小型真空系統(tǒng)及其加熱裝置的設(shè)計論文資料

1、畢業(yè)設(shè)計設(shè)計題目小型真空系統(tǒng)及其加熱裝置的設(shè)計學生姓名廖世云學 號20090766專業(yè)班級機械09-10班扌旨導(dǎo)教師方應(yīng)翠院系名稱 機械與汽車工程學院2013年6月7日中文摘要 錯誤!未定義書簽。英文摘要 錯誤!未定義書簽。1緒論 31.1真空鍍膜的意義 31.2真空鍍膜技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展狀況 41.3真空加熱烘烤的重要性 51.4課題的研究的任務(wù)及背景 62設(shè)計方案的確定 72.1加熱裝置的選擇 72.1.1 加熱烘烤裝置的類型 7加熱烘烤裝置的確定 82.2加熱元件的選擇 82.2.1 加熱元件的種類 8加熱元件的選擇 92.3加熱箱體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計 112.4加熱烘烤過程中的溫度控制方案

2、 123真空系統(tǒng)的設(shè)計及計算 133.1真空系統(tǒng)簡述 133.2玻璃真空管壁厚的計算 133.3真空室選泵的計算 14粗算主泵抽速 14流導(dǎo)計算 14精算主泵抽速 15前級泵的計算 15抽氣時間的計算 16計算擴散泵的抽氣時間 173.4加熱時間的計算 183.4.1 玻璃真空室吸熱量的計算 183.4.2 中間空氣吸收的熱量 19計算加熱時間 213.5系統(tǒng)概況 214.設(shè)計系統(tǒng)的操作流程 22結(jié)論 24謝辭 25參考文獻 26小型真空系統(tǒng)加熱裝置設(shè)計摘要：本次畢業(yè)設(shè)計主要是針對小型真空系統(tǒng)的加熱裝置進行的，一個好的真空 系統(tǒng)，要保證真空室有一個良好的高真空環(huán)境，需要有一個穩(wěn)定的加熱系 統(tǒng)。

3、由于真空系統(tǒng)體積較小且為玻璃圓柱狀，內(nèi)部的氣體不易抽出，故需 要對其進行加熱處理，設(shè)計中選擇外部圓筒式烘烤箱加熱的方式，內(nèi)部是 以高溫鐵鉻鋁合金絲為電阻絲的單管紅外石英加熱燈管，以正六邊形各頂 點的位置分布于箱體內(nèi)壁，以達到加熱的均勻性，排出氣體效果良好，達 到高真空的目的。同時，對加熱溫度進行簡單的電路控制，使加熱烘烤溫 度能穩(wěn)定在所需溫度范圍，達到控制的自動化，不需要每次都手動操作， 保證了加熱的穩(wěn)定性和持續(xù)性。關(guān)鍵詞：小型真空系統(tǒng)；加熱烘烤箱；加熱溫度控制;Abstract： The graduation project is primarily for small heating de

4、vice vacuum system.A good coati ng machi ne must have a good high vacuum en vir onment and a stable heat ing system. Because the vacuum system is small and it is made of cylindrical glass, the external cylindrical ovens heat ing mode has bee n chose n .The in terior of the system is a sin gle tube o

5、f quartz in frared heati ng lamps, whose resista nee wire is made by high temperature iron-chromium alloy wire. And they are located in the hous ing wall in the positi on of the vertices of a regular hexag on, in order to achieve uniformity of heating and a good effect of the exhaust gas. So, it can

6、 achieve the purpose of high vacuum. Meanwhile,designing the simple control circuit of the heating temperature keep the heating and baking temperature can be stabilized at the desired temperature range. The equipme nt can en sure the heat stability and susta in ability that do not require manual ope

7、rati on each time .Keywords： Small vacuum system; heati ng ove ns; heati ng temperature con trol;1.1真空鍍膜的意義隨著我國電子科技、食品加工、醫(yī)療生產(chǎn)等方面的不斷進步，真空鍍膜廣泛 應(yīng)用在電真空，電子學、光學、能源開發(fā)、現(xiàn)代儀器、建筑機械、包裝、民用制 品、表面科學、以及原子能工業(yè)和空間技術(shù)中。在真空系統(tǒng)中的鍍膜技術(shù)，是真 空應(yīng)用技術(shù)的重要組成部分，是一項綜合的、應(yīng)用范圍很廣的先進技術(shù)，是許多 前沿學科發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)之一，同時也是當今信息時代中許多高新技術(shù)發(fā)展必不 可少的手段。這一技術(shù)目前之所以

