驱动装置
原理：通过手轮手动或电磁驱动，带动阀板的开启和关闭，通过改变阀板转动的角度调控管道的流导，实现隔离或者控制流量作用
电动蝶阀中集成压力控制器，计算所需的阀板转角，优化所需的压力，实现精确自动控制
结构简单，体积小，流导大，成本低，可接ISO-KF、ISO-F法兰接口，适用于各种高真空泵与真空室之间的管道
结构上的关键问题：如何实现密封、阀板的止翻及减少密封圈的磨损
插板阀/闸板阀
阀体扁平而狭长，设有存储阀板的空间
安装深度窄、流导大，适用于各种直径的管道
阀门的密封
阀板上，都是非金属密封圈；
传输轴与阀体之间，可以用非金属密封圈，也可以用金属波纹管；
阀体与真空室之间，可以用非金属密封圈，也可以用金属密封圈
低、高真空阀体漏率＜1×10^-9mbar.L/s
超高真空阀体漏率＜1×10^-10mbar.L/s
阀门的传送机构和压紧机构
阀门的传送机构主要指阀板的传送机构，一般有丝杆传送、连杆传送；
丝杆传送结构比较简单，可用橡胶圈或者波纹管密封；
连杆结构比较复杂，但占用空间小
直线压紧
钢球凹槽压紧
连杆压紧
真空摆阀（vacuum pendulum valve）
密封圈设置在阀板上，传动机构设置在阀板的背面；
插板通过摆动方式实现管道中气流的隔离和流量调控
分体式结构，包括阀座、阀板、密封圈和阀板套；
可直接安装在真空室上，维修方便，维修时不需要将整个阀体从真空系统中拆卸下来；
安装深度窄、尺寸紧凑、流导大、可控精度高
定量充气阀或泄漏阀（gas dosing valve or leak valve）
可向真空室定量充气，关键性能指标是可控性、可靠性和可控流量大小及精度
采用阀塞，通过调整阀塞与阀座之间的间隙调控流量；->大流量控制
采用阀针，利用阀针与阀座之间的锥形微小通道来实现定量充气；->精细流量控制
采用高度平滑的镜面，通过调控镜面与阀座之间的微小通道，实现定量充气
带有刻度盘，刻度反映充气流量大小
真空止回阀（vacuum check valve）
保护真空系统免受回流污染，例如在真空前级泵和真空前级管道之间使用
特殊结构设计，不需要任何子系统（如传感器和传动机构），当有回流时，阀板直接关闭，降低了结构复杂性和故障风险，实现高速隔离。从初始回流到完全隔离用时不到10ms
溢流阀或放气阀（pressure relief valve or venting valve）
泄压阀，是一种允许真空系统中压强超过规定压强阈值时向大气中泄压的安全阀
主要要求：可靠和精确的触发动作，触发器（高耐久性压力弹簧）在1.2~1.5bar的压力下打开阀门，实现真空室过压强保护
快速关闭阀（fast closing valve）
通常与超高真空插板阀联用，快阀的阀板由一个单独的控制器控制，控制器是模块化的，可以配置不同的快规/传感器；
控制器定期检测系统、传感器及其连接真空室状态来确定快速关闭的时间。
换向阀/传输阀（vacuum transfer valve）
在高真空系统中，用于在不暴大气的情况下，将样品或工件从一个工艺室转移到另一个工艺室
直线型
特别适用于连续卷对卷涂层工艺
漏率＜1×10^-5mbar.L/s
L型
特别适用于OLED、PVD和load-lock
漏率＜1×10^-7mbar.L/s
翻板型（flap）
特别适用于大型镀膜系统
漏率＜1×10^-5mbar.L/s
三位置真空阀（3-position vacuum valve）
除了关闭和打开位置外，还有第三个位置。例如，为了避免在高压差下开启阀门而产生压力脉冲，设置第三个位置，在这个位置上，密封圈的接触压力较低，从而在阀门关闭或打开过程中，因压力变化缓慢而工作平稳
