真空系统的组成与分类
1 真空系统的型式
用于满足某种工艺要求，能够获得并测量有特定要求真空度的系统称真空系统。
一个较完善的真空系统由真空室、所需的真空泵或真空机组、真空测量装置、连接导管、真空阀门、捕集器、及其它真空元件及电气控制系统构成。典型的真空系统如图5-1及5-2所示。
▲ 图5-1 典型真空系统原理图1：1-真空室放气阀 2-电离真空规 3-热偶真空规 4-流量调节阀 5-高真空阀 6-扩散泵 7-储气罐 8-热偶规管（测扩散泵前级压力） 9-前级真空阀 10-压力传感器 11-预抽阀 12-罗茨真空泵 13-旁通阀 14-电磁放气阀 15-机械真空泵
▲ 图5-2 典型真空系统原理图2：1-真空室 2-电离真空规 3-热偶真空规 4-放气阀 5-高真空阀 6-冷阱 7-扩散泵 8-前级真空阀 9-电磁放气阀 10-机械真空泵 11-预抽阀
真空系统按其工作压力进行分类，可分为：1）粗真空系统（工作压力大于1330Pa）；2）低、中真空系统（工作压力在1330~0.13Pa）；3）高真空系统（工作压力在0.13~1.3×1-6Pa）；4）超高真空系统（工作压力在1.3×10-6Pa～1.3×10-10Pa）；5）极高真空系统（工作压力低于1.3×10-10Pa）。
按真空系统所要求的清洁程度可分为：1）有油真空系统（真空室有油蒸汽污染）；2）无油真空系统（真空室无油蒸汽污染）。
2 真空机组
真空机组是将真空泵与相应的真空元件按其性能要求组合起来构成的抽气装置。其特点是结构紧凑，安装使用方便。
真空抽气机组按工作压力范围可以分为低真空抽气机组、中真空机组、高真空机组、超高真空机组、无油真空机组等。真空机组的名称以主泵命名，如：扩散泵机组、分子泵机组等。
1 低真空抽气机组
低真空抽气机组的工作压力范围约在1330Pa～100Pa之间，其主要特点是工作压力高、排气量大，但抽速比中、高真空机组低。多用于真空室的粗抽以及放气量很大、工作压力又高的真空输送、真空浸渍、真空过滤、真空干燥、真空脱气（钢水处理）等装置中。
低真空抽气机组的主泵常用往复式真空泵、油封式机械泵、干式机械泵、水喷射泵、水蒸汽喷射泵、水环泵，分子筛吸附泵、湿式罗茨泵等。一般情况下，低真空机组中的主泵均能直接排大气。使用低真空抽气机组，还需要根据被抽气体的清洁程度、湿度或其他特殊要求，配置必要的除尘器、水气分离器、油水分离器、干燥或挡油阱等部件。
A 油封机械泵机组抽除可凝性气体的措施
油封机械泵不适于抽除含有大量水蒸汽的气体。水蒸汽在压缩过程中会凝结成水滴，并与泵油混合形成悬浮液，破坏泵的抽气性能，使泵的真空度下降。一般采取的措施有：使用带有气镇装置的油封机械泵，并使泵的工作温度控制在75～90℃之间，以减少气镇阀负担；在机组中安装水汽分离器或油水分离装置，将混有水的机械泵油进行处理，处理过的油再进入泵中使用；使用各种干燥吸附剂做成捕集阱吸收水蒸汽；使用各种冷凝器或冷阱，不仅能有效地吸附水蒸汽，同时还可阻挡机械泵的油蒸汽向真空室的返流。
B 常用低真空机组型式
图5-3为油封机械泵低真空机组，图5-4为油封机械泵加上挡油阱的抽气机组，适用于化学气相沉积装置、真空包装、医药工业等领域。
▲ 图5-3 油封机械泵低真空机组：1-机械泵 2-放气阀 3-热偶规 4-管道阀
▲ 图5-4 有挡油阱的低真空室机组：1-机械泵 2-放气阀 3-挡油阱 4-热偶规 5-管道阀
图5-5为由双级水环泵和大气喷射泵串联组成的低真空机组，机组的极限压力为1300Pa。工作时，先开动水环泵，以获得大气喷射泵所需的预真空，使大气喷射泵的进气口与出气口之间有压力差，大气便通过喷射进入泵内形成高速运动气流，将被抽气体吸入，经扩压器到前级被水环泵排走。
