真空技术的基本知识

真空技术的基本知识第1页/共124页真空冶金学前言真空技术的发展史第一章真空技术的基本知识第二章金属真空蒸馏第三章有色合金中间产品的真空蒸馏分离第四章矿石及半成品的真空蒸馏第五章金属化合物的真空还原第六章高熔点金属的真空精炼第七章粉末材料的真空制备第八章金属表面处理第九章真空技术在冶金中的其他应用

第2页/共124页

真空冶金的应

用，是建立在真空

技术的进步和广泛使

用的基础上的。第3页/共124页第一章真空技术的基本知识1.真空的含义及表征1.1大气与真空1.2真空度的表征及单位1.3真空区域的划分2.真空的获得2.1

真空获得设备旋片泵

定片式真空泵往复泵罗茨泵

水环真空泵分子泵滑阀式真空泵油扩散泵

2.2真空泵的选型第4页/共124页第一章真空技术的基本知识3.真空测量及其设备3.1什么是真空测量3.2

真空计

3.3

全压力测量

3.4

分压力测量3.5

真空计校准4.真空系统4.1什么是真空系统4.2真空系统的典型形式4.3真空阀门4.4捕集器4.5真空系统设计

第5页/共124页第一章真空技术的基本知识5.真空系统漏气和检漏5.1

概述（基本概念）5.2

检漏方法5.3

检漏仪器5.4检漏方法的选择6.真空工程材料6.1材料的真空性能6.2真空系统对材料的要求6.3

常见的真空材料第6页/共124页真空的含义及表征

1.1大气与真空

（1）大气的性质

看不到、摸不着，无色，无味

每一升大气大约有1克多重

大气不但有一定的重量，而且它又是由各种不同气体组成的

（2）大气的压力

由分子这种热运动所引起的气体分子之间、气体分子与地球表

面及地球表面上任何物体之间的频繁碰撞的结果——产生大气压力（3）真空的科学含义

在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态或稀薄的气体状态。第7页/共124页真空的特点:（1）真空状态下的气体压力低于一个大气压；

（2）真空状态下气体的分子密度小于大气状态的气体分子密度，气体分子的自由程增大；（3）真空状态下由于分子密度的减小，因此作为组成大气组分的氧、氮等气体含量(也包括水分的含量)也将相对减少。大气压力（托）平均自由路程[厘米]大气压力（托）平均自由路程[厘米]7606.5×10-81×10-55×102105×10

–41×10-85×10515×10-31×10-115×1081×10-35×1001×10-165×1013

常温下大气分子平均自由程与大气压力的关系第8页/共124页常温下低压空间中大气的分子密度压力（托）大气分子密度（个/厘米3）压力（托）大气分子密度（个/厘米3）7602.5×10191×10-73.3×1092409.7×10181×10-83.3×1081003.3×10181.8×10-83.3×108103.3×10171×10-93.3×10713.3×10161×10-103.3×1061×10-13.3×10151×10-113.3×1051×10-23.3×10141×10-123.3×1041×10-33.3×10131×10-123.3×1031×10-43.3×10121×10-143.3×1021×10-53.3×10111×10-153.3×1011×10-63.3×10101×10-163.3×100第9页/共124页自然真空

人为真空

第10页/共124页真空度（degreeofvacuum）：

表示真空状态下气体的稀薄程度，通常用压力值来表示。

根据真空度定义，真空度最好用分子密度n表示，而以压力表示真空度与此并不矛盾

在一般真空系统中，通常以各向同性的中性气体的压力这一流体静力学的物理量表示真空度，因此，真空度的测量仅仅归结于压力的测量（注意测量条件）。（有限容器、静止、稳态及各向同性单一的中性气氛）

1.2真空度的表征及单位第11页/共124页真空度的其它表示方法自由程与真空度的关系第12页/共124页真空度的单位

根据气体分子对表面碰撞而定义的气体压力，是碰撞表面单位面积上所受的力，单位为“帕斯卡”(Pascal)，简称“帕”(Pa)。真空度百分数第13页/共124页真空单位换算帕（Pa）：国际单位；标准大气压：0℃下水银密度为13.595g*cm-3时，等于760毫米汞柱高的压强；第14页/共124页1.3真空区域的划分

划分依据：真空在技术上的应用特点、真空的物理特性、

真空获得设备和真空检测仪表的有效适用范围

（GB3163）

低真空1.33×105~1.33×102（Pa）

低真空这种气体状态与常压状态相比较，只有分子数目由多变少的变化，而无气体分子空间特性的变化,分子相互间碰撞频繁。

利用真空与大气之间的压力差所产生的力可实现真空在下述方面的力学应用。

具体应用：

1.真空吸引和输运固体、液体、胶体和微粒；

2.真空吸盘起重、真空医疗器械；

3.真空成型，复制浮雕；

4.真空过滤；

5.真空浸渍。第15页/共124页中真空1.33×102~1.33×10-1（Pa）

气体分子间，分子与器壁间的相互碰撞不相上下，气体分子密度较小。

利用气体分子密度降低可实现无氧化加热，利用气压降低时气体的热传导及对流逐渐消失的原理实现真空隔热和绝缘，利用压强降低，液体沸点也降低的原理实现真空冷冻及真空干燥。