隔膜阀（diaphragm valve）
可用于粗抽或者前级管道的隔离，运行可靠，几乎无须维护，占地面积小，易于系统集成，并且也可用于粗略定量充气
硬对硬密封
通过两个刚性、超高精密加工的表面，精密配合，实现密封；
核心在于密封圈在高压力作用下发生微观弹性变形，填充被密封的表面微观缺陷
材质为不锈钢，表面镀银膜或者金膜，可烘烤到350℃，反复开关达10万次，漏率＜1×10^-10mbar.L/s
特点：
发生弹性变形而非塑性变形；
可在相对较小的轴向力下实现高密封力；
过程稳定、密封可靠；
可烘烤到450℃；
漏率＜1×10^-10mbar.L/s；
抗辐射能力强；
阀门寿命长；
密封面加工精度高。
阀门设计要求
阀门设计基本原则：
1、密封性好；
2、阀门开启后要有大的流导；
3、阀门要有精确的导向机构，保证每次压痕重合；
4、材料饱和蒸气压低；
5、结构简单，操作方便；
6、开关要有标识，传动装置在高压侧
高性能阀的特征：
1、最小化粒子产生率（minimized particle emission），合理选材及材料特殊处理，保证阀体或者密封材料不会释放颗粒，保证开启和关闭或通过摩擦不会释放颗粒；
2、最小化运动脉冲（minimized motion pulses），在快速开启或关闭时几乎没有振动或摩擦；
3、中性化化学和物理行为（neutral chemical and physical behavior）
4、精确的可重复性（precisely reproducible behavior）
真空控制阀需要考虑的因素
1、需要控制的最大压强差；
2、流导控制范围；
3、流速大小；
4、调控流量的速度；
5、抗副产物或腐蚀性媒质情况；
6、对流量变化的敏感性，如控制过程产生的湍流；
7、对阀门产生粒子的灵敏性；
8、工作媒介温度和环境温度。
真空隔离阀需要考虑的因素
1、材质通常为铝或不锈钢，采用弹性体密封；
2、若需承受恶劣条件，如高温、辐射或腐蚀性介质，最好全金属制成；
3、在超高真空和极高真空中，采用硬对硬全金属密封；
4、选型时，重要的考虑真空阀体和密封材料、阀门尺寸和流量、所需的真空度以及应用场景的特殊要求等因素
阀板压紧装置的设计要求
1、压紧密封圈过程中，阀板不能有横向运动；
2、压紧位置要重合（尤其金属密封阀门）；
3、压紧后能自锁；
4、均压、调压和续压。
第5章 真空计和流量计的选择方法
真空规管和真空计概述及原理分类
真空计由真空规管和显示仪表组成
规管，探测器
显示仪表，将探测器获得的真空度信号转换成可视信号，如液面位置、指针位置或数字信号等
分类
力学性能
麦氏真空计
直接测量压强，根据理想气体等温压缩的波义耳-马略特定律设计
最大优点是可作为绝对真空计来校验其他相对真空计；
缺点是笨重、使用不方便，介质水银有毒性
测量范围10^-7~10Torr，即1.33*10^-5~1.33*10^4Pa
波尔登规
薄膜电容规
气体力学效应
皮拉尼Pirani电阻规
规管中设置电阻丝，通电加热，规管与真空室相连，真空室压强越高，灯丝辐射的热量越大，从而温度越低，利用电桥测量电流变化，反映真空度的变化
测量范围0.01~10^5Pa，在1~1000Pa之间的精度为±30%
不同气体需要校准，不能测量腐蚀性和氧化性气体
热电偶规
规管中设置热偶，规管接到真空室，真空室气体压强不同，从热偶带走的热量不同，从而热丝温度不同，利用热丝温度反映真空室压强
测量范围0.1~1000Pa，精度±30%
高气压准确度不高，不同气体导热性不同，需要校准，不能测量腐蚀性气体
带电粒子效应