该机组适用于真空蒸发、真空浓缩、真空浸渍、真空干燥、真空冷冻等工艺过程。
▲ 图5-5 双级水环泵—大气喷射泵机组：1-水环泵 2-止回阀 3-管道阀 4-大气喷射泵 5-空气进入阀 6-排气阀7-气水分离器 8-排水口
2 中真空抽气机组
中真空机组的工作压力范围约在100Pa～0.1Pa之间，其常用的主泵有油增压泵、机械增压泵等，机组适用于需要大抽速和获得低、高真空的各种真空系统中。可广泛用于镀膜机、真空冶炼、真空热处理、化工、医药、电工、焊接等行业。
A 罗茨泵－油封机械泵机组
图5-6是以罗茨泵为主泵，油封机械泵为前级泵的中真空获得设备，整套机组可安置在一个机架上，结构紧凑，使用方便。
▲ 图5-6 罗茨泵加油封机械泵机组：(a)通过罗茨泵腔预抽的机组 (b)带旁通预抽管路的机组
▲ 图5-7 罗茨泵加水环泵机组：(a)通过罗茨泵腔预抽的机组 (b)带旁通预抽管路的机组
可选择ZJ型普通罗茨真空泵作为机组的主泵，也可选用带旁通压差阀的罗茨泵，前者须在系统被前级泵抽到罗茨泵允许的起动压力时才能起动主泵工作。后者由于罗茨泵带旁通压差阀，所以罗茨泵可在较高的入口压力时运转而不发生过载和过热现象，因此主泵可以在前级泵工作后，根据系统的实际情况来决定它的起动压力。对于小型机组，还可以两泵同时起动，以加大抽速和缩短抽气时间。
B 罗茨泵—水环泵机组
图5-7为ZJ型罗茨泵加上水环泵机组，它适合抽除含有大量水蒸气的气体，如真空浓缩、真空干燥，特别适宜于弱酸气体及含有少量细微粉尘气体的抽除。
C 双罗茨泵为主泵的中真空机组
为了提高真空机组的抽气性能，达到较低的极限压力和改善在低入口压力时的抽速特性及对大型真空机组配用较小规格的前级泵，可以组成由二个ZJ型罗茨泵串联作为主泵的三级抽气机组，如图5-8、5-9所示。
▲ 图5-8 两级罗茨泵加油封机械泵机
▲ 图5-9 双级罗茨泵加水环泵机组
图5-10为两级ZJ型罗茨泵和一级水环泵（极限压力P0=6700Pa）及气镇式油封机械泵联合组成的真空机组，其极限压力可达10-2Pa。当需要大量抽除水蒸汽时，关闭阀门8，用水环泵做粗抽泵和前级泵，当水蒸汽分压达到300~1300Pa后，关闭阀5，打开阀8，用气镇式机械泵做前级泵。
▲ 图5-10双级罗茨泵加水环泵及油封机械泵复合机组：1-冷凝器 2-ZJ600罗茨泵 3-ZJ150罗茨泵 4-粗抽泵 5-前级阀1 6-ZSK3水环泵 7-2H70滑阀泵 8-前级阀2
3 高真空抽气机组
高真空抽气机组在分子流状态下工作，与低真空机组相比，其特点是工作压力较低（10-2～10-6Pa）、排气量小、抽速大。机组的主泵通常为扩散泵、扩散增压泵、分子泵、钛升华泵、低温冷凝泵等。这些泵不能直接对大气工作，因此需要配置预抽泵和前级泵、有些扩散泵高真空抽气机组还配有前级维持泵或贮气罐，以防止系统内的气压波动，改善机组的抽气性能。
A 预抽泵
预抽泵（粗抽泵）主要用来抽除真空室中的大量气体，使真空室内的气体压力由大气压力降到主泵能够启动工作时的真空度，因此，要求预抽泵所达到的压力要小于主泵的启动工作压力，机组所选用预抽泵的抽速大小由粗抽时间决定。为了提高真空机组的利用率，预抽泵可以兼做前级泵用，两种不同抽气功能之间靠真空阀门来分隔和切换。
B 维持泵
由于扩散泵和油增压泵起动时间长，在周期性操作的真空设备中，当真空室装料和卸料的时候，往往为了缩短工作周期而不停止主泵，将高真空阀门和前级管道阀门关闭，使主泵仍处于工作状态。由于阀门等总是有极少量的漏气以及阀门和泵内的表面放气，经过一定时间后，主泵泵腔内的压力增加，超过泵工作液的最大允许压力而使泵油蒸气氧化。为了解决这个问题，一个办法是用前级泵继续抽出主泵中的气体，但此时主泵内排出的气体量很小，出现前级泵大马拉小车，浪费能源。为此可采用另一个办法，停止前级泵工作，关闭前级管道阀门，在主泵出口处设置维持泵或储气罐，这样就可以保证即能排出主泵内的气体，又可以节省能源消耗。储气罐不能做得很大，它只能用在以扩散泵为主泵的小型真空机组上。而维持泵可用在配置大型主泵的真空机组中。