具体应用：

1.黑色金属的真空熔炼，脱气、浇铸和热处理；

2.真空热轧、真空表面渗铬；

3.真空绝缘和真空隔热；

4.真空蒸馏药物、油类及高分子化合物；

5.真空冷冻、真空干燥；

6.真空包装、真空充气包装；

7.高速空气动力学实验中的低压风洞。第16页/共124页高真空1.33×10-1~1.33×10-5（Pa）

分子间相互碰撞极少、分子与器壁间碰撞频繁,气体分子密度小。利用气体分子密度小，任何物质与残余气体分子的化学作用微弱特点进行真空冶金、真空镀膜及真空器件生产。

具体应用：

1.稀有金属、超纯金属和合金、半导体材料的真空熔炼和精制；

常用结构材料的真空还原冶金；

2.纯金属的真空蒸馏精练；放射性同位素蒸发；

3.难熔金属的真空烧结；

4.半导体材料的真空提纯和晶体制备；

5.高温金相显微镜及高温材料实验设备的制造；

6.真空镀膜，离子注入．膜--刻蚀等表面改性；

7.电真空工业的电光管、离子管、电子源管、电子束管、电子

衍射仪，电子显微镜、x光显微镜，各种粒子加速器、能谱

仪、核辐射谱仪，中子管、气体激光器的制造；

8.电子束除气、电子束焊接，区域熔炼，电子束熔炼。第17页/共124页超高真空<1.33×10-5（Pa）

气体分子密度极低与器壁碰撞的次数极少，致使表面形成单分子层的时间增长，气态空间中只有固体本身的原子几乎没有其他原子或分子的存在。

利用气体分子密度极低与表面碰撞极少，表面形成单一分子层时间很长的原理实现表面物理与表面化学的研究具体应用：

1.可控热核聚变的研究；

2.时间基准氢分子镜的制作；

3.表面物理表面化学的研究；

4.宇宙空间环境的模拟；

5.大型同步质子加速器的运转；

6.电磁悬浮式高精度陀螺仪的制作。

第18页/共124页分子密度减小分子数减少抽走化学反应吸附结晶容积扩大2.真空的获得

第19页/共124页2.1真空获得设备

真空泵：利用机械、物理、化学或物理化学的方法对被抽容器进行抽气而获得真空的器件或设备。

某一封闭空间产生、改善和维持真空气体传输真空泵（机械真空泵）：利用机械运动(转动或滑动)以获得真空的设备

气体捕集真空泵：使气体分子被吸附或凝结在泵内表面上以获得真空的设备第20页/共124页A.气体传输真空泵（1）变容真空泵

ⅰ.往复式真空泵：活塞式真空泵

ⅱ.旋转式真空泵

1)油封式真空泵

（旋片式真空泵、定片式真空泵、滑阀式真空泵、余摆线真空泵等）

2)液环真空泵

3)干式真空泵

4)罗茨真空泵（２）动量传输泵

1)分子泵（牵引分子泵、涡轮分子泵

、复合分子泵

）

2)喷射泵

3)扩散泵

4）油增压泵(油扩散喷射泵)

5）离子传输泵

B.气体捕集式真空泵：

吸附泵、吸气剂泵、吸气剂离子泵、低温泵

第21页/共124页真空系统中不同作用的泵1、主泵：对被抽容器直接进行抽真空以获得满足工艺要求所需真空度的真空泵。2、粗抽泵：从大气压开始降低真空系统压强达到另一抽气系统可以开始工作的真空泵。3、前级泵：用于使另一个泵的前级压强维持在其最高许可的前级压强以下的真空泵。4、维持泵：当真空系统抽气很小时，不能有效的利用主要前级泵。为此，在真空系统中另配一种抽气速度较小的辅助前级泵来维持主泵的正常工作或维持已抽空的容器所需的低压的真空泵。５、增压泵：工作在低真空泵和高真空泵之间，用以提高抽气系统在中间压强范围的抽气量或降低前级泵抽气要求的真空泵。第22页/共124页被抽容器主泵粗抽泵前级泵大气主泵出口前级泵入口启动压力前级压力极限压力维持泵增压泵第23页/共124页

描述真空泵性能的参量抽气速率(体积流率):一定压力、温度下真空泵在单位时间内从被抽

容器中抽走的气体体积(单位：m3·s-1；L·s-1)极限压力（极限真空）:

泵的入口端经过充分抽气后所能达到的最

低的稳定的压力（单位：Pa）

起动压力:

泵无损坏起动并有抽气作用的压力。前级压力:

排气压力低于一个大气压力的真空泵的出口压力。最大前级压力:

超过了能使泵损坏的前级压力。

最大工作压力:

对应最大抽气量的入口压力。泵能连续工作而不恶

化或损坏。抽气量Q：单位时间内流经泵入口的气体流量（单位：Pa·m3·S-1；

Pa·L·S-1

）压缩比:

泵对给定气体的出口压力与入口压力之比。水蒸气允许量：它是指泵在正常环境条件下，气镇泵在连续工作时

能抽除的水蒸气质量流量。（单位：kg/h）第24页/共124页机械真空泵的规格及型号表示法

国产各种真空泵是由基本型号和辅助型两部分组成，两者中间为一横线。其表达型式为123—456。格中数字123表示基本型号，456表示辅助型号。

国产的各种机械真空泵的型号通常是用汉语拼音字母来表示(如下表所示)。汉语拼音字母表示泵的类型；字母前的数字表示泵的级数，单级时“1”省略；字母后边横线后的数字表示泵的抽速(L/S)。

