真空部件
1.真空容器
真空容器是真空裝置的重要部件，真空中各種生產工藝均在真空容器中完成，為保障真空容器質量，設計過程應遵循如下原則。
（1）確定真空容器的真空度范圍，根據GB/T3163標準，真空度劃分為四個區域：即低真空、中真空、高真空及超高真空，對應真空度范圍是1E5~1E2Pa、1E2~1E-1Pa、1E-1~1E-5Pa、＜1E-5Pa。真空容器中真空度范圍由真空容器的用途來確定，然后依據真空容器真空度范圍，選擇制造材料，密封材料、法蘭接口形式。表1.1中給出了各種材料適用的真空度范圍。
表1.1 各種材料適用的真空度
（2）真空容器的設計溫度及工作壓力。一般選擇室溫，設計壓力取0.101MPa；
（3）確定容器的主要尺寸。包括容器形式、封頭、大門、鞍座、加強圈、補強結構、各種法蘭接口，以及各種密封形式；
（4）制定容器的主要工藝要求。包括材料的選擇及檢驗方法，焊接工藝、清洗工藝、總漏率及檢漏工藝；
（5）真空容器大門的開啟形式。根據容器大門的幾何尺寸，有鉸鏈式、鐘罩式、懸吊式、拖車式等；
（6）容器承受外壓性能。包括容器壁厚的計算以及應力應變的分布情況，進而采取補強措施；
（7）真空容器的設計應盡可能采用相關標準。如容器壁厚計算，各種法蘭、運動傳入機構等；
（8）容器上各種法蘭接口焊接后應精加工其密封面。
除上述設計基本要求外，容器的基本形狀通常情況下由應用決定。對于腔體，應盡量選用圓柱管，它有利于物料的投放和系統的穩定性。對于較小的公稱通徑，管端可以采用平底封閉；對于較大通徑的腔室，可以通過盤型端蓋來封閉，用以限制材料用量和腔室重量。通常情況下，直徑600mm的腔室采用平底封閉，其厚度為盤型端蓋厚度的3倍。
2.真空泵
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，真空泵是真空系統中的重要組成部分。真空泵的選擇需要根據極限壓力、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。
（1）主泵的選擇及抽速計算
選取主泵是設計真空系統的關鍵問題，主要依據是：①空載時真空室所需要達到的極限真空度，通常主泵極限真空要比真空室的極限真空高半個到一個數量級。②根據真空室進行工藝生產時所需要的工作壓力，主要由以下步驟：
1）計算主泵的有效抽速S
其中，pg?為真空室要求工作壓力，[Pa]；Q?為真空室總氣體量，[Pa?L/s]，通常由三部分組成，真空室工作過程中產生的氣體量、真空室及真空元件的放氣量、真空室的總漏氣量。
2）確定主泵的抽速Sp
根據有效抽速S?以及泵與真空室之間的連接管道的流導U確定主泵的抽速Sp，根據流導的串聯公式：
通常情況下，計算主泵的有效抽速S需要增大20% ~ 30%或更大。
（2）前級泵的配置及抽速確定
前級泵選擇的原則是：①要求前級泵造成主泵的工作所需的預真空條件；②抽走主泵產生的最大氣體量；③必須滿足主泵進氣口能工作的最大壓力時所需的預抽時間要求。
對于渦輪分子泵的前級泵，抽速應當滿足：
其中，Sq?為前級泵的抽速，[L/s]；Pn?為渦輪分子泵前級壓力，[Pa]； Qmax?為最大流量，[Pa?L/s]，渦輪分子泵平穩抽速范圍為1E-1 ~ 1E-4 Pa，因此最大流量應等于1E-1 Pa下的抽速與該壓力之積。
常用的真空泵通常有羅茨真空泵、干式真空泵、分子泵。羅茨真空泵是一種旋轉式的變容真空泵，它是由羅茨鼓風機演變而來。羅茨泵在泵腔內有兩個形狀對稱的轉子，轉子的形狀有兩葉、三葉和四葉，兩個轉子相互垂直的安裝在一對平行軸上。羅茨泵通常壓縮比很低，在使用的過程中需要前級泵。