热阴极电离规
规管中设置灯丝，发射电子，电子与气体分子碰撞，导致气体电离，收集到的离子流和真空室压强成正比
测量范围10^-5~0.1Pa，精度±15%
不同气体电离率不同，需要校准
缺点是电子轰击栅极产生软X射线，造成收集极收集离子的假象。
为此产生了改进型热阴极规，即Bayard-Alpert规（简称B-A规）。测量下限为10^-8Pa
超高真空的首选真空计
冷阴极电离规Penning潘宁规
规管中设置一个阳极，一对阴极，置于U形永磁体内。电子与气体碰撞后产生电离，气体离子被收集极收集，离子流大小反映真空室气体压强。因其阴极温度低，故取名冷阴极真空计
测量范围10^-7~0.1Pa，误差±30%
不同气体电离率不同，需要校准
寿命长，避免在高真空下关闭冷阴极电离规
复合真空计
残余气体分析仪
分析出真空室气体成分及其含量
常用的四极质谱仪
某一特定电压和频率下，只有一种质量的离子可以公共，其余离子都不通过
离子源
由灯丝、反射极和阳极组成
分析器
由四根对称排列的双曲面四级杆组成
收集器
真空规管和真空计的选择规则和适用注意事项
要测量的压强必须落在所选真空计的最佳测量范围内
测量粗、低真空，选用热偶规或皮拉尼电阻规
高真空时选择热阴极电离规
超真空时选择B-A规
皮拉尼电阻规与冷阴极电离规或B-A规联用，可侧大气到超高真空
凡事热阴极规都不能暴露大气，或者在真空室漏气时均会受到损伤，从而影响精度
冷阴极电离规具有强的抗真空室泄露能力，与皮拉尼电阻规联用，不需要担心真空室漏气烧毁规管
真空规管的安装不能远离真空室，否则会造成压强比实际大；不能接近泵口，否则会造成压强比实际小
带玻璃壳的规管，一般不要横着安装；不带外壳的规管称为裸管，安装方向不限
气体流量计（gas flow meter）
气体质量流量计MFM（mass flow meter）
一种精确测量管路中气体流量的装置，测量值不因温度或压力的波动而失准，不需要温度压力补充
气体质量流量控制器MFC（mass flow controller）
不但具备MFM的功能，还能自动控制管路中的气体流量，使之恒定在一个设定值
根据传感器原理分类
热式
组成
气体通道
进气管道接口
分流器
内闭合分流管和直通分流管的比例决定MFC内主管道气体最大流通量
出气管道接口
传感器
气体流量的检测
利用毛细管传热，利用温差反映气体质量流量，再通过密度换算，转换成对应体积流速
电路板
用于信号的传输、计算、放大等
电磁阀
通过电磁阀开度来控制管路中气体流量大小
工作原理
先设定气体流量值作为输入信号->电路板将输入信号转换成电压值
气体输入端输入一定流量的气体->传感器测量气路中的气体流量->将气体流量转化成电压信号->将电压信号送入放大器->经AD转换->与设定电压在CPU中进行比较，获得差值
利用差值信号驱动和控制调节电磁阀的阀门开度，实现MFC检测流量与设定流量一致
技术参数
气体流量规格（F.S.）
使用的气体
惰性气体、腐蚀性气体和有毒有害气体
气体性质决定气体管路密封垫片的材料
密封材料
氟橡胶、氯丁橡胶、全金属
流量设定点（S.P.）
由真空系统需求确定
流量显示值
流量控制范围
满量程的2%~100%内可控
精度或准精度
满量程精度和设定点精度
设定点精度优于满量程精度
最大使用压力
工作压差
耐压
响应时间
工作环境温度
一般5~45℃
输入/输出信号
供电电源
进气/出气接头
差压式
容积式
转子式
单位为体积流量，且以标准状态计算，测量值不因温度或压力的波动而失准，不需要温度压力补偿
标准立方厘米每分钟SCCM（standard cubic centimeter per minute）