C 贮气罐
小型扩散泵高真空抽气机组通常配置有贮气罐，设置在扩散泵和前级泵之间，贮存扩散泵排出的气体，设置贮气罐的原因有：
1）系统防震的需要
真空系统工作时，某些工艺过程要求严格防震，因此需要在真空室处在工作状态中时，前级机械真空泵在一段时间内停止工作。在这段时间内，扩散泵排出的气体全都贮存在贮气罐中，用贮气罐代替机械泵维持扩散泵的正常工作。
2）为了缩短工作周期
有些生产工艺要求在不关闭扩散泵加热器的情况下，真空室放进大气换取元件、装料。而真空机组的前级泵兼做预抽泵用。装料后，用机械泵预抽真空室，在这段时间内利用贮气罐来维持扩散泵工作（作为前级泵用）。
3）为防上真空室内瞬时大量放气影响扩散泵正常工作
真空工艺生产中的某段时间内放气量特别大，但时间短。若按此时的最大排气量配前级机械泵很不经济，此时可在系统中配置前级贮气罐，在最大放气量时贮存一部分气体，以避免扩散泵的前级压力超过最大反压力。
4）用于稳定扩散泵出口压力
由于机械真空泵的排气是脉冲的，虽然频率不高（一般为7次／s左右），但是也会引起扩散泵出口压力的波动，设置贮气罐可减少这种波动。
4 超高真空抽气机组
超高真空机组工作在10-6～10-10Pa的超高真空压力范围，除了要求真空室的材料出气率很低、漏气率很小、能经受200～450℃高温烘烤外，对机组的要求还有：
（1）主泵的极限真空度要高，至少在10-7～10-8Pa以上；
（2）在超高真空的工作压力范围内主泵具有一定的抽速；
（3）机组的主泵或主泵进气口以上部分能承受200～450℃的高温烘烤；
（4）来自主泵的返流气体（包括工作液蒸汽及解析的气体）的分压力要足够低；
（5）对被抽气体选择性强的主泵，要配备足够大的辅助泵；
（6）机组主泵进气口以上的管道、阀门等部件，材料的选择和密封要特别慎重。一般采用出气率较低的不锈钢和采用金属密封结构和密封材料。
3 典型真空系统
1 粗真空系统
用粗真空泵（如水蒸汽喷射泵或水环泵）直接为真空室排气，组成的真空系统即为粗真空系统（如图5-11所示）。该系统是最简单的真空系统。
▲ 图5-11 粗真空系统：1-被抽容器 2-真空表 3-连接管路 4-真空阀门 5-粗真空泵
2 低真空系统
用低真空机组（如油封式机械泵机组）给真空室排气，即可组成低真空系统。
3 中真空系统
中真空系统的抽气系统是由中真空抽气机组组成的。
A 油增压泵串联机械泵组成的真空系统
该系统的工作压力范围为1.33～1.33×10-1Pa。其优点是系统简单，抽气能力大，振动小，工作稳定可靠，维修方便。缺点是预抽时间比罗茨泵系统长。
B 罗茨泵串联机械真空泵的真空系统
该系统的工作压力范围为1.33～1333Pa。优点是抽气能力大，启动快，预抽时间短。缺点是工作时噪音较大。图5-12为这种真空系统的典型示意图。
▲ 图5-12 离子渗碳及淬火炉的真空系统：1-渗碳室 2-除尘器 3-气动阀 4-罗茨泵5-粗抽阀 6-压差放气阀 7-前级机械泵 8-维持机械泵
C 罗茨泵串联小型罗茨泵（中间泵），再串联机械泵的真空系统
系统的工作压力范围为0.133～1333Pa。该系统不但具备了罗茨泵系统的特点，而且加宽了工作压力范围和最佳压缩比。
D 罗茨泵串联水环泵的真空系统
该系统适合于排出灰尘较多的应用设备上。
4 高真空系统
高真空系统应用较广泛，它的工作压力范围一般在1.33×10-2～1.33×10-3Pa。常用的抽气系统有：
