真空及真空的獲得課件

真空及真空的獲得產(chǎn)品整理車間真空概論真空：vacuum（英）定義：一種說(shuō)法是：當(dāng)容器中的壓力低于大氣壓力時(shí),把低于大氣壓力的部分叫做真空,而容器內(nèi)的壓力叫絕對(duì)壓力。另一種說(shuō)法是,凡壓力比大氣壓力低的容器里的空間都稱做真空。真空有程度上的區(qū)別:當(dāng)容器內(nèi)沒(méi)有壓力即絕對(duì)壓力等于零時(shí),叫做完全真空;其余叫做不完全真空。在真空科學(xué)中，真空的含義是指在給定的空間內(nèi)低于一個(gè)大氣壓力的氣體狀態(tài)。真空度的概念處于真空狀態(tài)下的氣體稀簿程度，通常用“真空度高”和“真空度低”來(lái)表示。真空度高表示真空度“好”的意思，真空度低表示真空度“差”的意思。從真空表所讀得的數(shù)值稱真空度。真空度數(shù)值是表示出系統(tǒng)壓強(qiáng)實(shí)際數(shù)值低于大氣壓強(qiáng)的數(shù)值，即：

真空度=(大氣壓強(qiáng)—絕對(duì)壓強(qiáng))/pg其中：p為液體密度，g為重力加速度。

真空度是真空泵、微型真空泵、微型氣泵、微型抽氣泵、微型抽氣打氣泵等抽真空設(shè)備的一個(gè)主要參數(shù)。真空度的標(biāo)識(shí)對(duì)于真空度的標(biāo)識(shí)通常有兩種方法：一、用“絕對(duì)壓力”、“絕對(duì)真空度”（即比“理論真空”高多少壓力)標(biāo)識(shí)。

在實(shí)際情況中，真空泵的絕對(duì)壓力值介于0～101.325KPa之間。絕對(duì)壓力值需要用絕對(duì)壓力儀表測(cè)量，在20℃、海拔高度＝0的地方，用于測(cè)量真空度的儀表(絕對(duì)真空表)的初始值為101.325KPa(即一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)。二、用“相對(duì)壓力”、“相對(duì)真空度”(即比“大氣壓”低多少壓力)來(lái)標(biāo)識(shí)。“相對(duì)真空度”是指被測(cè)對(duì)象的壓力與測(cè)量地點(diǎn)大氣壓的差值。用普通真空表測(cè)量。在沒(méi)有真空的狀態(tài)下(即常壓時(shí))，表的初始值為0。當(dāng)測(cè)量真空時(shí)，它的值介于0到－101.325KPa（一般用負(fù)數(shù)表示）之間。比如，有一款微型真空泵測(cè)量值為－75KPa，則表示泵可以抽到比測(cè)量地點(diǎn)的大氣壓低75KPa的真空狀態(tài)。相對(duì)真空度和絕對(duì)真空度國(guó)際真空行業(yè)通用的“真空度”，也是最科學(xué)的是用絕對(duì)壓力標(biāo)識(shí)；指得是“極限真空、絕對(duì)真空度、絕對(duì)壓力”，但“相對(duì)真空度”(相對(duì)壓力、真空表表壓、負(fù)壓)由于測(cè)量的方法簡(jiǎn)便、測(cè)量?jī)x器非常普遍、容易買到且價(jià)格便宜，因此也有廣泛應(yīng)用。理論上二者是可以相互換算的,兩者換算方法如下：相對(duì)真空度=絕對(duì)真空度(絕對(duì)壓力)-測(cè)量地點(diǎn)的氣壓例如：一款微型真空泵的絕對(duì)壓力為80KPa，則它的相對(duì)真空度約為80-100＝-20Kpa，(測(cè)量地點(diǎn)的氣壓假設(shè)為100KPa)在普通真空表上就該顯示為-0.02MPa。常用的真空度單位常用的真空度單位有Pa、Torr、Kpa、Mpa、大氣壓、公斤(Kgf/cm2)、mmHg、mbar、bar、PSI等。近似換算關(guān)系如下：帕（pa）1帕斯卡=1牛頓/平方米(1N/㎡)托（torr）1托=133.3223684帕=1mmHg