标准升每分钟SLM（standard liter per minute）
热式MFC选择方法
真空行业中选择的主要因素
测量范围
精度要求
气体种类
响应速度
压力范围
参量选择注意事项
气体选择
量程的选择
压力的选择
接头尺寸的选择
安装位置的选择
电气方式的选择
工况流量个标况流量的区别
第6章 真空系统机组配置方法
6.1真空泵、机组选型及布置方法
变容式真空泵：依据容积变化来吸入、压缩和排出气体
旋片泵（油封式）
单级：极限真空度约1Pa
双级：极限真空度约0.1Pa
带有气镇装置：可以抽除一定水蒸气的气体
不能抽除含有爆炸性气体、含氧量过高及含有尘埃颗粒等成分的气体
＞100Pa，抽速稳定；
10Pa~100Pa，抽速下降；
＜10Pa，抽速急速下降，且反油严重，不能设置在此区间
前级泵、粗抽泵
名义抽速：4L/s、8L/s、12L/s、15L/s、30L/s、70L/s
往复泵（活塞式真空泵）
单级：极限真空度约几千Pa
双级：极限真空度约几百Pa
优点：排气量大
缺点：噪音大，振动大，不能抽除含有可凝性、可燃性及含有颗粒的气体
抽速随入口压强的降低而减小
属于粗低真空泵
名义抽速：50L/s、100L/s、150L/s、300L/s
滑阀泵（油泵）
单缸：极限真空度约1Pa
双缸：极限真空度约0.1Pa
＞10Pa，抽速稳定
名义抽速：15L/s、30L/s、70L/s、100L/s、150L/s、200L/s
与旋片泵比较，抽速更大，可工作于恶劣工况。但最大缺点，噪音大，振动大
螺杆泵
不需要油封，清洁泵
前级泵、粗抽泵
主要特点：
清洁无污染；
工作压强范围宽；
抽速大，最大500L/s；
可以抽除含水蒸气及粉尘的气体
罗茨泵
转子跟真空室壁有较大间隙，无摩擦，轴可高速旋转；
因间隙较大，反流较大，对小分子气体的抽除能力较弱
可抽除含水蒸气及粉尘的气体
极限真空度0.01~0.1Pa，特点：1~100Pa范围排气量大
名义抽速：30L/s、70L/s、150L/s、300L/s、600L/s、1200L/s、2500L/s、5000L/s、10000L/s、20000L/s
中继泵，需要配合前级泵使用，且不在大气下启动；适用大型真空室低真空抽气
动量传输泵：通过气体与高速固体或流体表面碰撞并获得定向速度来输运气体，获得真空
分子泵
牵引分子泵（径流分子泵）
工作真空度10^-5~133Pa
可替代机械增压泵和油扩散泵
涡流分子泵
一般有油
磁悬浮分子泵，可实现无机械摩擦、无润滑油污染
工作真空度低于10Pa，极限真空度达10^-8Pa
需要前级泵和粗抽泵
油扩散泵
优点：极限真空度高、抽速大（十几万升/秒）、噪音低、寿命长、价格低
缺点：启动和停止时间比较长（油的加热和冷却）、油蒸汽返油会造成污染
水蒸气喷射泵
工作真空度0.1~1000Pa
结构简单、无污染、造价低、工作稳定
适合食品行业以及含有爆炸性气体的环境使用
气体补集型泵：倚靠物理吸附或化学吸附作用，将气体吸附在表面，获得真空
低温泵
无机械部件，没有摩擦，无油污染，能获得清洁真空
制冷一种靠液氮，一种靠制冷机->但制冷机噪音比较大
作为主泵，先用其他泵将系统抽到高真空后，再用低温泵抽真空
离子泵或冷钛泵
需要预真空，工作压强一般低于0.01Pa，最佳工作压强范围10^-10~10^-4Pa
无机械部件，没有摩擦，无油污染，寿命长
有电磁干扰，且有持续的电流噪音
用于超高真空系统，用作维持泵，持续工作，维持超高真空
分子筛吸附泵
真空机组选型
粗抽泵，不能在高压强下工作时配置；
前级泵，不能直排大气时配置；