（1）扩散泵串联机械泵的真空系统。如图5-2所示，此系统可以获得10-2～10-5Pa的真空度，一般用在工作时放气量比较小的应用设备上。该系统的结构简单，工作可靠，成本低。缺点是系统启动慢，预抽时间长。扩散泵的油蒸汽容易返流到真空室中去。
（2）扩散泵串联油增压泵，再串联机械泵的真空系统。该系统的预抽时间短，但启动较慢。
（3）扩散泵串联罗茨泵，再串联机械泵的真空系统。它的启动慢，但预抽气时间短。
5 超高真空系统
A 扩散泵串联机械泵串联冷阱系统
图5-13即是该真空系统，扩散泵串联两个液氮冷阱，而且真空室和冷阱6能耐400～450℃的烘烤。在此温度下，可以清除真空室壁及冷阱壁上吸附的气体及凝结的泵油。该系统一般可以得到1.33×10-7Pa的极限真空度。
▲ 图5-13 油扩散泵超高真空系统：1-真空室 2-热偶真空计 3-B-A真空计 4-放气阀5-超高真空阀 6,7-冷阱 8-电离真空计 9-扩散泵 10-前级管道阀 11-前级阱 12-电磁阀 13-机械泵 14-超高真空管道阀 15-烘烤装置
B 涡轮分子泵串联机械泵的真空系统
图5-14为该系统。此系统不烘烤可以获得10-6Pa的真空度，烘烤后的真空度可以达到10-8Pa。该系统的特点是比较清洁，可构成无油超高真空系统。
▲ 图5-14 涡轮分子泵超高真空系统：1-真空室 2-热偶真空计 3-B-A真空计 4-超高真空阀 5-涡轮分子泵 6-前级泵 7-电磁阀 8-机械泵
C 溅射离子泵无油超高真空系统
图5-15为该系统原理图。以溅射离子泵为主泵，使用两个分子筛泵做预抽泵，其中一个分子筛泵用来抽走真空室和溅射离子泵中的大气压下的气体，另一个用来抽走烘烤及离子泵启动时放出来的气体。
▲ 图5-15 溅射离子泵无油超高真空系统：1-真空室 2-B-A真空计 3-超高真空阀 4-超高真空闸阀 5-溅射离子泵 6-高真空阀 7-分子筛泵 8-热偶真空计
D 低温泵无油超高真空系统
用低温泵做为主泵，并联或串联分子筛吸附泵（做预抽真空泵）。该真空系统也可以用机械泵做为预真空泵，但必须在机械泵的入口管路上设置油蒸汽捕集器。
E 组合超高真空系统
对于某些有特殊要求的真空系统，如对于既要求得到超高真空或无油超高真空，又同时满足粗抽需要及能应付工艺过程中放出来的大量气体这样的系统，可采用组合式系统来满足要求。图5-16给出无油超高真空镀膜机真空系统原理图。主泵为溅射离子泵，为了提高真空度及排走蒸发材料时产生的大量气体，配有钛升华泵。极限真空度可达6.67×10-7Pa。用分子筛泵做主泵的预抽泵。此外，系统还配有吸附阱－机械泵粗抽系统，在压力大于1333Pa时，机械泵不易返油，用机械泵直接对真空室抽真空，当真空室的压力低于1333Pa以后，机械泵经吸附阱9从旁路抽真空室。
▲ 图5-16 无油超高真空镀膜机真空系统原理图：1-真空室 2-超高真空闸阀 3-溅射离子泵 4-钛升华泵 5-超高真空阀 6-放气阀 7-高真空阀 8-分子筛泵 9-吸附阱 10-机械泵
▲ 图5-17 组合超高真空系统：1-真空室 2-超高真空闸阀 3-溅射离子泵-钛升华泵组 4-超高真空闸阀 5-冷阱 6-扩散泵 7-前级管道阀 8-超高真空管道阀 9-放气阀 10-机械真空泵
图5-17给出了又一种型式的组合超高真空系统。该系统适合于真空封接炉、钽片炉等设备。系统的主泵为溅射离子泵—钛升华泵组。真空室极限真空可达到5×10-7Pa。系统配有油扩散泵－机械泵组成的机组，用来粗抽和作为主泵的预抽泵，同时能抽走工艺过程中放出来的大量气体。
*未完待续，下一讲：《真空系统的安全防护》
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