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真空系统
设计
东北大学第二期《真空技术》培训班讲义之五 ～
主讲人：东北大学
王继常 副教授
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之一：真空技术的历史、现在与将来
之二：真空工程理论基础
之三：科技论文的检索、撰写与发表
之四：清洁真空获得技术
之五：真空系统设计
之六：真空系统设计辅助软件的使用
之七：真空测量
之八：真空装置与系统的检漏
之九：大型真空装置的监测与故障诊断
之十：专家座谈
之十一：真空获得技术
之十二：现代表面与薄膜技术
之十三：真空材料与真空卫生
之十四：真空技术应用及计算实例
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磁控溅射镀膜机
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金属蒸汽真空弧源注入机
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1.真空系统的组成
• 真空系统的概念
• 真空系统的组成元件
• 真空系统示意图
• 高真空系统
• 真空系统设计的基本内容
2.真空技术基本方程
• 真空系统的最主要性能参数： 极限真空度、有效抽速
• 流导的定义
• 真空技术基本方程
• 真空技术基本方程在真空系统设计中的意义
3.真空系统的设计计算
• 主泵
• 配泵
• 储气罐和维持泵
• 真空系统设计中应该注意的问题
• 真空系统的典型形式
• 真空系统的结构设计
• 真空系统操作规则
课程内容
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1.真空系统的组成
真空系统的概念
真空系统的组成元件
真空系统示意图
高真空系统
真空系统设计的基本内容
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真空系统的概念
什么是真空系统？
用一句话来概括，真空系统就是用来获得有
特定要求的真空度的抽气系统。
例如：镀膜设备真空系统；
真空热处理炉真空系统；
航空模拟器真空系统；
真空冶炼炉真空系统；
真空压力浸漆真空系统等等。
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真空系统的组成元件
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。
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真空系统示意图
一个要进行真空处理的容器,用管道和阀门将
它与真空泵连
接起来,同时在
容器上设置真
空测量装置,这
就构成了一个
最简单的真空
抽气系统。
（见图1）
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高真空系统
图1系统只能获得较低的真空度,当要获得高真
空度时,需要添加高真空泵。如扩散泵、分子泵。
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,以便高真空泵内部能
单独保持真空。
若串联的高真空泵是一台油扩散泵,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。
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高
真
空
油
扩
散
泵
机
组
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的基本内容
真空系统设计的基本内容:
1、 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;
2、确定导管、阀门、捕集器、真空测
量元件等,进行合理配置；
3、最后划出真空系统装配图和零部
件图。
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2.真空技术基本方程
真空系统的最主要性能参数：
极限真空度和有效抽速
流导的定义
真空技术基本方程
真空技术基本方程在真空系统设计中
的意义
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真空系统的最主要性能参数：
极限真空度和有效抽速
真空系统的极限真空度
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速
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。
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流导的定义
流导的定义是: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:
式中 C —管路的流导 ；
Q —流经管路的气流量 ；
P1、P2—分别是管路的入口压力和出口
压力 Pa。
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真空技术基本方程
如果用Se来表示真空系统对容器的有效抽速，用
Sp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
a、b、c本质上是同一个方程,真空系统设计
中一个非常重要的方程，如果知道泵的抽速Sp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。
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真空技术基本方程在中的意义
从方程(2b)可以看出:
如果管路的流导C远大于泵的抽速Sp，则Sp
/C的值远小于1，此时有效抽速Se≈ Sp 。说明为了
充分发挥泵抽气作用,在设计管路时，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。
相反，如果管路的流导C远小于泵的抽速Sp
，则C/ Sp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Se≈C,说明在这种情