8、得到飛速發(fā)展是因為它不僅僅是單一的真空應(yīng)用技術(shù)， 而是以真空技術(shù)為基礎(chǔ)，利用物理或化學的方法，并且吸收了電子束、分子束、 離子束、等離子體、射頻、磁控等一系列新的技術(shù)，從而為科學研究與生產(chǎn)提供 了膜層涂覆的新工藝，新技術(shù)的結(jié)果。用真空鍍膜技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電鍍工藝， 不 但能節(jié)省大量的膜材和降低能耗，而且還會消除濕法鍍膜中所產(chǎn)生的環(huán)境污染。 因此國外在鋼鐵零件涂覆防腐層和保護膜方面，已采用真空鍍膜工藝來替代電鍍 工藝，在冶金工業(yè)中，為鋼板和鋼帶加鍍鋁防護層已很普遍。 在機械制造工業(yè)中， 真空鍍膜工藝用于改變某些加工工藝和節(jié)約貴重的原材料，再如汽車制造業(yè)中采 用塑料制品金屬化零件代替各種金屬零件，

9、即減輕了汽車的重量又節(jié)約了燃油的 消耗。在玻璃上鍍?yōu)V光膜和低輻射膜，可使陽光射入。而作為室內(nèi)熱源的紅外輻 射又不能通過玻璃輻射出去，這在高緯度地區(qū)也可以達到保溫節(jié)能的目的。真空鍍膜技術(shù)及設(shè)備在當今和未來都擁有十分廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景 特別是在制造大規(guī)模集成電路的電學膜：數(shù)字式縱向與橫向均可磁化的數(shù)據(jù)紀錄 儲存膜：在能充分展示和應(yīng)用各種光學特性的光學膜； 在計算機顯示用的感光膜； 在TFT、PDP平面顯示器上的導(dǎo)電膜和增透膜；在建筑、汽車行業(yè)上應(yīng)用的玻璃 鍍膜和裝飾膜；在包裝領(lǐng)域用防護膜、阻隔膜；在裝飾材料上具有各種功能裝飾 效果的功能膜；在工、模具上應(yīng)用的耐磨超硬膜：在納米材料研究方面的各

10、種功 能性薄膜等等都是在真空鍍膜技術(shù)及設(shè)備在廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上得到的不斷發(fā)展 的領(lǐng)域。真空鍍膜工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，也推動了真空鍍膜設(shè)備的不斷更新， 真可謂 是一代工藝、一代設(shè)備，而各類新的真空鍍膜設(shè)備的出現(xiàn)，又為先進、復(fù)雜的工藝應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)提供了可靠的保證。所以針對鍍膜設(shè)備中的一些方面進行改 進，以此來盡量使鍍膜設(shè)備完善，提高真空系統(tǒng)的工作效率，研究的小型真空系 統(tǒng)的加熱裝置，屬于真空系統(tǒng)中密不可分的一個部分，對其結(jié)構(gòu)進行改進和創(chuàng)新， 不斷優(yōu)化加熱裝置，使真空室在加熱時熱量分布均勻， 排出氣體效果良好，達到 高真空系統(tǒng)的要求，同時是對整個真空系統(tǒng)設(shè)備的改進， 也是對真空鍍膜工藝技 術(shù)的提高。

11、1.2真空鍍膜技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展狀況從中國的真空鍍膜技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展歷史來看，是從 20世紀60年代開始的， 從無到有，從模仿設(shè)計、自行研制到技術(shù)引進，并在技術(shù)引進的基礎(chǔ)上促進了自 行研制和發(fā)展，特別是在20世紀80-90年代我國的真空鍍膜技術(shù)及設(shè)備都取得了 長足的發(fā)展，在一些薄膜的應(yīng)用領(lǐng)域里甚至得到了跨越式的進展。但隨著中國進 入WTO和世界經(jīng)濟全球化進程的加快，我國的真空鍍膜技術(shù)及設(shè)備已經(jīng)面臨和 正在面臨著國外擁有先進的真空鍍膜技術(shù)和設(shè)備的跨國公司的強有力的競爭和 挑戰(zhàn)，這種競爭和挑戰(zhàn)迫使我們要同世界貿(mào)易組織的其它成員國一樣，在同等條件下參與整個世界市場的競爭。但機遇也伴隨競爭和挑戰(zhàn)降臨，