1MPa=1000KPa

1KPa=1000Pa1大氣壓=101.325KPa≈0.1MPa

1大氣壓=1.0332公斤(Kgf/cm2)=760mmHg

1大氣壓=14.5PSI（PSI=poundspersquareinch磅/平方英寸換算關(guān)系為：1psi=6.895kPa）1巴(bar)=100,000帕(Pa)=10牛頓/平方厘米=0.1MPa真空的獲得和測(cè)量在真空實(shí)用技術(shù)中，真空的獲得和測(cè)量是兩個(gè)最重要的方面，在一個(gè)真空系統(tǒng)中，真空獲得的設(shè)備和測(cè)量?jī)x器是必不可少的。目前常用的真空獲得設(shè)備主要有旋片式機(jī)械真空泵、油擴(kuò)散泵、渦輪分子泵、低溫泵等。真空測(cè)量?jī)x器主要有U型真空計(jì)、熱傳導(dǎo)真空計(jì)、電離真空計(jì)等。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種真空獲得設(shè)備向高抽速、高極限真空、無(wú)污染方向發(fā)展。各種真空測(cè)量設(shè)備與微型計(jì)算機(jī)相結(jié)合，具有數(shù)字顯示、數(shù)據(jù)打印、自動(dòng)監(jiān)控和自動(dòng)切換量程等功能。真空的獲得為了使體系形成真空就必須將其中的氣體排出，或者使氣體分子不能在體系內(nèi)自由活動(dòng)。因此，形成真空的方法有兩類：①應(yīng)用機(jī)械的裝置將體系中的氣體抽出；②利用吸氣劑、捕集器等將體系中氣體吸附。后者如吸氣劑常用于真空電子設(shè)備中，我們工業(yè)上常用的是前者，所用的抽氣裝置常稱之為抽氣機(jī)、真空泵。工業(yè)真空工業(yè)上的真空指的是氣壓比一標(biāo)準(zhǔn)大氣壓小的氣體空間，是指稀薄的氣體狀態(tài)，又可分為高真空、中真空和低真空。工業(yè)應(yīng)用的真空環(huán)境一般是通過(guò)真空泵來(lái)實(shí)現(xiàn)的。真空泵：是用各種方法在某一封閉空間中產(chǎn)生、改善和維持真空的裝置。真空泵可以定義為：利用機(jī)械、物理、化學(xué)或物理化學(xué)的方法對(duì)被抽容器進(jìn)行抽氣而獲得真空的器件或設(shè)備。適用于不同需求的真空泵及測(cè)量?jī)x器不同真空狀態(tài)的絕對(duì)真空度真空區(qū)域（torr）壓強(qiáng)范圍（pa）低真空760~10101325~1333中真空10~10-31333~1.33×10-1高真空10-3~10-8