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。
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3.真空系统的设计计算
主泵
配泵
储气罐和维持泵
真空系统设计中应该注意的问题
真空系统的典型形式
真空系统的结构设计
真空系统操作规则
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选主泵
选主泵要考虑两个方面：
一是选择主泵的类型；
二是确定主泵抽速的大小。
主泵的类型
确定主泵类型的依据:
(1) 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。各种真空泵的工作压强范围见图11。
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(2)根据被抽气体的种类,每种气体所占的比例以及
气体中所夹杂的灰尘情况。
为此,应当对各种真空泵的性能及使用特点
进行了解。
(3)根据初次投资和日常运转维护费用。
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。
如图12是油扩散泵、油增压泵、罗茨泵系
统单位抽气速率(L/s)的价格与入口压强间的关
系曲线。图13是单位抽气速率(L/s)的输入功率
与入口压强的关系曲线。
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由两个图中的曲线可见,在×10－1～
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× 10－1 Pa的范围内,油扩散
泵 抽 气 系 统比较经济。在压强高于
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。
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主泵抽速大小的确定
主泵抽速大小的确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。
(1)真空室内排气流量的计算
式中 Q －真空室中产生的总的气流量；
Qg－工艺过程中被熔炼或被处理的材料放
出的气流量，Pa·m３/s；
Qｎ－真空室内所用耐火保温材料的出气流
量， Pa·m３/s；
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Qf－暴露于真空条件下的真空室内壁和所有
构件表面解析出来的气流量， Pa·m３
/s;
Ql－真空室外大气通过各密封连接处泄漏到
真空室内的气流量， Pa·m３/s 。
以上各量在不同的真空应用设备中不一
定都存在，这要根据不同情况具体考虑。
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(2.)被抽容器所要求的有效抽速的计算
设被抽容器内的最大排气流量为Q Pa· m3 /s；
所要求的工作真空度为Pg Pa；
则被抽容器所要求的有效抽速Sey为
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(3) 粗算主泵的抽速S
由于在选定主泵之前,真空室出口到主泵
入口之间的管路没有确定,因而这段管路的流
导C是未知数。根据式(2)无法计算主泵的抽速
S。通常按经验公式粗算主泵的抽速
式中 Ks －在真空室出口主泵的抽速损失系数,
当主泵入口到真空室出口之间的管路中
不采用捕集器时,取Ks=～;
当采用捕集器时,取Ks=2～。
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主泵抽速S粗算出来后,按S值在真空泵的产
品系列中选出符合粗算值S的主泵,设粗选出的主
泵抽速为Sp。
(4) 验算主泵的抽速
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)计算粗选主
泵对真空室出口的有效抽速Se,若Se大于或等于
被抽容器所要求的有效抽速Sey,则认为粗选的主
泵的大小合乎要求,否则应重新粗选主泵,再进行
验算,直至合乎要求为止。
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配泵
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。
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所配前级泵确定之后,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
各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。
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几种典型主泵的配泵
(1)油蒸气流泵作为主泵
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。
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(2)分子泵作为主泵
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,通常按下式选
取前级泵的抽速
式中 S1 －分子泵的抽速, m3 /s;
S2 －前级泵的抽速, m3 /s。
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(3)罗茨泵作为主泵
罗茨泵作为主泵时,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
据经验公式选取。
式中 S1 －罗茨泵的抽速;
S2 －油封机械泵作为前级泵的抽速;
Ss －水环泵作前级泵的抽速。
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储气罐和维持泵
(1) 作用：
在前级泵停止工作时，能保证主泵处于正
常工作状态。
(2) 使用场合：
a.储气罐:
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，或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。