某些真空泵系列对其抽气速率则以几何级数来分档。其单位是“L/S”。共分18个等级，分别为0.2，0.5，1，2，4，8，15，30，70，150，300，600，1200，2500，5000，10000，20000，40000。真空泵系列有时也可用泵的入口尺寸来表示，其单位是“mm”。

例：2X一70

表示双级旋片式真空泵,抽气速率为70L／S。第25页/共124页型

号名

称型

号名

称W

WY

WL

SZ

SZB

SZZ

XXDLK往复式真空泵

移动阀式往复泵

立式往复泵

水环泵

悬臂式结构水环泵

直联式水环泵

旋片式真空泵单级多旋片式真空泵溅射离子泵油扩散真空泵H

YZ

ZJ

ZJK

F

D

XZZSP滑阀式真空泵

余摆线真空泵

罗茨真空泵

真空电机罗茨真空泵

分子真空泵

定片式真空泵

直联式旋片泵油扩散喷射泵（油增压泵）升华泵水蒸气喷射泵常用真空泵的汉语拼音代号及名称第26页/共124页旋片泵slidingvanerotaryvacuumpump

油封式机械真空泵，其工作压强范围为101325~1.33×10-2（Pa）属于低真空泵，是真空技术中最基本的真空获得设备之一。旋片泵的工作原理示意图

第27页/共124页旋片泵可以抽除密封容器中的干燥气体，若附有气镇装置，还可以抽除一定量的可凝性气体。但它不适于抽除含氧过高的，有毒有爆炸性的，对金属有腐蚀性的、对泵油会起化学反应以及含有颗粒尘埃的气体。旋片泵可以单独使用，也可以作为其它高真空泵或超高真空泵的前级泵。第28页/共124页2X双级旋片式真空泵：由高压级与低压级二部分组成，可达到6×10-2pa，可单独使用，也可与增压泵、扩散泵、分子泵等超高真空泵连接在一起作为前级泵使用X系列单级旋片式真空泵：一种新型低真空获得设

备，能抽除一定量的水蒸

气，既可以做主泵，也可作

为罗茨真空泵的前级泵，配

成机组使用.第29页/共124页定片式真空泵

定片式真空泵抽速较小，有单级、双级之分，双级泵的极限真空可达10-1Pa。泵的结构简单、使用寿命较长和检修容易，但由于其工作性能不如旋片泵。第30页/共124页滑阀式真空泵rotarypistonvacuumpump

滑阀式真空泵的抽气原理与旋片泵相似，但两者结构不同。滑阀式真空泵是利用滑阀机构来改变吸气腔容积的，故称滑阀泵。

第31页/共124页

滑阀泵可分单级泵和双级泵两种，有立式和卧式两种结构形式。单级泵的极限压力为0.4～1.3Pa；双级泵的极限压力为6×10-2—10-1Pa。一般抽速超过150L*S-1的大泵都采用单级形式。这种泵可单独使用，也可作其它泵的前级泵用。

滑阀泵具有允许工作压力高(104Pa)、抽气量大、能在较恶劣环境下连续工作，经久耐用等突出优点，滑阀泵运转时的振动和操音较大，泵的振动影响真空系统的稳定。缩短泵的寿命，并对环境造成污染。此外,对于可凝性气体的抽除不利,须设置气镇阀或于冷凝器配套,或改为热泵。特点：第32页/共124页往复式真空泵(活塞式真空泵)pistonvacuumpump往复式真空泵工作原理图

1.气缸2.活塞3.曲柄连杆机构4.排气阀5.吸气阀第33页/共124页特点：

往复式真空泵为低真空获得设备，用以从内部压力等于或低于一个大气压的容器中抽除气体，被抽气体的温度一般不超过35℃。

往复泵的极限压力，单级为4×102～103Pa，双级可达1Pa。

往复泵有干式和湿式之分。干式泵只能抽气体，湿式泵可抽气体和液体的混合物，极限压力要比干式泵的高。

它与旋片式真空泵相比较，它能被制成大抽速的泵，主要缺点是结构复杂，体积较大，运转时振动较大等。其在很多场合可由液环式真空泵所取代。

第34页/共124页罗茨真空泵（简称罗茨泵）rootsvacuumpump

第35页/共124页罗茨泵的特点：无内压缩，在较宽的压强范围内有较大的抽速；高、中真空泵需要前级泵。极限真空除取决于泵本身结构和制造精度外，还取决于前级泵的极限真空；起动快，能立即工作；对被抽气体中含有的灰尘和水蒸气不敏感；转子不必润滑，泵腔内无油；振动小，转子动平衡条件较好，没有排气阀；驱动功率小，机械摩擦损失小；结构紧凑，占地面积小；运转维护费用低。分类：直排大气的低真空罗茨泵中真空罗茨泵（机械增压泵）高真空多级罗茨泵第36页/共124页水环真空泵

liquidringvacuumpump

第37页/共124页水环真空泵的特点真空度低，受工作液饱和蒸气压的限制。用水作工作液，极限压强只能达到2000~4000Pa。用油作工作液，可达130Pa。结构紧凑，泵的转数较高，可与电动机直联，无须减速装置。用小结构尺寸，可获得大排气量，占地面积小。泵腔内没有金属磨擦表面，无须对泵内进行润滑，而且磨损很小。转动件和固定件之间的密封可直接由水封来完成。吸气均匀，工作平稳可靠，操作简单，维修方便。效率低，一般在30%左右，较好的可达50%。可以抽除易燃、易爆的气体、带尘埃的气体、可凝性气体和气水混合物。第38页/共124页分子真空泵molecularpump