1.33×10-1~10-6

超高真空10-8~10-12

10-6~10-10

極高真空＜10-12

＜10-10

真空系統(tǒng)各種真空系統(tǒng)的組建，是根據(jù)不同的工作需求來(lái)決定的。最簡(jiǎn)單的真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)只需機(jī)械泵加上測(cè)量?jī)x器即可獲得粗真空到低真空的工作氛圍。如果所做的工作需要在高真空下進(jìn)行，除了用機(jī)械泵外，還必須在機(jī)械泵后加擴(kuò)散泵。真空系統(tǒng)有金屬和玻璃兩類。根據(jù)需要選用合適的真空材料、真空泵、真空計(jì)和閥門來(lái)組成真空系統(tǒng)。真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料是構(gòu)成真空系統(tǒng)主體的材料，它將真空系統(tǒng)與大氣隔開(kāi)，承受著大氣壓力。這類材料主要是各種金屬和非金屬材料，包括可拆卸連接處的密封墊圈材料。如我們直拉爐的真空系統(tǒng)中，金屬材料包括爐體生長(zhǎng)室、副室和管道應(yīng)用的各種不銹鋼材料，非金屬材料包括熔爐的塑膠O形環(huán)密封圈，籽晶和坩堝上升旋轉(zhuǎn)的磁流體密封材料，隔離閥軸的四邊形旋轉(zhuǎn)塑膠密封圈等。旋片式機(jī)械真空泵旋片式機(jī)械泵結(jié)構(gòu)圖/剖面圖結(jié)構(gòu)及工作原理它由轉(zhuǎn)子、定子、旋片（或稱刮板）、活門和油槽等構(gòu)成。泵的定子裝在油槽中，定子的空腔時(shí)圓柱形。轉(zhuǎn)子是圓柱形輪子，它偏心地裝成與定子空腔內(nèi)切的位置。轉(zhuǎn)子可繞自己的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子是由馬達(dá)帶動(dòng)的。轉(zhuǎn)子中鑲有兩塊刮板，刮板之間用彈簧相連，使刮板緊貼在定子空腔內(nèi)壁上。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，被抽容器中的氣體經(jīng)過(guò)進(jìn)氣口到定子與轉(zhuǎn)子之間的空間，由活門及進(jìn)氣口排出。定子浸在油中，油是起密封、潤(rùn)滑與冷卻作用的，進(jìn)油槽是為了讓油進(jìn)入空腔。進(jìn)空腔的油除了上述作用外，還起著協(xié)助打開(kāi)活門的作用，因?yàn)樵趬簭?qiáng)很低時(shí)被壓縮的氣體不足以打開(kāi)活門，而不可壓縮的油，將強(qiáng)迫活門打開(kāi)，活門的作用是讓氣體從泵中排出，而不讓大氣進(jìn)入泵中。旋片式機(jī)械泵的工作原理如下圖：(a)表示兩刮板轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)上刮板A與進(jìn)氣口之間的體積不斷增大，這時(shí)被抽容器內(nèi)氣體從進(jìn)氣口進(jìn)入這部分空間。(b)、(c)表示進(jìn)入泵中的氣體被刮板B與被抽容器隔開(kāi)并被壓縮到活門。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到圖(d)的位置時(shí)，被壓縮的氣體的壓強(qiáng)大于大氣壓強(qiáng)，這時(shí)活門被打開(kāi)，氣體排出泵外。兩個(gè)刮板不停地重復(fù)以上過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)容器連續(xù)抽氣的目的。旋片式機(jī)械泵的局限單級(jí)旋片泵一般極限壓力只能達(dá)到1.3Pa(個(gè)別可達(dá)0.1Pa)，為什么極限壓力不能再低呢？主要由于：

(1)泵的結(jié)構(gòu)上存在有害空間(見(jiàn)圖)，該空間中的氣體是無(wú)法排除的。當(dāng)旋片轉(zhuǎn)過(guò)排氣口后，這一部分氣體又被壓縮，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子與泵腔間的縫隙又回到吸氣空間，所以每次總有些氣體排不盡。

(2)由于在泵工作時(shí)，泵腔的吸氣空間與排氣空間存在著一定的壓力差。當(dāng)排氣空間的氣體被壓縮得很小時(shí)，它的壓力很高，會(huì)通過(guò)各種可能的途徑突破到吸氣空間去，使泵真空度下降。