b.维持泵:
维持泵可用在大型主泵的系统上。
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罗
茨
泵
旋
片
泵
维
持
泵
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储
气
罐
的
应
用
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真空系统设计中应该注意的问题
(1) 真空元件相互联接时，应尽量做到抽气管路
短，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，
可以将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,为隔离振动，通
常采用软管减振。软管有金属和非金属两种，
均需保证在大气压力作用下不被压瘪。
(3)真空系统应便于测量与检漏。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。
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(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中，
除了有前级管道(串联蒸气流泵和机械泵的管道)
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;在预
真空管道上设置预真空管道阀。机械泵入口管道
上,应设一个放气阀门,防止机械泵停泵时返油。
真空室上也要设置放气阀门,给装料和取料时用。
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(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。
(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。
(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。
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典型的真空系统形式
(1)低真空系统
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。
低真空系统一般是由两个以上的泵串联
组成的。
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下面介绍几种系统:
只用机械泵给真空室排气,系统比较简单，在低
真空范围内,真空度低于×10-1Pa。
油增压泵(主泵)串联机械泵(前级泵)
工作压强范围:～×10-1Pa。
优点: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:预抽时间长(同罗茨泵系统比较),工作中需
要较贵重的增压泵油。
下图为采用油增压泵(主泵)串联机械泵(前级泵)
的真空感应熔炼炉的真空系统。
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真空感应熔炼炉
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罗茨泵串联机械泵
工作压强范围：～1333Pa。
优点：预抽气时间短。
缺点：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为一实例，另外在图14后又给出了一
罗茨泵串联滑阀泵的机组。
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罗
茨
泵
串
联
滑
阀
泵
机
组
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罗茨泵串联小型罗茨泵(中间泵),再串联机械
泵
工作压强范围：～1333Pa。
优点：工作压强范围大,工作真空度高。
下图为一实列
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罗茨泵串联小型罗茨泵(中间泵),再串联机械泵
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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
工作压强范围：～1333Pa。
优点：具有罗茨泵系统和油增压泵系统的双重
特点。
图15为一实例
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罗
茨
水
环
泵
机
组
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，以及罗茨泵串联水环泵
的真空系统,它适合于排出灰尘较多的应用设备
上。
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(2)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×10-2～×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。
几种典型高真空系统
扩散泵串联机械泵
应用范围：一般用在工作时放气量较小的应用
设备上。
优点：结构简单,工作可靠,成本低。
缺点：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。
下图为扩散泵串联旋片泵机组
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扩
散
泵
串
联
旋
片
泵
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扩散泵串联油增压泵,再串联机械泵
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
系统起动慢,但预抽气时间短(因为中间有罗
茨泵)。
高真空系统实例（图16）和一个扩散泵串联
罗茨泵和旋片泵机组