干式真空泵，是指在真空泵的抽氣流道內無任何液態工作介質或密封介質的真空泵。根據轉子形狀不同，干式真空泵通常分為爪型干式真空泵、螺桿真空泵、渦旋真空泵。
分子泵分類主要包括渦輪分子泵與磁懸浮分子泵，其中渦輪分子泵是利用高速旋轉的動葉輪將動量傳遞給氣體分子，使氣體產生定向流動而抽氣的真空泵，廣泛應用于高真空的場合，目前多利用干式機械泵作為前級泵；磁懸浮分子泵是在渦輪分子泵的基礎上，增加了非接觸磁懸浮軸承的使用，磁懸浮分子泵具有無油、無磨損、運行安靜、振動極小的特點。
3.檢漏儀
極限壓力是真空容器的主要性能指標之一，影響極限真空壓力的因素除了容器的結構、材料、加工工藝，真空泵的選擇之外，還有就是零件表面的清潔度、容器零部件和容器整體的泄漏。
真空元件的清潔處理非常重要，通常機械加工的零件表面會不可避免的被污染，若不進行處理，去掉表面層，那么污染物及吸附的氣體在真空下會大量釋放，對真空設備的工作壓力造成影響，甚至設備的真空度抽不上去。
清潔處理的要求有4點：①不得損壞被清洗的零件，不得改變其性能；②不得劃傷密封面；③不能殘留清洗劑痕跡及多余物；④清洗劑不能與材料發生化學反應。常用的清潔處理方法有機械清理、有機溶劑除油、化學侵蝕、電化學清洗、電化學拋光、超聲波清洗等。
檢漏工作非常重要，當真空容器和真空系統確定之后，檢漏工作是關鍵的。氦質譜檢漏技術已成為迄今為止最靈敏、最有效、最方便也是應用最廣的檢漏手段。檢漏的方式主要分為噴吹法、氦罩法、吸槍法、真空室法、檢漏盒法、真空室累計法、吸腔累計法、背壓法及前級泵出口采樣法等。
4.閥
真空閥門是真空系統中用以調節流量、切斷或接通管路的元件。真空閥門在配置和選擇真空閥時，必須考慮最小壓差和分子流范圍內部件的高流阻，閥體和閥座之間要求最小的泄漏率，閥中移動部件真空側的潤滑劑必須適合于所需的壓力和溫度范圍，或者盡可能避免暴露在高真空環境下。常用的閥類部件主要有插板閥與擋板閥兩種。
（1）插板閥
真空插板閥的工作原理是通過螺桿的傳動推動閥板架運動，撐開閥板關閉閥門；又靠彈簧支架收攏閥板，通過閥板架運動打開真空閥門。高真空插板閥適用于超高真空系統中接通或截止氣流之用，適用的工作介質為潔凈的空氣和非腐蝕性的氣體。
真空插板閥有高真空插板閥和超高真空插板閥兩種，高真空插板閥主要應用在低于1E-6Pa真空度下，適用溫度為-25~80℃。
圖4.1、圖4.2給出了閥門的結構形式，閥門的驅動形式為手動、氣動和電動，表4.1給出了閥門的基本參數。
圖4.1 高真空插板閥（GB/T4982）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖4.2高真空插板閥（GB/T6070）
表4.1 高真空插板閥基本參數
（2）擋板閥
真空擋板閥的工作原理是閥板通過閥桿做上下運動而實現密封。驅使閥桿運動的傳動部件有手動、手電兩動、氣動三種方式。按照閥門形式，可以分為角通式、直通式結構；按照軸密封形式有橡膠軸密封及波紋管軸密封。常用在真空泵與容器之間，作為密封容器，隔離管道和真空室之用，廣泛的應用于航空、航天、軍工、電子、科研院所、高校等行業。
圖4.3~圖4.6給出了閥門的結構形式，表4.2給出了閥門的基本參數。
圖4.3高真空擋板閥（GB/T4982）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖4.4高真空擋板閥（GB/T6070）