(3)泵油在泵體內(nèi)循環(huán)流動(dòng)過(guò)程中會(huì)溶解進(jìn)大量氣體和蒸氣。在吸氣側(cè)，因?yàn)閴毫^低，溶解的氣體又會(huì)跑出來(lái)，使泵的真空度不易提高。所以當(dāng)我們需要達(dá)到更高真空度要求時(shí)，需要選擇其他真空泵與機(jī)械泵串聯(lián)使用。羅茨泵（RootsVacuumPump）羅茨泵是一種無(wú)內(nèi)壓縮的真空泵，通常壓縮比很低，故高、中真空泵需要將羅茨泵和前級(jí)泵串聯(lián)使用。它的極限真空除取決于泵本身結(jié)構(gòu)和制造精度外，還取決于前級(jí)泵的極限真空。羅茨泵的工作原理與羅茨鼓風(fēng)機(jī)相似。由于轉(zhuǎn)子的不斷旋轉(zhuǎn)，被抽氣體從進(jìn)氣口吸入到轉(zhuǎn)子與泵殼之間的空間v0內(nèi)，再經(jīng)排氣口排出。由于吸氣后v0空間是全封閉狀態(tài)，所以，在泵腔內(nèi)氣體沒(méi)有壓縮和膨脹。但當(dāng)轉(zhuǎn)子頂部轉(zhuǎn)過(guò)排氣口邊緣，v0空間與排氣側(cè)相通時(shí)，由于排氣側(cè)氣體壓強(qiáng)較高，則有一部分氣體返沖到空間v0中去，使氣體壓強(qiáng)突然增高。當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，氣體排出泵外。羅茨泵在泵腔內(nèi)有二個(gè)轉(zhuǎn)子相互垂直地安裝在一對(duì)平行軸上，由傳動(dòng)比為1的一對(duì)齒輪帶動(dòng)作彼此反向的同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)子之間，轉(zhuǎn)子與泵殼內(nèi)壁之間，保持有一定的間隙，可以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速運(yùn)行。兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)子既有雙葉的，也有三葉和多葉的，形狀種類很多。羅茨泵的工作原理下圖是雙葉羅茨泵和三葉羅茨泵的工作狀態(tài)展示羅茨泵的特點(diǎn)羅茨泵的最大優(yōu)點(diǎn)是在較低入口壓力時(shí)具有較高的抽氣速率，可達(dá)到70-1200L/S，真空度可達(dá)到0.1-0.05PA。另外羅茨泵屬于干泵，不用加油，維護(hù)較為方便。但它不能單獨(dú)使用，必須有一臺(tái)前級(jí)真空泵串聯(lián)，待被抽系統(tǒng)中的壓力被前級(jí)真空泵抽到羅茨真空泵允許人口壓力時(shí)，羅茨真空泵才能開(kāi)始工作，并且在一般情況下，羅茨真空泵不允許高壓差時(shí)工作，否則將會(huì)過(guò)載和過(guò)熱而損壞，因此使用羅茨泵時(shí)必須合理地選用前級(jí)真空泵，安裝必要的保護(hù)設(shè)備。油擴(kuò)散泵（oildiffusionpump）盡管羅茨泵可以實(shí)現(xiàn)1×10-1Pa，甚至更高的真空度，但是仍然不能滿足我們石墨煅燒爐冷態(tài)6.67×10-3Pa，熱態(tài)6.67×10-2Pa的真空要求，因而我們?nèi)匀恍枰樗俑叩闹鞅脕?lái)獲得系統(tǒng)真空，能滿足這一要求的就是擴(kuò)散泵。概述油擴(kuò)散泵的工作原理是利用低壓、高速和定向流動(dòng)的油蒸氣射流抽氣的真空泵。這種泵的極限真空為10-4～10-5帕，工作壓力范圍為10-1～10-4帕，抽速范圍為幾萬(wàn)至十幾萬(wàn)升/秒。油擴(kuò)散泵是獲得高真空的主要設(shè)備，廣泛用于真空冶煉、真空鍍膜、空間模擬試驗(yàn)和對(duì)油污染不敏感的一些真空系統(tǒng)中。擴(kuò)散泵的結(jié)構(gòu)油擴(kuò)散泵主要由泵體、擴(kuò)散噴嘴、蒸氣導(dǎo)管、油鍋、加熱器、擴(kuò)散器、冷卻系統(tǒng)和噴射噴嘴等部分組成（見(jiàn)圖）。擴(kuò)散泵的工作原理當(dāng)油擴(kuò)散泵用前級(jí)泵預(yù)抽到低于1帕?xí)r，油鍋可開(kāi)始加熱。沸騰時(shí)噴嘴噴出高速的蒸氣流，熱運(yùn)動(dòng)的氣體分子擴(kuò)散到蒸氣流中，與定向運(yùn)動(dòng)的油蒸氣分子碰撞。氣體分子因此而獲得動(dòng)量，產(chǎn)生和油蒸氣分子運(yùn)動(dòng)方向相同的定向流動(dòng)。到前級(jí)，油蒸氣被冷凝，釋出氣體分子，即被前級(jí)泵抽走而達(dá)到抽氣目的。由于射流具有高流速（約200m/s），高的蒸氣密度，且擴(kuò)散泵油分子量大（300～500），故能有效地帶走氣體分子，氣體分子被帶往出口處再由機(jī)械泵抽走。擴(kuò)散泵油的凈化泵油的蒸氣壓直接影響泵的真空性能。但油擴(kuò)散泵所使用的任何泵油，都是蒸氣壓不同的多組分的混合物。因此，要提高油擴(kuò)散泵的抽氣和真空性能，泵在工作中自身還要對(duì)泵油進(jìn)行分餾和凈化。分餾目的是使高蒸氣壓組分的油不進(jìn)入高真空工作噴嘴（高真空端的噴嘴）；凈化目的是使高蒸氣壓組分的油在工作過(guò)程中不斷為前級(jí)泵所抽除，使油逐漸趨于純凈。泵油的分餾和凈化，對(duì)提高泵的極限真空有重要作用。