主泵，不能在高压强下、不能直排大气的泵
粗低真空泵
1、粗低真空只0.1Pa到1atm
2、不需要真空机组，单独泵即可
3、包含：吸附泵（用于无油环境、食品行业）、滑阀泵、往复泵（排气量大，可抽含水或灰尘气体）、水环泵（可抽含有易燃气体成分的气体、食品行业）、油封式旋片泵（极限真空度0.1Pa，但抽到10Pa即可，不然返油）、涡旋泵及螺杆泵等
4、特点：工作压强高、直排大气
中高真空机组
1、极限真空度10^-5~0.1Pa
2、需要前级泵，并预抽
3、主泵：中真空泵有罗茨泵（前级泵为旋片泵、滑阀泵或螺杆泵），高真空泵有分子泵（前级泵为旋片泵或螺杆泵）和扩散泵（前级泵为旋片泵或旋片泵加罗茨泵及滑阀泵、往复泵）
4、特点：罗茨泵->启动快，抽气能力大，但噪音非常大，且有振动；扩散泵->抽速大，但存在返油现象；分子泵->油污染小，但最大抽速不如扩散泵
超高真空机组
1、极限真空度≥10^-6Pa
2、主泵：有分子泵（前级泵为旋片泵或螺杆泵）、扩散泵（必须配置冷阱）和低温泵（一般不设维持泵，除水汽能力强）
3、维持泵：离子泵和钛泵（间歇式使用，瞬时提高真空度）->先主泵抽到10^-6Pa量级，此时抽除的气体流量小，可以关闭分子泵或扩散泵，用维持泵来维持真空度
真空机组布置
小型真空室
只配置一套机组
调节泵的抽速适应真空室体积及排气量的要求
大内径真空室
内部压强差可忽略时，可配置一套机组，调节泵的抽速适应真空室体积及排气量的要求
也可通过增加机组
细长管道型真空室
一般采用小抽速泵沿长度方向均匀分布
6.2真空系统选泵、配泵原则
选泵（即主泵）原则
主泵极限真空度比系统极限真空度高半个量级
工作真空度处在主泵最佳抽速范围内
被抽气体清洁->分子泵
含有灰尘->扩散泵
水汽含量较大->低温泵
经济指标
扩散泵性价比最高，分子泵和低温泵比较贵
选择抽速大的泵，抽气时间短但成本高
配泵（前级泵和粗抽泵）原则
1、前级泵在主泵出口处造成的压强要低于主泵排气压强，对应前级泵的极限真空度
2、前级泵要及时排出主泵排出的气体，对应前级泵的抽速->前级泵抽速*入口压强大于主泵排出的最大气体流量
3、满足抽气时间要求
6.3主泵和配泵抽速确定方法
真空管道应该短而粗，不能细而长
确定主泵抽速：先确定满足工艺要求的泵对真空室的有效抽速，根据有效抽速粗选主泵抽速，再根据粗选泵的尺寸精算，最后考虑所选主泵是否满足抽气时间需求
确定真空系统有效抽速
如果有气源，根据真空室出气量（Q）和工作压强（P）计算有效抽速（S）
S=Q/P
如果没有气源，真空系统工作在极限真空度，一般取S=（5~10）V，V为真空腔室体积
粗算主泵抽速S'
根据因子K来粗选，K反映主泵到真空室管道引起的抽速损失
没有捕集器时，K=1.3~1.4
有捕集器时，K=2~2.5
验算
粗选后，确定真空管道直径，一般为主泵的泵口直径，长度依照设备使用场地决定
计算出管道流导C
通过C和S'计算出主泵对真空室的有效抽速
若算出有效抽速比第一步确定的抽速小
重新选定K，直至算出有效抽速稍大于第一步的抽速
计算抽气时间
计算从10Pa（主泵开启时真空室的真空度）到所需极限真空度（或本底真空度）所需的时间
确定配泵抽速：
最大工作压强
最大反压强
前级泵在主泵出口处形成的有效抽速必须大于主泵排气量最大时对应的抽速
第7章 真空系统设计与计算方法
设计概述
定性设计
包括确定真空室形状、主泵和配泵类型、管道形状、真空密封种类、真空阀门类型、真空规管类型和安装位置、真空泵的组合方式等
定量计算
包括被抽气体量、材料放气量、工作气体进气量、确定主泵抽速、配泵抽速、根据系统总体布局确定管道长度等