圖4.5高真空擋板閥（DN1 GB/T4982）? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖4.6高真空擋板閥（DN1 GB/T6070）
表4.2 高真空擋板閥基本參數
5.連接件
真空法蘭用于系統的可拆卸部位，或為出于安裝需要的連接部位。法蘭連接必須保證連接處的氣密性近似于整體材料的性能。不銹鋼、鋁和鋼制成的法蘭部件可用作連接元件。不銹鋼制成的金屬軟管比厚壁橡膠或塑性塑料更適用于制作活動式連接件，它們是低真空及以上范圍內的絕對必須品。
常用的法蘭連接件有ISO-KF法蘭、ISO-K和ISO-F法蘭、CF法蘭。其中對于公稱通徑在DN10-DN50之間，選用ISO-KF法蘭，對于公稱通徑在DN63-DN1000之間的選用ISO-K和ISO-F法蘭。對于超高真空兼容的可拆卸的連接，同時公稱通徑在DN16-DN400之間的選用CF法蘭連接，相應公稱通徑DN400-DN800的法蘭為COF法蘭。
（1）ISO-KF法蘭
ISO-KF小型法蘭部件，公稱通徑為DN10-DN50。適合連接高達1E-6Pa的壓力，如果采用金屬密封件，壓力范圍可高達1E-7Pa。這需要特別大的接觸壓力，必須使用專門的金屬密封件夾具。
ISO-KF法蘭包括兩個對稱法蘭和一個O型圈密封件，通過內部或外部定心環定位和支撐，如圖5.1所示。密封所需要的壓力由夾緊環產生，該夾緊環位于錐形加緊區域的上方，并使用蝶形螺釘緊固。法蘭的選型尺寸如表5.1所示，O型膠圈和O型支架的尺寸如表5.2所示。
圖5.1 ISO-KF法蘭
表5.1 ISO-KF法蘭尺寸（單位：mm）
表5.2 ISO-KF法蘭用O型支架、膠圈尺寸（單位：mm）
（2）ISO-K/ISO-F法蘭
ISO-K法蘭公稱通徑為DN10-DN630，ISO-F法蘭公稱通徑為DN10-DN1000。適合連接高達1E-6Pa的壓力，憑借金屬密封件，壓力范圍可高達1E-7Pa。金屬密封件需要較強的接觸力，該接觸力由螺紋法蘭連接件提供。如果使用夾緊螺絲，在必要時必須增加其數量。
ISO-K和ISO-F組成包括兩個對稱法蘭和一個O型圈，通過內部和外部定心環定位支撐，密封所需要的壓力通過雙夾爪或螺絲釘產生，如圖5.2所示。ISO-K和ISO-F選型尺寸如表5.3所示。
（a）ISO-K法蘭連接
（b）ISO-F法蘭連接
圖5.2 ISO-K和ISO-F法蘭
表5.3 ISO-K、ISO-F、O圈、中心支架尺寸（單位：mm）
（3）CF法蘭
CF法蘭公稱通徑為DN10-DN400。CF法蘭專為UHV應用而設計，可烘烤溫度高達450℃且適用小于1E-10Pa的壓力。對材料的要求比較高，CF法蘭幾乎全部由不銹鋼制成，通常具有較低的碳含量。
CF連接包括帶有切口的兩個對稱法蘭，一個淺槽中心的金屬扁平墊片，以及足夠數量的能夠提供所需高接觸壓力的螺絲釘，如圖5.3所示，法蘭上的徑向凹槽用于松開法蘭，有助于泄漏檢測。詳細的CF法蘭選型尺寸如表5.4所示。CF法蘭連接用銅墊圈尺寸如表5.5所示。
圖5.3 CF法蘭連接
表5.4CF法蘭連接尺寸（單位：mm）
表5.5 CF法蘭連接用銅墊圈尺寸（單位：mm）
注：本節內容中部分圖片引自網絡
參考文獻：
[1] 劉玉魁.真空工程設計[M].北京:化學工業出版社,2016.
[2] GB/T 4982-2003.真空技術 快卸連接器尺寸 第1部分：夾緊型[S].
[3]GB/T 6070-2007 真空技術 法蘭尺寸[S].
[4]GB/T 6071-2003 超高真空法蘭[S].
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