簡(jiǎn)單介紹：擴(kuò)散泵的返油擴(kuò)散泵的油蒸汽并不完全是放射性地沿泵腔向下運(yùn)動(dòng)，由于隨機(jī)的散射或帶方向性的放射，從噴嘴噴出的蒸汽有部分分子也向真空泵泵口方向移動(dòng)，這樣就形成了返流。油蒸汽的返流是擴(kuò)散泵系統(tǒng)的主要污染！為了減少返流，在噴嘴和被抽系統(tǒng)之間通常加上合適的捕集裝置；例如：加上水冷的捕集器，可以使返流降低50%，而同時(shí)泵的抽速也只是降低10%左右。但捕集返流的效率越高，對(duì)泵抽速的影響就會(huì)越大。例如：一個(gè)用水或液氮冷卻的幾乎可以完全捕集返流的裝置，可能會(huì)使抽速降低30%！為了克服以上問(wèn)題，新型油擴(kuò)散泵在泵口法蘭不變和不過(guò)分增大泵的外形尺寸條件下，在法蘭下部突出地?cái)U(kuò)大泵腔的斷面，其抽氣速率可增大20～40％。如在此裝設(shè)一個(gè)大直徑擴(kuò)散噴嘴和液氮冷卻的大直徑擋油帽等。泵可有通常泵（指沒(méi)有擴(kuò)大泵腔斷面的泵）的抽氣速率，并比較徹底地克服了泵的返油而獲得低于10-8帕清潔超高空。擴(kuò)散泵機(jī)組擴(kuò)散泵也不能單獨(dú)使用，它必須在一定的真空基礎(chǔ)上才能啟動(dòng)，通常是用機(jī)械泵和擴(kuò)散泵串聯(lián)組成機(jī)組。擴(kuò)散泵串聯(lián)真空系統(tǒng)的特點(diǎn)1、

擴(kuò)散泵串聯(lián)機(jī)械泵的真空系統(tǒng)一般用在工作時(shí)放氣量較小的應(yīng)用設(shè)備上。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，成本低。

2、它的缺點(diǎn)是系統(tǒng)啟動(dòng)慢，預(yù)抽氣時(shí)間長(zhǎng)，費(fèi)水、電，需要工作人員監(jiān)控開(kāi)關(guān)機(jī)。

3、由于擴(kuò)散泵油返流在泵開(kāi)始工作和停止加熱階段特別厲害，因此在開(kāi)泵前和停泵前將擴(kuò)散泵入口閥門關(guān)閉，可以防止泵油返流到真空室。4、擴(kuò)散泵串聯(lián)機(jī)械泵的真空系統(tǒng),缺點(diǎn)是擴(kuò)散泵油蒸汽容易返流到真空室中去.特別是發(fā)生停水

停電時(shí),立即使加熱器斷電,關(guān)閉入口閥門,防止泵油因溫度過(guò)高而惡化.會(huì)給機(jī)器帶來(lái)系統(tǒng)污染,造成返油.如果操作人員沒(méi)有馬上采取措施,后果很嚴(yán)重.導(dǎo)致系統(tǒng)要整體清洗以及鍍件失敗我們目前所涉及到的真空應(yīng)用一、直拉爐的真空要求一般國(guó)內(nèi)單晶硅爐負(fù)壓拉晶要求環(huán)境是（2.7~5.3）×103Pa（約10~20torr），即為

-97.3KPa～-94.7KPa顯示在壓力表上為-0.097