第9章　真空系統的設計

9.1　真空系統設計原則

真空系統設計包含的內容有真空室設計、真空材料選擇、各種抽氣手段配置、真空規選用、真空管路流導計算、焊接方法、清洗工藝、檢漏手段等。真空系統由真空室、真空泵、真空測量儀器、各種真空元件、管路等構成。由于使用目的不同，構造真空系統的方式也不同，但設計原則大致相同，概述如下。

①確定真空系統的使用要求。要求中應含真空室的幾何尺寸；極限壓力、工作壓力、本底壓力、殘余氣體允許值；被抽氣體成分、溫度、是否有害；油污染的影響；運行周期；以及其他特殊要求，如振動、噪聲等。

②確定真空室的幾何尺寸。依據產品與試驗物的大小確定真空室的幾何尺寸，并選擇真空室為臥式、立式以及相應的大門開啟方式。

③產品與試驗物所需真空條件。根據生產工藝要求，確定工作壓力、本底壓力、極限壓力。

工作壓力，即在真空室中為實施某種工藝所必需的壓力，也可能是一定的壓力范圍。工作壓力確定需要慎重，只要滿足工藝要求即可，不能有過高要求。否則可能使主泵的抽速幾倍地增加，造成投資及運行費用大幅度上升。

本底壓力，即主泵開始抽氣后，在要求的時間內，所能達到的壓力。本底壓力與工作壓力不同，本底壓力通常是根據工作氣體純度要求而提出來的。如離子束刻蝕機，為了保持氬氣純度，需要將真空室抽至低于5×10-3Pa壓力以下，然后通入氬氣，維持工作壓力為1×10-2～5×10-2Pa。前者稱為刻蝕機需達到的本底壓力，而后者稱為工作壓力。

極限壓力，即真空室空載，啟動各種抽氣手段，經過長時間的抽氣后達到的最低壓力。極限壓力對真空裝置而言，它的實用性不像工作壓力及本底壓力那樣重要，不必苛求。一般低于工作壓力半個或一個數量級。如工作壓力為5×10-3Pa，那么極限壓力為1×10-3～5×10-4Pa。極限壓力主要決定于真空室的漏率、材料的出氣率及真空室內材料的蒸氣壓。

④選擇抽氣手段。選擇抽氣手段，首先要考慮油、脂蒸氣對產品的影響，而后是極限壓力、工作壓力、殘余氣體成分、被抽氣體成分及溫度等因素。抽氣手段包括使用主抽氣泵（簡稱主泵）的前級泵及粗抽泵或泵組。此三類泵的功能相異。主泵即真空裝置用來獲得工作壓力的泵。如真空退火爐選擇油擴散泵作為主要抽氣手段，那么擴散泵可稱為主泵。然而油擴散泵不能將氣體直接排到大氣中，其排氣口需接上另一種泵，用以保持排氣口壓力小于擴散泵的臨界前級壓力，這種泵稱為前級真空泵（簡稱前級泵）。如擴散泵排氣口串接的旋片真空泵等。

粗抽泵或粗抽泵組是從大氣壓下，將真空室抽到主泵能達到啟動壓力的真空泵或者真空機組。選擇粗抽泵或泵組，首先考慮油蒸氣是否構成污染，其次是真空室的容積及允許的粗抽時間。若真空室工作狀態對油蒸氣敏感，需要考慮在粗抽泵進氣口設置阱來捕獲油蒸氣，或者用無油干泵作為粗抽泵。

⑤真空計的選擇。真空計根據極限壓力、工作壓力、氣體成分、測量精度等要求來選擇。真空計的布點應能代表真空裝置最關心位置的真空度。

⑥確定真空抽氣管路。主抽氣管路設計，包括選擇主閥、障板、阱等。粗抽與前級管配置，包括油捕集器、過濾器、粗抽泵排氣口油霧捕集器、消聲器、各種閥門等。這些管路元件是按需要選擇的，各類真空裝置要求不同，配置亦不同。

根據管路中各種管道及元件計算出流導值是否滿足設計要求。管道的選擇遵循粗而短的原則。一般來講，管道的直徑與真空泵入口直徑相當。

⑦真空泵選型。真空泵的種類依據④的原則確定后，尚需根據極限壓力、工作壓力、抽氣時間、管路流導等因素，計算真空泵的抽速，確定主泵型號，并配置前級泵、粗抽泵，以及確定管路中各種真空元件，繪制真空系統抽氣原理圖。

⑧真空材料的選擇。真空系統中使用的材料主要包括兩類，即殼體材料及密封材料。真空室及管路所用材料稱為殼體材料，而各種靜密封及動密封材料統稱為密封材料。無論是殼體材料，還是密封材料，選擇的主要依據是真空裝置的真空度。超高真空裝置，殼體材料必須用不銹鋼，而密封材料選擇金屬材料。高真空裝置，殼體材料用不銹鋼或者碳鋼均可以，主要考慮生產工藝過程產生的氣體是否對材料有腐蝕。通常選用不銹鋼或碳鋼鍍鎳，或其他涂敷工藝。密封材料選擇橡膠密封。低真空裝置選擇材料主要考慮被抽氣體是否有腐蝕性問題。

真空管路的粗抽管道及前級管道，一般選擇無縫鋼管，而高真空管道材料與真空室殼體材料相同。

⑨真空檢漏。真空室的漏率控制非常重要，在真空系統設計時，需要統一考慮，特別是大型真空系統，倘若考慮不周，可能出現局部焊縫無法檢測。真空系統檢漏包括制訂檢漏方案、檢漏儀器選擇、檢漏方法確定，以及加工過程中不同工序的檢漏，最終給出評價結果。

真空室及管路、元件所需漏率根據真空度要求確定，只要能滿足工作壓力、極限壓力及本底壓力即可，無需要求過高，否則將增加無謂的制造成本。

⑩焊接方法選擇。依據殼體材料及真空裝置所需真空度選擇焊接手段。真空容器成型通常采取內焊縫，有利于清洗，不會形成死空間，有利于抽氣。

?真空清潔處理。真空系統中各種元件均需經過機械加工，在加工中會受到潤滑油、冷卻液、汗痕，以及環境的污染。為了獲得預期的真空度，必須采用不同方法進行清潔處理。