真空系统设计已知参数
真空系统抽气时间计算
亚稳定流动条件
当真空室体积比管道体积大的不多时，管道的流导要远远大于泵的抽速
当管道流导比泵的抽速大的不多时，真空室的体积要远远大于管道体积
包括工况（包括环境及场地尺寸）、真空室体积、表面积、极限真空度、工作真空度、预抽时间、达到极限真空度的时间、材料及其表面放气率等
真空系统抽气方程
反映真空室压强随时间变化规律
真空室气源来源
Qd放气desorption，真空室内表面及内部元件表面解吸的气体
Ql漏气leakage，通过真空室元件连接处微隙漏入的气体
Qp渗气permeation，大气通过容器壁向真空室渗透的气体
Qe蒸气evaporation，真空室内部液体和固体的蒸汽
真空系统抽气方程
V*(dP/dt)=-Se*P+Qd+Ql+Qp+Qe
t为抽气时间
P为容器中的压强
V为容器的体积
Se为泵对容器的有效抽速
Sp为泵的抽速
dP/dt为容器中压强的变化率
一般真空系统只考虑漏气和放气，Qp和Qe可忽略不计。
但如果真空系统用于处理气体材料时，如真空干燥、真空熔炼等，需要考虑Qe
低真空系统抽气时间计算方法
刚开抽气时
忽略漏放气，忽略管道影响Se=Sp（压强高、管道流导大于泵抽速的20倍）
V*(dP/dt)=-Sp*P
t=V/Sp*ln(P0/P)
真空系统从P0->P的抽气时间表达式
V/Sp称为容器的时间常数，容器内气压将至原始值的1/e所需的抽气时间。越小，抽气越快，成本越高。
忽略漏放气，考虑管道影响（压强高、管道流导小于泵抽速的20倍）
V*(dP/dt)=-Se*P
粘滞流时
管道流导C=Kv*(P+Pp)/2
比例系数Kv=1.34D^4/L，容器出口的压强P，泵入口的压强Pp，管道的直径D(cm)，管道的长度L(cm)
泵对容器的有效抽速Se=Sp*C/(Sp+C)
t=V/Kv*(1/P-1/P0)+V/Sp*[(N/P-N0/P0)+ln(N0+P0)/(N+P)]
N=[(Sp/Kv)^2+P^2]^1/2
分子流时
t=V/Se*ln(P0/P)=V*(Sp+C)/(Sp*C)*ln(P0/P)
粘滞流-分子流时
因比较复杂，简化后，同分子流
压强降低后
考虑漏放气，忽略管道影响Se=Sp（压强高、管道流导大于泵抽速的20倍）
V*(dP/dt)=-Sp*P+Qd
t=V/Sp*ln(P0-Pu/P-Pu)
真空系统从P0->P的抽气时间表达式
Pu为极限真空度
考虑漏放气，考虑管道影响（压强高、管道流导小于泵抽速的20倍）
V*(dP/dt)=-Se*P+Qd+Ql+Qp+Qe
按分子流计算
t=V/Se*ln(P0-Pu/P-Pu)=V*(Sp+C)/(Sp*C)*ln(P0-Pu/P-Pu)
常规计算步骤
第一步，判断真空系统是否满足亚稳态条件，满足即进行第二步
第二步，判断管道中气体流态，并计算流导，判断什么条件下可以忽略管道影响
第三步，根据前两步划分整个抽气压强范围
第四步，计算漏放气量，判断每一段是否需要考虑漏放气和流导影响
ti=Ki*V/S*ln(Pi-Pu/Pi+1-Pu)
10^5~133Pa->K=1.1
133~13Pa->K=1.5
13~1.3Pa->K=4.0
S为低真空泵的名义抽速（L/s），V为被抽容器体积（L）
经验系数计算法
估算抽气时间
高真空系统抽气时间计算
即10^-5~10^-1Pa区间
材料放气率经验公式q=q0+q1*t^-β
q0为经无限长抽气时间后的放气速率（Pa*m³/s*c㎡）；
q1为抽气1h后的放气速率（Pa*m³/s*c㎡）；
t为以小时表示的抽气时间；