12、主要的機遇在于 中國入世后將逐步成為世界各經(jīng)濟國的加工基地， 同時設(shè)備制造的國際性優(yōu)質(zhì)配 件的采購也將更容易，采購成本也會降低，國產(chǎn)設(shè)備的品質(zhì)會得到大幅度的提高。 從目前真空鍍膜設(shè)備的市場發(fā)展現(xiàn)狀來看，國外許多實力雄厚的真空鍍膜設(shè)備生 產(chǎn)商已在中國成立了許多合資或獨資的加工企業(yè)， 并將一些新的真空鍍膜工藝技 術(shù)和產(chǎn)品移植到這些企業(yè)中來。因此我國真空鍍膜設(shè)備在今后三五年內(nèi)的主要 市場除了國內(nèi)的企業(yè)外，外商投資企業(yè)也是設(shè)備需求新的增長點。但是在真空鍍膜技術(shù)和設(shè)備上國內(nèi)和國外還存在很大的差距。我們國內(nèi)的鍍膜設(shè)備研發(fā)的創(chuàng)新意識還不夠，國內(nèi)真空鍍膜設(shè)備的生產(chǎn)廠家，主要考慮的是國 內(nèi)的中、低端市場，常常受

13、用戶給出的低價格所迫，以犧牲設(shè)備的性能和可靠性 來贏得市場，而生產(chǎn)廠家也缺乏對設(shè)備研制的能付諸于實施的中長期規(guī)劃。這樣就使得對新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用迫切性降低，而給國外廠家創(chuàng)造了進入中國市場 的大好機會。目前國內(nèi)的生產(chǎn)廠商以中、小規(guī)模居多，規(guī)模小，綜合實力低。由 于國內(nèi)的整體配套更新較慢，加工設(shè)備較差，加工手段不先進，造成產(chǎn)品的一致性差，產(chǎn)品質(zhì)量在許多方面低于國外同類產(chǎn)品的水平?？墒俏覀儑鴥?nèi)在真空鍍膜技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用上也有很多明顯的優(yōu)勢。首先是資源上的優(yōu)勢，我國有近20多個有一定規(guī)模的真空鍍膜設(shè)備的研制和生產(chǎn)廠家， 并都擁有一支有一定技術(shù)水平和研發(fā)能力的技術(shù)隊伍和銷售網(wǎng)絡(luò)，整個真空行業(yè)是有凝聚力

14、的。從全行業(yè)的研制生產(chǎn)規(guī)模和從業(yè)人數(shù)上來看都是具有一定優(yōu)勢 的。其次是市場上的優(yōu)勢，隨著中國進入 WT以后，中國將逐步成為世界最大工 業(yè)產(chǎn)品的加工基地，中國范圍內(nèi)就有巨大的市場發(fā)展空間。 還有研制和制造成本 上的優(yōu)勢，國內(nèi)的主要真空鍍膜設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)，同國外廠家相比都具備低的人工 成本和低的加工設(shè)備和工作場地的租金成本（或資產(chǎn)占用費），這也許是國外許多 同類企業(yè)無法比擬的優(yōu)勢。所以我們要發(fā)展我們的優(yōu)勢，自主創(chuàng)新，及時地響應(yīng) 市場發(fā)展的需求變化，積極跟蹤國外的先進工藝技術(shù)及設(shè)備的進展， 采用引進部 分先進技術(shù)和生產(chǎn)模式，同國外著名真空鍍膜廠家的合作方式， 推行關(guān)鍵部件國 際化采購的方式，提高我國真

15、空鍍膜設(shè)備的質(zhì)量及整體的技術(shù)水平，以真正能適應(yīng)市場發(fā)展的需求。近年來，隨著表面和薄膜科學，微電子器件及納米技術(shù)等迅速發(fā)展， 將使開 發(fā)和檢測方法體系的研究成為真空鍍膜技術(shù)中的發(fā)展重點；而電子束蒸發(fā)源將是真空鍍膜技術(shù)中的一種重要的加熱方法和發(fā)展方向；目前計算機和信息技術(shù)的基礎(chǔ)使超大規(guī)模繼承電路；但下個世紀的基本元件將是納米電子集成電路。 它是微 電子器件的下一代，有自己的理論，技術(shù)和材料?，F(xiàn)有微電子器件的主要材料是 極純的硅，鍺等晶體半導(dǎo)體。納米電子器件可能是以有機或無機復(fù)合晶體薄膜為 主要原理，要求純度更高，結(jié)構(gòu)更完善，真空制備的清潔環(huán)境，有希望加工組裝 出納米電子器件所要求的結(jié)構(gòu)。1.3真空

16、加熱烘烤的重要性在真空鍍膜的過程中，鍍膜系統(tǒng)的好壞對膜的影響非常大，鍍膜室是一個真 空度要求比較高，環(huán)境要求比較嚴格的空間。一臺好的鍍膜機，要保證鍍膜室有 一個良好的高真空環(huán)境，就需要有一個穩(wěn)定的加熱系統(tǒng)，真空系統(tǒng)的加熱裝置， 屬于真空系統(tǒng)中密不可分的一個部分。如果所使用的加熱方式不當，很可能達不 到鍍膜所要求的高真空度，這會對鍍膜造成影響，使所鍍膜的性能不符合要求，造成極大的損失。所以，需要對真空加熱裝置進行設(shè)計改進， 選擇合理的加熱方 式，安裝在正確的位置，使熱量均勻擴散，達到排出雜氣提高真空度的目的。1.4課題的研究的任務(wù)及背景要求在保證真空度的情況下，對加熱裝置的結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計，盡可