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扩
散
泵
串
联
罗
茨
泵
和
旋
片
泵
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(3) 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。
几种典型超高真空系统
用扩散泵和钛泵并联为主泵,扩散泵单独串联
前级机械泵
可以达到极限真空度为×10-6Pa。
图17所示为钠灯超高真空封接炉的系统
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扩散泵串联扩散泵(中间泵),再串联机械泵
该系统的特点是能获得超高真空,并能稳
定工作。
图18为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
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主泵为分子泵串联机械泵
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。
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)，或用钛泵联接预真
空机械泵，在机械泵的入口管道上加油蒸气捕
集器。
该系统为无油超高真空系统
图19为一实例
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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。
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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。
设计中应注意的问题：
(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。
(2)保证焊接后焊缝不漏气。要求技术水平较
高的工人进行焊接,提高焊接质量,合理地
设计焊接结构也很重要。
(3) 结构上要保证快速抽空。避免出现隔离孔
穴(气袋) ,如图21所示。
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(4)减少表面放气。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。
(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。
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(7)保证真空系统元件壳体和真空室壳体有足够
强度。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。
(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。
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(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。
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(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。
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真空系统组成元件
真空泵
真空测量与控制器件
真空阀门
连接导管
捕集器
其它组成元件
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1 真空阀门
概述
真空阀门的几种典型结构
真空阀门的设计
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概 述
真空阀门：
在真空系统中，用来改变气流方向，
调节气流量大小，切断或接通管路的真空
系统元件。
真空阀门的型号编制方法国家专业标准作
了规定,可查阅有关标准。
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真空阀门在真空系统中的作用
开关气路
控制气流大小， 调节真空度
定量充气
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真空阀门的分类
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真空阀门的几种典型结构
隔膜阀
真空球阀
真空蝶阀
插板阀
挡板阀
翻板阀
电磁阀
针 阀
超高真空阀
玻璃真空活塞
无油玻璃真空阀
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隔膜阀
隔膜式真空阀是利用阀杆将弹性体薄膜紧压
在阀座上用来隔断气路。
如图3所示,转动手轮可带动阀杆上、下移动,
使隔膜离开阀座打开阀门或使隔膜紧压在阀
座上关闭阀门。
此种阀门如采用丁晴橡胶隔膜,适用于前级和
预抽管道上及温度为-25～80℃的非腐蚀性气
体。如采用氟橡胶隔膜,可用于高真空系统,
使用温度范围为-30～150℃。
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真空球阀
图4所示是真空球阀的结构,该阀中的密封机
构是由两个环状弹性体紧压于一个金属球表
面构成。金属球上有一个大穿孔,借助于手柄
转动金属球使穿孔改变方向,即可接通或切断
气路。金属球轴杆与阀体间的密封采用O形密
封圈密封。
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真空蝶阀
蝶阀的结构比较简单,如图5所示。阀板的边缘
上嵌有O形密封圈,阀板靠螺栓固定在传动轴
阀杆上,使阀杆带动阀板转动,当阀板上的密封
圈与阀体紧密接触时即实现了阀门的关闭,从
关闭位置、阀板再转动90°时,阀门即完全打开
,该种阀门的主要优点是体积小,结构简单。
制作：bobo
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插板阀