分子泵：动量传输泵在分子流区域内靠高速运动的刚体表面传递给气体分子以动量，使气体分子在刚体表面的运动方向上产生定向流动，从而达到抽气的目的。

1)牵引分子泵气体分子与高速运动的转子相碰撞而获得动量，被驱送到泵的出口。

2)涡轮分子泵靠高速旋转的动叶片和静止的定叶片相互配合来实现抽气的。这种泵通常在分子流状态下工作。

3)复合分子泵它是由涡轮式和牵引式两种分子泵串联组合起来的一种复合型的分子真空泵。

第39页/共124页牵引分子泵优点：起动时间短，在分子流态下有很高的压缩比，能抽除各种气体和蒸汽，特别适于抽除较重的气体。

缺点：抽速小，密封间隙太小，工作可靠性较差，易出机械故障等，因此除特殊需要外，实际上很少应用。牵引分子泵结构原理图第40页/共124页涡轮分子泵:

工作压力范围宽，在10-1

～10-8pa范围内具有稳定抽速；起动时间短，能抽除各种气体和蒸气；分子泵适用于在要求清洁的高真空和超高真空的仪器及设备上使用。也可用来作为离子泵、升华泵、低温泵等气体捕集超高真空泵的前级预抽真空泵使用。

注意：对不同种类气体的抽除效果不一样。1.动片2.定片3.进气口4.轴5.轴承6.排气口第41页/共124页复合式分子泵:

涡轮分子泵与牵引分子泵的串联组合，集两种泵的优点于一体，涡轮级主要用来提高泵的抽速，一般采用有利于提高抽速的叶片形状，级数在l0级以内。牵引级主要用来增加泵的压缩比，提高泵的出口压力。

泵在很宽的压力范围内(10-6

～1Pa)具有较大的抽速和较高的压缩比，大大提高了泵的出口压力。涡轮叶片与盘式牵引泵的串联组合涡轮叶片与筒式牵引泵的串联组合

第42页/共124页水蒸汽喷射泵hydro-steamejectorpump喷射器的结构示意和工作原理

水蒸汽喷射真空泵是有一定压力的工作水蒸气通过拉瓦尔喷嘴，减压增速以超音速在吸入室与被抽介质混合，携带被抽介质一起向前运动，进入扩压管减速增压，排至下一级喷射器或大气，从而在吸入室形成真空。第43页/共124页四级喷射泵结构示意图三级喷射泵五级水蒸汽喷射泵

第44页/共124页特点：(1)该泵无机械运动部分，不受摩擦、润滑、振动等条件限制，因此可制成抽气能力很大的泵。工作可靠，使用寿命长。只要泵的结构材料选择适当，对于排除具有腐蚀性气体、含有机械杂质的气体以及水蒸等场合极为有利。适用于有廉价的副产蒸汽或可利用的余汽、废汽的场合。

(2)结构简单、重量轻，占地面积小。(3)工作蒸汽压力一般为0.4～0.9MPa。第45页/共124页油扩散泵diffusionpump

工作压强范围为10-2～10-6pa

1.蒸汽流2.蒸汽流导管3.气相加热器4.水管5.前置导油管6.分馏槽7.加热器8.接机械泵9.接被抽容器10.气体11.泵壳12.泵液第46页/共124页

喷射速度要高，喷口级数要多。工作物质在常温时应是液体，并具有极低的蒸气压，油扩散泵必须用机械泵为前级泵，将其抽出的气体抽走，不能单独使用。在扩散泵和真空体系连接处安装冷凝阱，以捕捉可能进入体系的油蒸气。

第47页/共124页气体捕集式真空泵：

钛升华泵的抽气机理是化学吸附。升华器升华的钛沉积在冷的泵体壁面上，形成新鲜的钛膜，对氮、氧和一氧化碳等活性气体有比较强烈的吸附作用，并形成氮化钛、碳化钛和氧化钛等稳定的化合物，但对惰性气体和甲烷几乎不吸附。钛膜吸附气体只能是单分子层的，在已吸附气体分子的位置上不能再吸附气体。因此，钛升华器必须不断地升华，使泵体壁面上不断地沉积新的钛膜，才能达到连续抽气的目的。

第48页/共124页低温真空泵

(又称低温泵、冷泵、冷凝泵)是一种利用低温冷凝和低温吸附原理抽气的容积式真空泵，可获得无油高真空。极限真空10-7

～10-9Pa

抽速大：特别是对H2O、H2

等气体抽速很大，因而排气速度比其他真空泵快，大大提高产品产出量；

•

适应性强：真空腔内无运动部件，来自外界的干扰或来自真空系统的微粒不影响低温泵工作；

•

可以安装在任何方位；

•

运动部件少且低速运行，寿命长。

第49页/共124页2.2、真空泵的选择①真空泵的工作压强应该满足真空设备的极限真空及工作压强要求。②正确地选择真空泵的工作点（压强范围）。③真空泵在其工作压强下，应能排走真空设备工艺过程中产生的全部气体量。④正确地组合真空泵。⑤真空设备对油污染的要求。⑥了解被抽气体成分，气体中含不含可凝蒸气，有无颗粒灰尘，有无腐蚀性等。⑦真空泵排出来的油蒸气对环境的影响。⑧真空泵工作时产生的振动对工艺过程及环境有无影响。⑨真空泵的价格、运转及维修费用。第50页/共124页