17、能的優(yōu) 化真空室的加熱烘烤裝置的結(jié)構(gòu)位置，使其實用性提高，同時也提高設(shè)備的使用 壽命。認識真空系統(tǒng)加熱方法，包括對真空室和真空室內(nèi)零部件的加熱；查文 獻和工具書認識樣品加熱裝置的具體結(jié)構(gòu)；設(shè)計一種新型的對真空室加熱的裝 置，并配置簡單的真空系統(tǒng)；用 CA畫出零件圖，系統(tǒng)圖，并用Solid word畫出 系統(tǒng)或部分零件圖。2設(shè)計方案的確定2.1加熱裝置的選擇加熱烘烤裝置主要用紅外管加熱器、電阻絲作為加熱元件。通常用紅外管加 熱器安全可靠、壽命長，但被烘烤真空系統(tǒng)的形狀受到一定限制。電阻絲使用方 便、價格低廉，而且被烘烤設(shè)備的形狀不受限制。常用的烘烤除氣裝置根據(jù)被烘烤材料特點大致分成下面幾種類型：

18、1整體真空烘箱、2分離式烘箱、3烘烤帶、4紅外管加熱器加熱烘烤裝置的類型a. 整體真空烘箱整體式真空烘箱適用于玻璃真空鍍膜機、小型部件及電子器件的烘烤除氣。常用的真空烘箱有兩種結(jié)構(gòu)：加熱器放在真空罩中的內(nèi)熱式烘箱和放在真空罩外 部的外熱式烘箱。內(nèi)熱式烘箱的加熱器不能使用普通電爐絲，因為它們在真空中容易蒸發(fā)，所以常用 W或 M0絲作加熱器。外熱式烘箱利用不銹鋼鐘罩將加熱器 與被加熱部件隔開，部件依靠鐘罩加熱后產(chǎn)生的輻射熱加溫。 其優(yōu)點是加熱溫度 均勻.避免了加熱器直接面對部件帶來的蒸發(fā)物污染問題。此外.還可采用加熱器與鐘罩活動連接型式，由于加熱器可以從鐘罩上取走，因此被加熱部件冷卻快， 使用方便

19、。真空烘箱的真空度一般應(yīng)高于IO-2Pa。真空度過低會影響除氣效果， 還容易產(chǎn)生放電甚至電弧現(xiàn)象，另外發(fā)熱材料容易氧化并蒸發(fā)污染被加熱部件。 真空烘箱的一個附帶用途是通過改變烘箱內(nèi)的氣壓對被加熱器件進行高靈敏度 的快速檢漏。b. 分離式烘箱即將整體烘箱分成幾塊電熱板，使用時遙過連接件組合起來。這種烘箱對被 烘烤對象的形狀適應(yīng)性強，適用于形狀復(fù)雜的真空設(shè)備的烘烤。c. 用電阻絲和玻璃纖維布做成“烘烤帶”，包在被烘烤設(shè)備的外部對設(shè)備進 行加熱除氣。這種型式適用于形狀復(fù)雜真空系統(tǒng)及設(shè)備的臨時性烘烤或局部烘烤。d. 在真空設(shè)備外部敷上紅外管加熱器對設(shè)備進行加熱。適用于大型、中型真空鍍膜機的烘烤。加熱烘

20、烤裝置的確定根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求，要對一直徑為 60mm長度為800mm的真空玻璃管進 行加熱烘烤，使其獲得較高真空度。由于所給的加熱烘烤對象是一體積較小的玻璃真空管，不能在該真空管內(nèi)部 設(shè)計加熱裝置，所以選擇采用外部加熱烘烤箱的加熱方式。 同時，玻璃真空管為 圓柱式，故加熱烘烤箱的內(nèi)部也采用圓筒狀的結(jié)構(gòu)。圖2.121加熱烘烤箱體的外形2.2加熱元件的選擇加熱元件的種類a. 單管石英紅外線加熱燈管紅外線燈管是將鎢絲伸入充氣的石英管中構(gòu)成。鎢絲在交流電壓作用下發(fā)熱 并加熱石英管中的氣體，由此產(chǎn)生紅外線輻射。石英近紅外、遠紅外燈采用透明或半透明石英玻璃作為燈管外殼可生產(chǎn)近紅外線或遠紅外線輻射譜線，紅