图6和图7是插板阀的两种结构型式。弹性体
密封圈是嵌在阀体上。转动手柄即可打开或
关闭阀门。图6的插板阀关闭时是靠限位块的
斜面压紧阀盖,进而压紧密封圈。图7的插板
阀是靠链板压紧实现阀口密封。
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手动 电动 气动
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挡板阀
图8是一种挡板阀的结构。该阀通过阀盖
的开启和压下来实现管路的接通和截止。
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翻板阀
图9、10、11是三种不同结构的真空翻板阀。它
们都是用压缩空气为动力源。在阀门打开或关
闭的过程中,阀板的运动有一个翻转过程,能翻
转一个角度。在图10的结构中,靠滚轮将阀盖
挡翻,在这种结构的阀门中,阀盖不能翻转90°。
图9的结构,阀盖的翻转靠四连杆机构实现,阀
盖能实现90°翻转。图11的翻板阀是蚌线机构。
这种阀门结构简单,总高度低,阀板能翻转
90°,是我国1971年首创的。在翻板阀中,阀板
翻转90°时,流导较大。
制作：bobo
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电磁阀
真空阀门的驱动方式为磁力驱动的即为电磁阀。
电磁真空阀的密封机构与挡板阀相同,如图12
所示。平时,电磁阀的阀盖靠弹簧压紧封住管
路通道,需要开启时,将电磁线圈接通电流,磁
力即吸引衔铁,带动阀盖,将阀门打开。有的电
磁真空阀设计成带充气的,称为电磁真空带充
气阀,是专门安装在油封式机械泵入口管路上
的专用阀门。阀门与泵接在同一电源上,泵的
启动与停止直接控制了阀的开启与关闭。当泵
停止工作或电源突然中断时,阀能自动将真空
管路封闭,并将大气通过泵的进气口充入泵腔,
避免泵油返流污染真空系统。
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针阀
图13是一个超高真空针阀。针阀是一种微调阀,
其阀塞为针形,主要用作调节气流量。微调阀
要求阀口开启逐渐变大,从关闭到开启最大能
连续细微地调节。针形阀塞即能实现这种功能。
针形阀塞一般用经过淬火的钢制长针,而阀座
是用锡、铜等软质材料制成。阀针与阀座间的
密封是依靠其锥面紧密配合达到的。阀针的锥
度有1∶50和6°锥角两种,锥表面要经过精细
研磨。图中的阀杆与阀座间的密封是靠波纹管
实现的。
制作：bobo
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超高真空阀
通常的高、低真空阀门,密封垫圈的材料为橡胶,
不能承受高温烘烤。因而不能使用在超高真空设
备上。能使用在超高真空设备上的超高真空阀门
必须满足:(1)能承受高温(400～450℃)多次烘烤
;(2)放气量小,气密性好;(3)重复性好;(4)流导
大。
图14是超高真空阀门的一种。其主要部件是无氧
铜阀盖,不锈钢阀体和传动导向机构。阀座刀口
型式为直角,挡板起保证阀门重复性的作用,即刀
口在阀盖上压出的刀痕每次都能重合。
制作：bobo
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玻璃真空活塞
玻璃活塞由开有孔的锥形芯子及带有连接管的
外套组成,芯子与外套之间的接触面是磨光面,
其间涂以真空封脂以取得密封。气体的通路
由芯子上的孔和所对准的连接管决定,转动芯
子便可控制气体通路。因用封脂密封,芯子与
外套之间就不会漏气。
图15是典型的玻璃真空活塞。活塞按其连接管
道的数目分为二通、三通或多通活塞。二通
又分为对通和直角通。在图15(b)中,(2)、
(3)两种较(1)的型式密封更好,因在使用中有
大气压力将锥芯往内压。
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无油玻璃真空阀
为避免真空油脂对真空环境的影响,可以采用
液态金属密封和磨砂口密封。
图16所示是液态金属密封的玻璃真空阀之一。
图17所示是玻璃磨口密封的无油真空阀,其
密封是由一半球状玻璃阀体与一半球状阀座
之间的精密磨光面接触来实现的。
以上两种玻璃真空阀均可应用于超高真空系
统中,但两侧不能承受大的压强差,只能应用
在两侧压强相近(相差200～400Pa以内)的
场合。玻璃真空阀只能做成小型的,大口径的
阀门必须用金属制造。
制作：bobo
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2 捕集器
捕集器也称为阱,用来捕集真空系统中的可凝
性蒸气。
捕集器的种类很多，根据捕集器捕集蒸气的
原理和方法不同，搞集器可分为挡油帽，机
械捕集器(又称挡板、障板、机械阱)，冷凝
捕集器(又称冷阱)，吸附捕集器(又称吸附阱
)和其它类型的捕集器(如电捕集器，热捕集
器，离子捕集器等。
制作：bobo
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挡油帽
扩散泵在工作过程中,泵液会向被抽容器中返
流。返流的油蒸气会对被抽容器及被处理工件
造成污染。通常在泵芯的一级喷咀上面设置挡
油帽,这样可以大大降低油蒸气的返流。
挡油帽一般用水冷却,比较好的水冷挡油帽可
把扩散泵的返油率降低到%～1%。因此挡油
帽是现代扩散泵所必备的部件。
扩散泵加挡油帽后,降低了返油率,但同时也降
低了泵的抽速。通常认为加挡油帽后,泵的抽
速降低小于20%为宜。
制作：bobo
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挡油帽的设计方法如图31所示:先划出导流管
和喷咀外沿的连结线AB,再在距B为1cm左右处
引垂线CD,延长AB与CD交于E点,此即挡油帽的
外缘。这样确定挡油帽外缘的位置则不会挡住
工作液蒸气射流。
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图33是挡油帽的一种经验设计,实践表明,这
种挡油帽的挡油效果较好,且对泵的抽速没有
太大的影响。
制作：bobo
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各种型式挡油帽的挡油效果如图34所示,图中
(a)是不加挡油帽,设此时返油量为1;(b)、(c)、
(d)、(e)等表示加挡油帽及水冷套等措施后的