常用真空泵的工作压强范围及起动压强真空泵种类工作压强范围（Pa）起动压强（Pa）活塞式真空泵1×105～1.3×1021×105旋片式真空泵1×105～6.7×10-11×105水环式真空泵1×105～2.7×1031×105罗茨真空泵1.3×103～1.31.3×103涡轮分子泵1.3～1.3×10-51.3水蒸气喷射泵1×105～1.3×10-11×105油扩散泵1.3×10-2～1.3×10-71.3×10油蒸气喷射泵1.3×10～1.3×10-2<1.3×105分子筛吸附泵1×105～1.3×10-11×105溅射离子泵1.3×10-3～1.3×10-96.7×10-1钛升华泵1.3×10-2～1.3×10-91.3×10-2锆铝吸气剂泵1.3×10～1.3×10-111.3×10低温泵1.3～1.3×10-111.3～1.3×10-1第51页/共124页各种泵可达到的压强范围主泵前级泵粗抽泵第52页/共124页各种冶金作业所需要的真空度（P×133.3，Pa）真空脱气：100~102感应熔炼：10-3~102电弧熔炼：10-3~100区域熔炼：10-9~10-2固态脱气、烧结：10-7~100蒸发及溅射镀膜：10-10~10-1真空蒸馏：10-6~5*10-1真空还原：10-5~3*101真空干燥、浓缩：10-3~10-1第53页/共124页3.1什么是真空测量？真空测量全压力测量分压力测量真空计校准真空度————压力真空度测量—————压力测量？？？测量真空度的仪器————真空计

3.真空度测量第54页/共124页

3.2真空计按真空度刻度方法分类:

绝对真空计（直接读取气体压力，与气体种类无关）

相对真空计（校准后才能刻度，由真空规管和测量器

组成，与气体种类有关）按真空计测量原理分类:

直接测量真空计：10~105Pa，测量压力

间接测量真空计：＜

10Pa，测量与压力有关的物理量的变化真空测量中可能的问题

近代真空技术所涉及的压力范围：19个数级(105～10-14Pa)

真空计的量程

寄生现象的存在

第55页/共124页

一些真空计的压力测量范围真空计名称测量范围(Pa)真空计名称测量范围(Pa)水银U型管105～10高真空电离真空计10-1～10-5油U型管104～1高压力电离真空计102～10-4光干涉油微压计1～10-2B-A计10-1～10-8压缩式真空计(一般型)10-1～10-3宽量程电离真空计10～10-8压缩式真空计(特殊型)10-1～10-5放射性电离真空计105～10-1弹性变形真空计105～102冷阴极磁放电真空计1～10-5薄膜真空计105～10-2磁控管型电离真空计10-2～10-11振膜真空计105～10-2热辐射真空计10-1～10-5热传导真空计(一般型)102～10-1分压力真空计10-1～10-14热传导真空计(对流型)105～10-1

第56页/共124页3.3全压力测量

totalpressuremeasureU型管真空计

弹性元件真空计

压缩式真空计热传导真空计

热阴极电离真空计

冷阴极电离真空计电容式薄膜真空计放射性电离真空计

磁悬浮转子真空计

第57页/共124页U型管真空计

绝对真空计测量范围：105～10Pa。。(1)开式U型管真空计：p测=p当地-（A-B）

(2)闭式U型管真空计：p测=0+（A-B）

（a）开式U型管真空计（b）闭式U型管真空计第58页/共124页U型管真空计玻璃管制成，其工作液体有多种，通常为水银。管的一端与待测压力的真空容器相连，另一端是封死的（预先抽至10-1Pa以下）或开口与大气相通，以U型管两端的液面差来指示真空度。

第59页/共124页弹性元件真空计

利用弹性元件在压差作用下产生弹性变形的原理

测量范围：粗真空(102～105Pa)。

结构和外形上与工业用压力表类似

弹簧管式膜盒式膜片式1-指针2-齿轮传动3-连杆4-弹簧管5-膜盒6-膜片7-接头8-外壳

第60页/共124页<1>合理选择量程。<2>不超过35℃使用，否则要校正。<3>压力表指针平稳后，才能读数<4>定期校验。真空度=1.01×105×（1-A/0.1）Pa真空表压力真空表第61页/共124页弹性元件真空表的主要特点：

(1)测量结果是气体和蒸气的全压力，并与气体种类、成分及其性

质无关；

(2)测量过程中，仪表的吸气和放气很小，同时仪表内部没有高温

部件，不会使油蒸气分解；

(3)测量精度较高；

(4)反应速度较快；

(5)结构牢固，选用适当材料能测量腐蚀性气体；

(6)是绝对真空计，精度0.5级以上的表可作为标准表。第62页/共124页压缩式真空计

麦克劳真空计(简称麦氏计)，绝对真空计

测量范围为102～l0-3Pa

可做为校准其它真空计的主要仪器。压缩真空计的特点是：

让被测真空系统的残留气体进入规内，然后加以压缩，比较压缩前后的体积和压力的变化，就可算出其真空度。VV11V1VV11V1VV11V1VV11V1P=k×△h2K=πd2/4VVV11V1VV11V1VV11V1VV11V1dP(v+v1)=(p+△h)V11第63页/共124页