21、外線燈管主要用于工業(yè)加熱或烘干，如玻璃制品、金屬零件、線路板封裝、膠片等， 以及其它烘干、干燥、加熱，其優(yōu)點是清潔、溫度高、節(jié)能、安全、使用方便并 且發(fā)熱均勻。b. 鍍膜反射紅外線燈管特性：所有單管及雙管紅外線石英加熱器， 包括短波、中波及快速中波加熱 燈管都可在背面鍍金，鍍陶瓷反射涂料?？纱蠓档捅趁娣羌訜岱较蛑疁囟?，減少設(shè)備或爐體之高溫，并可省去反射罩之使用。鍍金或鍍陶瓷反射層可集中熱能 于加熱方向，提高熱效率并節(jié)省電能。c. 鍍金鹵素紅外線加熱燈升溫時間極短，非常適合快速高溫加熱。燈管外表鍍有金黃色涂層，此特殊 涂層可以濾除燈管發(fā)出的耀眼強光，而紅外線熱能卻不受阻擋全部輻射出來。與 透明

22、管和紅寶石管紅外線燈相比，由于可見刺眼強光被濾掉，黃金管特別適合于 室內(nèi)外取暖及有人在場的加熱烘干過程。d. 金屬頭紅外線加熱管；塑料機械用加熱管（金屬頭）：應(yīng)用于高溫環(huán)境. 大部分光譜位于近紅外短波區(qū)域。極高功率輸出，最大線負載功率超過ioow/cm 平面最大輸出功率可達1000kw/m2可選擇高效耐用的金反射涂層或陶瓷反射涂 層,反射效率高達80 95%只加熱目標物方向，節(jié)約大量能源。升溫時間極短， 非常適合快速高溫加熱。加熱元件的選擇綜合分析各類加熱燈管的特性后，選擇單管紅外石英鍍膜反射燈管。單管紅外石英鍍膜反射燈管，在紅外線石英加熱燈管的背面鍍反射涂料，可集中熱能于加熱方向，大幅降低背

23、面非加熱方向的溫度，減少設(shè)備或爐體的高溫，提高熱效率并節(jié)省電能；燈管表面溫度低于800C，建議使用鍍金發(fā)射層，更高溫度建議使用可耐溫1000 r的鍍陶瓷發(fā)射層。工藝：石英加熱管它是由電阻絲（材質(zhì)有高溫鐵鉻鋁合金絲和鎳鉻合金絲 Cr20Ni80）為發(fā)熱體,優(yōu)質(zhì)石英玻璃管為絕緣體和導(dǎo)熱體,兩端用鍍鎳套固定接線 柱，加工而成。特點：輻射率穩(wěn)定、高溫不變形、無環(huán)境污染、抗腐蝕、熱慣性小、熱轉(zhuǎn)換 效率高 主要技術(shù)參數(shù)：（根據(jù)需要確定）額定電壓：380V、220V 110V 36-24V元件長度：300 - 2500mm元件匹配：200w - 5000W元件外徑：10mm-30m m常用規(guī)格為18和 20

24、的；熱響應(yīng)速度：3 - 5分鐘表面溫度：低溫度為350460C 中溫度為500580C可根據(jù)要求提高至700750C,或降低到100300C光譜范圍：2.5-6微米（有較高輻射強度）光譜發(fā)射系數(shù)：0.92 （波長為48um）管徑(mm)總長度(mm)功率(W)電壓(V)為 18-20200mm200W220V為 18-20300mm300W220V為 18-20400mm400W220V為 18-20500mm500W220V為 18-20600mm600W220V為 18-20700mm700W220V為 18-20800mm800W220V為 18-20900mm900W220V為 18-

25、201000mm1000W220V為 18-201200mm1200W220V為 18-201500mm1500W220V為 18-201600mm1600W220V為 18-202000mm2000W220V根據(jù)需求選擇，額定電壓220V;元件長度：800mm功率8oovy元件直徑:20mm表面溫度：400C。圖2.132 .1單管紅外石英鍍膜反射燈管注意事項：1. 使用時配用鋁反射罩或不銹鋼反射罩，平面或拋物面反射罩。但拋物反射罩最佳：提高輻射的利用率高2. 應(yīng)避免劇烈振動和搖動。3. 加熱元件與被加熱物之間距離最佳控制為 100-400毫米為宜。4. 石英加熱元件屬脆性材料，安裝使用時應(yīng)