β为与材料、预处理等条件有关的放气指数，在0.5~2之间变化，清洁的钢β≈1，塑料β≈0.5
总的表面放气量Q=Q0+∑Ai*q1i*t^-βi=Qp+∑Ai*q1i*t^-βi
Ai为第i种材料暴露在真空中的面积；
q1i为第i种材料抽气1h后的放气率；
βi为第i种材料的放气时间指数；
Q0为抽气时间无限长时的放气量，近似等于材料渗气量Qp
Se*P=∑Ai*q1i*t^-βi
小容器快速抽气计算方法
t=V/Sp*ln(Pcp/Pc)+V/K*(1/Pc-1/Pcp)
K=11.2Ce*D*F=11.2*π/2*C*D*F=17.6CDF
Pc为容器中所要到达的压强
Pcp为容器内的初始压强
K为粘滞流时管道流导的系数
D为管道的直径（cm）
C为分子流时管道的流导
V为容器的体积
Sp为泵的抽速
真空系统抽气过程中容器内压强计算方法
第8章 真空系统加热和冷却
8.1 电阻加热
主要依靠导体电阻在电压作用下产生热量来进行加热
加热丝加热
Ni-Cr加热丝和FeCrAl加热丝（更普遍）
真空中，加热电压一般小于80V，直流和交流均可
电阻丝被氧化镁等高导热氧化物包裹，外层再用不锈钢管包裹，形成铠装不锈钢加热器
由于存在温度系数，计算热负荷时，需要考虑等电压输出时，温度上升后，加热丝的功率下降
电阻率随温度升高而上升
石墨片加热
真空中若需要加热到较高温度（800℃），可选石墨片
放气率较大，不适合在超高真空中使用，一般真空度低于1×10^-5Pa
加工成条状，制成石墨盘，电极需水冷
真空中，加热电压一般小于80V，直流和交流均可
电阻率随温度升高而下降
高熔点金属加热
钽（Ta）、钨（W）、钼（Mo）
高温加热（超过1000℃）一般用钽，钽电阻率上涨得最多，材质比较柔软，易加工成比较复杂的形状
8.2 辐射加热
一般采用卤素灯管或溴钨灯珠实现，加热效率高，温度上升快，真空中热量不会通过热传导和对流而损失
加热电压
卤素灯管，不能超过80V
线性热源，一般减小灯管的长度，增加灯管的数量，合理排列灯管，并通过旋转来增加被加热区域热量均匀性
溴钨灯珠，一般为12V或24V
点光源，非常方便通过光源的排布来调整温度均匀性
灯管外壳都是石英，被加热元件的最高温不高于800℃
腔体外加热，长波段（波长700nm~10μm）比较好，对观察窗的材料有要求
8.3 真空中的冷却
液冷
压缩液体循环制冷机
冷却目标温度高于-120℃
介质通过管道输送，尽量采用埋管形式
液氮或冷氮气制冷
冷却温度为-196~-120℃
液氮不回收，气化后直排大气，但密闭空间需要用管路排出
裸露在大气中的管路需要用隔热材料包裹
低温管路进出真空室的法兰密封需要采用金属密封
制冷机制冷
目标温度更低，如20K（-253℃）或4K（-269℃）
常用制冷机G-M制冷机（Gas Mixture Refrigerator），氦气压缩循环
8.4 真空绝热
耐火材料隔热
泡沫高铝砖、石墨毡、硅酸铝纤维毯
有大量粉末和纤维、高孔隙率，无法获得高真空、价格便宜、隔热效果好
真空炉上使用
金属隔热屏
结构上包括金属反射层、支撑和间隔材料
发射层选择高发射率、低发射率的金属材料，钨、钼、钽、铌和不锈钢。尽量选择双面镜面反射材料
支撑材料应具有良好的耐高温性能和机械强度，低导热系数
间隔材料用于保持隔热屏各层之间的间距，减少热短路和提高隔热效果，间隔小于10mm
层数增加可以提高隔热效果，但不宜过多。
材料厚度尽量薄，不锈钢选择0.5~1mm，钨、钽、钼选择0.2~0.5mm
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