工作用压缩真空计（简称座式真空计）是直接测量系统内真空度的仪器，它对真空度的测量是绝对测量，测量适用于低真空和高真空区域，测量的精度很高，可用作（1-10-3）Pa真空测量标准。第64页/共124页麦氏计特点(1)刻度与气体种类无关，这是对永久性气体而言。

(2)测量范围较宽，测量精度比较高，一般相对误差在

lO%左右。

(3)不能连续测量。每测量一次需升降水银一次，不能连续读数，操作费时。

(4)水银蒸气对人体有害。

PM-2型组合式麦氏真空表

第65页/共124页热传导真空计：粗真空和低真空测量

在一定的加热条件下，低压力下气体分子热传导与压力有关，相对真空计，须进行校准。

以气体分子对热丝的冷却能力作为压力的指示。热丝的温度T1是压力p的函数。热丝温度的测量方法：

(1)利用热丝随温度变化的线膨胀性质

(2)利用热电偶直接测量热丝的温度变化

(3)利用热丝电阻随温度变化的性质

膨胀式真空计热偶真空计电阻真空计（热敏电阻真空计）第66页/共124页

（相对真空计）气体种类的影响：

热传导真空计对不同气体的测量结果是不同的，这是由于不同气体分子的导热系数不同引起的。因此，在测量不同气体的压力时，可根据干燥空气(或氮气)刻度的压力读数，再乘以相应的被测气体相对灵敏度，就可得到该气体的实际压力，即

Preal=S×Pread

式中

Pread——以干燥空气(或氮气)刻度的压力计读

数，Pa

Preal——被测气体的实际压力，Pa

S——被测气体对空气的相对灵敏度。第67页/共124页热传导规对一些气体与蒸汽的相对灵敏度

气体或蒸气S气体或蒸气S空气1一氧化碳0.97氢0.67二氧化碳0.94氮1.12二氧化硫0.77氖1.31甲烷0.61氩1.56乙烯0.86氮2.30乙炔0.60第68页/共124页ZJ-51型热偶真空规管测量范围：65～0.1Pa

第69页/共124页热阴极电离真空计

工作原理：电子在电场中飞行时从电场获得能量，若与气体分子碰撞，将使气体分子以一定几率发生电离，产生正离子和次级电子。

在飞行路途中产生的正离子数，正比于气体密度n，在一定温度下正比于气体的压力p。因此，可根据离子电流的大小指示真空度。由灯丝加热提供电子源的电离真空计称为热阴极电离真空计。热阴极电离真空计由测量规管和电气测量电路(真空计控制单元和指示单元)组成。规管功能是把非电量的气体压力转换成电量——离子电流。第70页/共124页ZJ-27型宽量程热阴极电离规测量范围：4～1.0×10-5Pa

ZDR-27B电离真空计

测量范围:101～10-5Pa第71页/共124页电离真空计规管规管的基本结构主要包括三个电极：(1)提供一定数量电子流Ie的灯丝F(阴极)(2)产生电子加速场并收集电子流的阳极A(亦称电子加速极)；

(3)收集离子流Ii的离子收集极C(相对阴极为负电位)第72页/共124页使用注意：

测量上限（K值变化）

测量下限（本底电流）热阴极电离真空计分类：

(1)普通型电离真空计(1×10-1～l0-5Pa)；

(2)超高真空电离真空计(1×10-1～l0-8Pa，有的下

限为10-10Pa)；

(3)高压力电离真空计(102～10-3Pa)。

离子流Ii与气体压力p的关系：

Ii=K×Ie×p

式中Ie——发射电子流

K——规管系数，单位为Pa-1第73页/共124页传统型电离规相对灵敏度气体对N2相对灵敏度Sr气体对N2相对灵敏度SrH20.46CO21.53He0.17干燥空气1.0Ne0.25H2O0.9Ar1.31Hg3.4Kr1.98CO1.11Xe2.71HCl0.38N21.0CH41.26O20.95CCl40.70不同气体电离截面不同，所以电离规管系数K与气体种类有关，引入相对灵敏度Sr概念，Sr=K／KN2真实压力:

preal=pread/Sr

第74页/共124页冷阴极电离真空计

冷阴极电离真空计是靠冷发射(场致发射、光电发射、气体被宇宙射线电离等)所产生的少量初始自由电子，电子碰撞气体分子，有一部分为电离碰撞，电离后形成的正离子在阴极上打出的二次电子。电离过程连锁的进行，在很短时间内雪崩式地产生大量的电子和离子，这样就形成了自持气体放电(一般称为潘宁放电)，此放电电流与压力有关，用放电电流即可做为真空度的测量。

相对真空计测量误差较大

普通冷阴极电离真空计的压力测量范围1～10-5Pa。

第75页/共124页电容式薄膜真空计

根据金属弹性薄膜在压差作用下产生应变而引起电容变化的原理制成。

是一种绝对真空计

目前在计量部门可以作为低真空副标准真空计。测量范围为10-3～10Pa，具有灵敏度高、气体的介电常数不变、压力读数完全不受气体成分影响、反应速度快等特点。第76页/共124页放射性电离真空计