26、注意安全、使用時根據(jù)被加熱物 件的具體情況、采取必要的防護措施、以免產(chǎn)生機械損傷。5. 該加熱元件單支實測壽命為15000小時，乳白石英管壽命可達十年。為提 高輻射效率、要定期清除管面污垢及灰塵。2.3加熱箱體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計針對真空玻璃管的圓柱結(jié)構(gòu)，采用的加熱烘烤箱體內(nèi)部也為圓柱式的結(jié)構(gòu)， 在箱體的內(nèi)壁設(shè)計燈管位置時，要考慮燈管加熱時的均勻性和穩(wěn)定性。 為了使加 熱時，玻璃真空管的周圍溫度均勻穩(wěn)定上升， 選擇六根燈管，按正六邊形的頂點 的位置放置。圖箱體內(nèi)部燈管的分布如圖所示，加熱烘烤箱內(nèi)部，正中間放置的是玻璃真空管，圓筒壁上六根加 熱燈管，均勻的按正六邊形的頂點排布，使得玻璃真空室到各個燈管

27、的距離都是 相等的，在各個燈管加熱放出熱量時，相對于正中心的玻璃真空管來說， 從四周 傳遞過來的熱量是相對均勻和穩(wěn)定的。 通過這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得加熱烘烤箱的 加熱均勻穩(wěn)定性得要改善，能更好的對玻璃真空室進行加熱，使之獲得滿足要求 的真空度。2.4加熱烘烤過程中的溫度控制方案對玻璃真空管進行加熱烘烤，其烘烤溫度為 360°C，烘烤時間為一小時。加熱烘烤溫度控制方案：當玻璃真空管抽到一定真空度時，接通烘烤箱電源， 開始加熱，當溫度上升至100C時，通過電路調(diào)節(jié)，使溫度在100120C保持 35min,使玻璃真空管溫度均勻，達到充分預(yù)熱的效果；然后繼續(xù)升溫，達到200C 時，在此調(diào)節(jié)電路

28、，使溫度在200220C的范圍內(nèi)保持35min；繼續(xù)升溫至360C， 通過電路調(diào)節(jié)，使玻璃真空管的溫度保持在 350370C的范圍內(nèi)烘烤一小時，達 到除氣提高真空度的目的。溫度控制的原理簡述：當溫度開始上升時，每隔一段時間，通過熱電偶傳感 器將溫度信號傳至模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過模數(shù)轉(zhuǎn)化器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號， 與 預(yù)設(shè)溫度進行比較，將比較結(jié)果傳至單片機，若未到達所需溫度，不作處理繼續(xù) 加熱；若溫度超過所需上限，則通過單片機調(diào)節(jié)加熱元件，降低加熱源溫度，使 溫度降至要求的范圍，這樣使得溫度得到控制和穩(wěn)定。思過暮.U止加按加熱系統(tǒng)溫度控制示意圖3真空系統(tǒng)的設(shè)計及計算3.1真空系統(tǒng)簡述本次設(shè)計真空系統(tǒng)

29、主要實現(xiàn)對玻璃真空管進行加熱烘烤抽氣，以達到要求真空度的功能，根據(jù)設(shè)計基本要求，該系統(tǒng)選用一個主抽泵、一個前級泵、設(shè)計的 加熱烘烤箱，為了實現(xiàn)對內(nèi)部真空度的測量、 充氣量和溫度的控制，需要配置電 阻規(guī)、電離規(guī)、質(zhì)量流量計和熱偶傳感器，此外選取必要的閥門管道、波紋管以 及密封設(shè)施保證真空系統(tǒng)的正常運行。3.2玻璃真空管壁厚的計算根據(jù)設(shè)計要求，真空室為圓筒型玻璃管，其內(nèi)徑為60mm長度為800mm按照壁厚計算公式，圓筒殼體只承受外壓的時候，按照穩(wěn)定條件，其計算壁厚為:So1.25D（丄）Et D70.4式中S0為圓筒計算壁厚，單位 mm D為圓筒內(nèi)徑（60mm,單位mm P為外 壓設(shè)計壓力（1個大

30、氣壓），單位MPa L為圓筒計算長度（800mm,單位mm Et 為材料溫度為t是的彈性模量（7.2*10A4MPa），單位MPa圓筒實際壁厚應(yīng)為：S = S° + C式中S為圓筒實際壁厚，單位為 mm C為壁厚附加量其中：C = Ci + C2 + C 3式中C為鋼板的最大差附加量（一般取0.5mm）; C2為腐蝕裕度（大氣腐蝕速度w 0.05mm/年 時，雙面腐蝕取2mm； C3為封頭沖壓時的拉伸減薄量（玻璃圓筒C3=0）；單位均為mm此外，還需滿足：0.4P L?0.523現(xiàn)已知真空室的內(nèi)徑為E Db60mm長度為800mm所以綜合上述各式子可得圓筒玻璃真空室的實際壁厚為：S