返油量,数值愈小,挡油效果愈好。
制作：bobo
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机械捕集器
概述
机械捕集器的设计原则及其典型结构
制作：bobo
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概述
机械捕集器又称挡板、障板、机械阱。当对
降低返油率有更高要求时,常被广泛应用,主
要用来防止蒸气流泵工作液的蒸气分子返流
进入被抽容器。
返流的蒸气分子是这样通过管道进入真空室
的:蒸气分子先碰撞管壁被吸留;由于热运动,
管壁吸留的分子又蒸发,再在更靠近真空室的
管壁上被吸留,然后再蒸发……,这样逐步进
入真空室中。因此在蒸气进入被抽容器的通
路上安装不同结构的具有光学密闭性的板状
组件,阻挡住直线运动的蒸气分子穿越,使其
在壁板上凝结或反射回去,用这种机械阻挡的
方法消除或减少蒸气分子进入被抽容器。
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机械捕集器的型式如表4
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机械捕集器的设计原则及其典型结构
机械捕集器主要靠机械阻挡的方法来降低油蒸
气的返油率,而高速热运动的蒸气分子经三次
碰壁后,其能量大大损耗。
因此,在设计光密性障板的时候,要求蒸气分子
在通过它的过程中,至少应有一次以上使蒸气
分子与板壁碰撞。
此外,要求板壁材料有较好的导热性,尽可能保
持较低的温度。通常通冷却水,以减少蒸气凝
结后的再蒸发,常用的材料有铜、铝、不锈钢
等导热系数较大的金属板。
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在设计障板时应注意以下原则:
光学密闭性,至少要挡住一次束流;
有尽可能大的流导;
障板材料应放气率低,饱和蒸气压低,热传导
性能好,易于加工;
超高真空系统使用的障板应能承受高温烘烤。
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典型的几种机械捕集器的结构如图35至
图38所示。
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冷凝捕集器
概述
冷阱的典型结构
冷阱的抽速
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概述
冷凝捕集器又称冷阱,是利用低温冷壁来捕集
可凝性蒸气的一种低温冷凝捕集器。
冷阱被广泛应用于高真空和超高真空系统中,
安装在主泵入口和真空室之间的管路上。
使用冷阱应遵守一定规则:在加入冷剂前,应将
容器抽空到足够低的压强,使可凝性气体被大
量排除后再加入冷剂;在使用过程中,由于冷
剂的损耗而使冷剂液面不断下降,露出无冷剂
接触的壁面,这些表面的温度回升,使已被冷
凝的蒸气重新蒸发,所以要设法使冷剂的液面
尽量处于恒定位置。
制作：bobo
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冷阱的典型结构
金属冷阱中,盛装冷剂的容器一般用不锈钢
制成,在其壁上焊上若干捕集片,以增大低温
壁板的表面积和阻挡蒸气分子进入真空室的
作用。
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图39是一种长效冷凝捕集器。
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图40的结构具有较大流导,可防止蒸气分子向上
蠕动。
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图41是一种高效冷凝捕集器。
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图44是一种复合式冷阱。
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图45是中心带有液氮罐的冷阱。
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玻璃冷阱采用杜瓦瓶的形式,分为两层或多层,
两层之间抽成高真空,以降低热传导损失。玻璃冷阱
的型式很多,图46是常见的几种玻璃冷阱的结构。
制作：bobo
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吸附捕集器
吸附捕集器是利用某些物质具有吸附性能(物
理吸附和化学吸附)的原理来捕集可凝性蒸气
的一种捕集器,常称吸附阱。
它被广泛应用于机械真空泵和扩散泵(或被抽
容器)之间的管路上,用来捕集油蒸气,水蒸汽,
还有在机械泵中由于转子和泵体之间的摩擦
热使油分解(裂变)而产生的轻馏分物质气体。
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图47是一种活性氧化铝吸附阱,其中放置3～
10mm的球状吸附剂,挡油效率可达99%,主要用
于前级管道。
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图48是一种分子筛吸
附阱。
其特点是:
分子筛烘烤激活是用
放在中心的管状加热
器,被吸附的蒸气从接
管排出,这样不必移出
分子筛,结构又简单操
作也方便,这样的吸附
阱最高可捕集返流油
蒸气的%。
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图49所示的吸附阱,是在一根长127mm,直径51mm
的圆管两端加固定网,管中放置不同的吸附剂,其挡
油效果见表7。
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利用分子筛作为吸附阱的吸附剂时,值得注意
的是:分子筛能大量地吸附大气中的水蒸汽,而
吸附水份后的吸附剂对其它气体的吸附能力大
大降低。
在使用中应避免分子筛吸附阱经常暴露于大气
中,因为在大气中几小时内分子筛就能吸收超
过2%的水份。
在使用前应对分子筛进行预处理,如在真空中
进行烘烤,除去水份。
再者,重复再激活分子筛会使它的吸附能力下
降,当烘烤温度高于350℃,长时间的烘烤将引
起吸附能力的迅速退化。
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