31、5mm3.3真空室選泵的計算粗算主泵抽速初選系統(tǒng)極限工作壓強p = 1*10 -5 Pa,根據(jù)經(jīng)驗公式可知系統(tǒng)有效抽速為：S= （5-20 ） V其中，S為抽速，V為真空室體積，2D 2V r L （） L 2.261L2式中，D為真空室內(nèi)徑60mm L為真空室的高800mm計算可得：S = 11.305-45.22 L/s油擴散泵在使用時，需要在其進氣口上方加上冷阱以防止反油現(xiàn)象， 考慮到 冷阱對抽速有較大影響，需選擇抽速更大的泵，所以選擇K-160B，其抽速為810L/S,極限壓強為7*10-5Pa，加熱功為1.2KW，進口直徑160mm泵用油量0.36L， 冷卻水用量200L/h。流導(dǎo)計

32、算K-160B型擴散泵口徑為160mm泵口經(jīng)冷阱過渡，與真空室之間連接口徑為 63mm的管道,管道總長度為896mm中間有一個插板閥?？偟牧鲗?dǎo)為兩節(jié)管道和冷 阱以及插板閥的串聯(lián)流導(dǎo)。確定氣體沿管道的流動狀態(tài)。真空室工作壓力為1X 10-5 Pa時，擴散泵入口壓力很低，所以管口的壓力可以忽略，管路中的平均壓力5X 10-4 Pa，此時，D*P=63X 10-3* 5 x 10-4 =3.15 x 10-5 Pa*m v 0.02Pa*m所以，管道中為分子流(1)管道流導(dǎo)為Ci12 .1(6310 -1) 3-1 89610 133 .77 L / s(2)插板閥CC-63A的流導(dǎo)查表得：G =

33、400L/S(3)冷阱的流導(dǎo)：G = 330L/S所以，總流導(dǎo)：1C28.46L/S1 1 1G C2 C3精算主泵抽速S127.5L/S考慮管道流導(dǎo)，主泵對真空室的有效抽速 S1所得結(jié)果與初算時的抽速相差很小，所以選擇的主泵符合要求前級泵的計算K-160B擴散泵的前級壓力為40Pa,所以，根據(jù)第一機械工業(yè)部制定的標準 所推薦的前級泵選取2X-8型機械泵。流導(dǎo)的計算選取排氣口管道為直徑50mm的管道，長約為728mm因為擴散泵出口壓力40Pa,機械泵進口壓力要比40Pa低得多，計算管道中平均壓力 P20Pa此時，所以，流導(dǎo)：D*P=50X 10-3 * 40= 2 Pa*m > 0.65

34、Pa*m管道中為粘滯流。D4(50 10-2)4Cv 1.34P 1.34400.046L/SL72.83.342前級泵抽速的粗算：主泵名義抽速為S1時的最大工作壓強P大=5 x 10-5 Pa主泵出口的最大排氣壓強 P反=40Pa主泵的最大排氣量 Qmax = S 1*P 大=810X 5x 10-5 =4.05 x 10-2 Pa*L/sS2 (1.111.25)Qmax (1.12 10-3 1.26 10-3) L/sP反前級泵抽速：Sp (1.53)S2 (1.5 - 3) 5 (7.515)L/s前級泵抽速的粗算：S2QmQ1.15 103L/sQmaxP反玄所得結(jié)果與粗算中相差很

35、少，所以說明所選的前級泵符合要求。抽氣時間的計算小型真空系統(tǒng)通過較大的管道連接由泵來排氣，一旦接通系統(tǒng)立即進入低壓 抽空直至所需真空度，小容器中的氣體由管道入口一端向管道出口一端迅速擴 散，小容器被快速抽空。因此管道中的壓強分布不但是管道長度的函數(shù)，而且是抽氣時間的函數(shù)。所以初抽時間為：VPCp V 11t In 上 ()0.88 13.82 0.0669 10 12.83sSpPcK FCFCp式中：容器的體積V (包括管道的體積在內(nèi))VV容V管(60)2800(63)2800(-50)21158.48mm37.03L222第16頁容器中所要達到的壓強 Pc=0.1Pa；容器的初始壓強Pcp

36、=1(fPa；泵的抽速Sp=8L/s；粘滯流時管道的系數(shù)KK 17.6 C D F 17.6 9.48 0.63 1 105.11F為空氣自由程與所用氣體的自由程的比值D 3(6310 -1)3C112.112.137 .82 L / sL80010 1D3(5010 -1)3C212.112.1A13 .06 L / sL1158.4810 -1插板閥CC-63A的流導(dǎo)C3 =400L/SC為分子流時管道的流導(dǎo)C11 1 19.48L/SC2C3計算擴散泵的抽氣時間擴散泵對電離規(guī)真空計處的有效抽速為:Se S810 142.93121.49L/S810 142.93管道流導(dǎo):C112 .13

37、-12 .1(6312010-1)3252 .13 L/S10 -1冷阱的流導(dǎo)：C2= 330L/S142.93L/SCiC2732有機玻璃的放氣率為： q 2.93 10 Pa m /cm s玻璃真空室的內(nèi)表面積為：A D L 6 80 1507.2cm2由公式：SeP A_q t將起始壓強為0.1Pa代入,0.12149 0.11507.2 2.93 10-7t1=> t1=0.036h將終止壓強10-3Pa代入,-730.12149 101507.2 2.93 107t2=> t2=3.63h故高真空抽氣時間 t=t2-t1=3.63-0.036=3.594h3.4加熱時間的

38、計算玻璃真空室吸熱量的計算查表得玻璃的密度為玻璃真空室的體積為33(2.4 2.8) 10 kg/m2265 260 24 3Vr1 lr2 l ( )2 ()2800 3.925 10 4m32 2量 質(zhì)的管m V 2.6 103 3.925 10 41.0205kgc 9.66 102J/kg C查表得玻璃的比熱容為3.35 105J玻璃管從室溫上升至360C時吸收的熱量為Q玻 mc（T2 T；） 1.0205 9.66 102 （360-20）中間空氣吸收的熱量查表得空氣的密度為1.205kg / m3中間空氣的體積為22220 265 22Vr1 l r2 l ()2 ()2800 2

39、.77 10 2m2 2中間空氣的質(zhì)量為m V 1.205 2.77 10 23.34 10 2 kg空氣的比熱容為 c1.006kJ/kg k圖342.1積分環(huán)計算空氣吸熱量如圖所示，計算從室溫20C加熱至360C時，中間空氣的吸熱量，取一厚 度為dr,溫度為Tr的環(huán)形薄壁，內(nèi)部玻璃真空管溫度為 T仁360C，外部加熱燈 管表面溫度T2=400C。將玻璃管至燈管的溫度看成線性分布，則匚丄t2 t,rTr積分環(huán)的空氣吸收的熱量為Q積 mcTr T室 2 r dr LcT TiTiTo(1316.78r2 2070.6r) dr中間總空氣的吸熱量為從內(nèi)部玻璃管 r仁0.03m積分到燈管外表面R=

40、0.185m0.185Q空0.03(1316.78r22070.6r)dr 37.27J計算加熱時間根據(jù)加熱箱結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁上有隔熱棉以及反射熱量的金屬層， 所以燈管所釋放出的 熱量向外擴散少，為10%左右，內(nèi)部空氣和玻璃真空管吸收的熱量為 90%。 燈管產(chǎn)生的熱量為Q總 6 pt 6 800 t 4800tQ總 90% 4800t 90% Q空 Q玻37.27 3.35 1 05338727J則從室溫加熱至360C所需時間為丄 338737t78.41s4800 0.93. 5系統(tǒng)概況如圖為系統(tǒng)設(shè)計情況，根據(jù)要求設(shè)計加熱烘烤箱體以及系統(tǒng)裝置的支 架等，具體尺寸見裝配圖及零件圖。圖整體設(shè)計系統(tǒng)4.

41、設(shè)計系統(tǒng)的操作流程通水、開總電源，檢查水電安全粗抽：開總閥、粗抽閥、機械泵真空度達到O.IPa開擴散泵關(guān)閉粗抽閥真空度達到10-4Pa開加熱箱電源開始加熱溫度達到360 C維持溫度，烘烤一小時關(guān)閉加熱箱電源真空度達到10-5 Pa7進行相關(guān)實驗關(guān)閉主閥，主泵V關(guān)閉機械泵關(guān)閉總電源，停止通水結(jié)論本次設(shè)計主要是針對小型玻璃真空系統(tǒng)的加熱裝置進行的，所設(shè)計的加熱烘 烤箱有自己的一定特色，其中的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部支架的形狀，燈管位置的選取和安裝， 都是自己構(gòu)思設(shè)計的，設(shè)計具有一定的創(chuàng)新性。在設(shè)計的加熱烘烤箱的基礎(chǔ)上， 結(jié)合真空系統(tǒng)設(shè)計的要求及方法進行了系統(tǒng)的選配。選取了K-160B擴散泵和2X-8機械泵組成抽氣系統(tǒng)，并且選擇了相關(guān)的閥門管道、冷阱、規(guī)管等一系列 的系統(tǒng)所需的真空器件，也按照所需選取了充氣閥、熱電偶傳感器等部件