利用放射性同位素辐射出来的α粒子或α粒子对气体分子的电离作用制成。在一定压力范围内，电离所产生的离子流与气体压力的关系为：

Ii=Sp

测量范围为0.1～104Pa

与气体种类有关

磁悬浮转子真空计

根据磁悬浮转子转速的衰减与其周围气体分子的外摩擦有关的原理制成。标准真空计，测量范围为10-1～10-5Pa第77页/共124页

3.4分压力测量

partialpressurevacuummeasure

分压力真空计是专用的小型质谱仪器——真空质谱计,属于电离类型的，按原子离子或分子离子的质荷比进行分析，分三个阶段：

(1)在离子源中用电子碰撞的办法将气体电离。

(2)在质量分析器中利用磁偏转、共振、飞行时间不同等质量

分离技术，将离子按质荷比不同进行分离。

(3)检测器(或离子收集极)接收分离的离子，将离子流放大，在

显示装置上显示出每一质荷比的离子流强度。

质谱计的种类很多，可根据质量分析系统的工作原理来表征和命名。如：磁偏转质谱计、回旋质谱计、飞行时间质谱计、射频质谱计、谐振感应质谱计和四极质谱计等。第78页/共124页

四极滤质器的质量分离原理是基于不同质荷比的离子在高频和直流四极场中，运动轨迹稳定与否来实现的。在一特定的电压下，只有一种质量的离子可以通过，其余的离子都通不过，当直流电压和高频电压由小逐渐变大时，质量不同的离子，从质量小到质量大，依次地通过分析器达到收集极。因此，根据收集极离子流的变化，可以判断各种气体的成分和相对多少。它是近代残余气体分析器中最为流行的无磁滤质器，其性能指标较高。四极滤质器第79页/共124页3.5真空计校准

真空计校准:对相对真空计进行“刻度”。

什么情况下需要校准？

真空标准:绝对真空计

标准相对真空计(或副标准真空计)

绝对校准系统第80页/共124页绝对真空计：所有绝对真空计均可作为真空标准

（U型管、弹性元件和压缩式）标准压缩式真空计（压力范围5×10-３～10３Pa，各国真空

计量的基准器具）

标准相对真空计(或副标准真空计)：一种高稳定、高精度的相对真空计，它经过一等真空标准器具校准之后，可作为二等真空标准器具，对一般工作真空计进行校准。校准迅速校准压力范围宽

热阴极电离真空计电容薄膜真空计

绝对校准系统：以绝对真空计为基准，将经过压力衰减后精确计算出的再生低压力作为标准的真空计校准系统。膨胀法校准系统：U型管压力计校准下限延伸

第81页/共124页压力真空校验器

第82页/共124页真空计的选择原则

(1)在要求的压力区域内有要求的精度。

(2)被测气体是否会损伤真空计；真空计可否会给被测气体状态带来影响。

(3)能测全压力吗?可校准吗?灵敏度与气体种类有关否。

(4)可否连续指示、电气指示以及反应时间长短。

(5)稳定性、复现性、可靠性和寿命如何。

(6)还要看真空计的安装方法、操作性能、保修、管理、市场有无销售、购买的难易程度和规格如何。第83页/共124页4.真空系统

真空系统是由真空泵、真空测量装置、真空阀门、连接导管以及捕集器、除尘器、真空继电器规头等元件，经过精心组装而成的。4.1什么是真空系统第84页/共124页高真空系统

1-被抽容器2-真空测量规管3-主阀4-予真空管道阀5-前级管道阀6-连接管道7-放气阀8-前级泵9-主泵10-水冷障板第85页/共124页真空实验室一角第86页/共124页真空实验室一角第87页/共124页真空系统的分类

按真空系统抽气过程:

静态系统和动态系统按真空系统工作真空度的高低:

低真空系统、中真空系统、高真空系统和超高真空系统.按真空系统工作的清洁程度:

有油真空系统(真空室有油蒸气污染的)和无油真空系统(真空室无油蒸气污染的)。按真空系统的结构材料:

玻璃真空系统(除了机械真空泵以外全由玻璃制成)和金属真空系统。

在实际应用中，往往把上述不同的分类加以综合，称

为“大型动态金属高真空系统”、“无油超高真空系统”、

“玻璃高真空系统”等等。第88页/共124页4.2真空系统的典型形式

(1)低真空系统

(1.33×105～1.33×102Pa)

：

机械泵、水环泵等(2)中真空系统(1.33×102～1.33×10-1Pa)

:①油增压泵(主泵)+机械泵(前级泵)

②罗茨泵+机械泵

③罗茨泵+小型罗茨泵(中间泵)+机械泵

④油增压泵或罗茨泵+罗茨泵+机械泵

⑤油增压泵+罗茨泵+机械泵

⑥罗茨泵+水环泵第89页/共124页

(3)高真空系统

(1.33×10-1～1.33×10-5Pa):①扩散泵+机械泵

②扩散泵+油增压泵+机械泵

③扩散泵+罗茨泵+机械泵(4)超高真空系统(＜1.33×10-5Pa):

①扩散泵和钛泵并联（主泵）+扩散泵单独串联前级机械

泵（可达1.33×10-6Pa）

②扩散泵+扩散泵(中间泵)+机械泵

③分子泵+机械泵④钛泵或溅射离子泵+并联或串联分子筛吸附泵(无油超

高真空系统)⑤低温泵+串联或并联分子筛吸附泵(预真空泵)(无油超

高真空系统)第90页/共124页高真空油扩散泵机组

以罗茨+旋片机组作为预抽，以高真空油扩散泵为主机的高真空抽气设备,可获得10-1～10-4Pa的高真空环境。(5)真空机组:

由各种真空元件组合而成，是不带真空室的排气系统，目前国产机组有油扩散泵机组，油增压泵机组和罗茨泵机组。第91页/共124页罗茨往复真空机组

ZJ型罗茨泵做为主抽泵，往复真空泵做为前级泵组成的抽气机组

第92页/共124页罗茨旋片泵真空机组第93页/共124页4.3真空阀门（真空系统组成元件）

真空阀门:在真空系统中，用来改变气流方向，切断或接通管路，调节气流量大小，定量充气的真空系统元件.第94页/共124页对真空阀门的一般要求

①阀门的密封性能要好，阀板密封处的漏气率要小；

②阀板开启后应尽可能有较大的流导；

③阀门内所用材料应有较低的饱和蒸气压，高抗腐蚀性能和高化学稳定性、耐磨损、寿命长，超高真空阀门应能耐烘烤(400～450℃)；

④阀门结构要简单，开关轻便省力，有标志，传动机构在高压侧；

⑤真空阀门的型式、基本参数、连接尺寸和技术条件应按国家专业标准执行。第95页/共124页分类方法名称根据阀门的职能低真空阀门、高真空阀门、超高真空阀门根据结构塑式挡板阀、翻板阀，碟阀、隔板阀、闸阀、针阀、插板阀根据驱动方式手动阀、电动阀、手电两用阀、电磁阀、气动阀、液压阀

根据材料金属真空阀、玻璃真空活塞、塑料阀根据用途截止阀、隔离阀、放气阀、节流阀、换向阀、封闭送料阀根据通道方式脚阀、直通阀、双通阀、三通阀、四通阀真空阀门分类

第96页/共124页各类真空阀门

气动高真空蝶阀

通过电磁换向阀改变气路方向，控制执行气缸驱动蝶阀作启闭运动,体积小，结构简单

气动型高真空球阀

通过电磁换向阀改变气路方向，控制执行气缸驱动球阀

电磁高真空挡板阀

以电磁力为动力直接带动阀板动作，使阀门开启或关闭。

第97页/共124页真空电磁阀

以电磁力吸引衔铁，带动阀盖电磁真空带充气阀

真空插板阀

手柄带动阀杆上下运动使阀板开启或关闭

真空微调阀

供真空系统或流量装置系统中启闭或充入微量气体之用，以控制和调节系统内真空度

第98页/共124页4.4捕集器

捕集器:也称为阱，用来捕集真空系统中的可凝性蒸气。根据捕集器捕集蒸气的原理和方法不同，捕集器可分为

挡油帽

机械捕集器(又称挡板、障板、机械阱)

冷凝捕集器(又称冷阱)

吸附捕集器(又称吸附阱)

其它类型的捕集器(如钛升华阱、电捕集器，

热捕集器，离子捕集器等）

第99页/共124页常用冷剂的致冷温度和CO2、H2O、Hg蒸汽压冷剂105Pa下制冷温度℃饱和蒸汽压[Pa]CO2H2OHg冰0-6.1×1026.6×10-2含冰盐水-18-1×1024×10-4掺水氯化钙-48-5.35.3×10-5固体二氧化碳

丙酮混合物-788.9×1026.6×10-21.3×10-8液态氧-1831×10-41.3×10-191.3×10-30液态氮-1961.3×10-61.3×10-191.3×10-30液态氢-258

1.3×10-20第100页/共124页设计步骤

(1)明确真空装置的使用要求，包括真空装置的容积、极限

真空、工作压强、剩余气体的允许成分、使用周期、被抽气体成分及其温度、油污染对工件的影响、以及其它特殊

要求(振动、嗓音)；

(2)根据使用要求选择主泵及辅助泵；

(3)根据极限真空、工作压强、气体成分、测量反应时间、以及

监视真空度的主要部位要求，来选择真空测量仪器；

(4)绘制真空系统原理图；(5)计算真空泵的抽速、管路流导，从而确定各种真空元件的结

构尺寸；

(6)拟订真空装置检漏方案，(7)对于超高真空系统而言，需要制定系统烘烤措施；(8)大型真空装置需要拟出供水、供气、供电原理图；

(9)提出真空装置的控制要求。4.5真空系统的设计

第101页/共124页

主泵决定了被抽容器的极限真空度和工作真空度，而前级泵则在主泵出口处造成始终低于主泵的临界前级压力的真空度，保证主泵能正常工作。通常前级泵直接影响主泵的抽气性能，影响真空系统的抽气时间和经济效益。

选泵是指选择主泵而言，而配泵是指为主泵选配合适的前级泵或预抽泵。

选主泵要考虑两个方面，一是选择主泵的类型，二是确定主泵抽速的大小。

配前级泵：

(1)前级泵应保证能及时排出主泵所排出的气体流量。

(2)前级泵在主泵出口处造成的压强应低于主泵的最大排气压强。

(3)兼作预抽泵的前级泵应满足预抽时间的要求。

第102页/共124页

主泵类型的确定①根据被抽容器所要求达到的极限真空度和工作真空度

各种泵的工作压强范围；②根据被抽气体的种类，每种气体所占的比例以及气体中所夹杂的灰尘情况安装气镇装置；

③根据初次投资和日常运转维护费用。主泵抽速大小的确定被抽容器的工作真空度和其最大排气流量被抽容器的容积和所要求的抽气时间

S=2.303v/tLog(P1/P2)第103页/共124页〖真空系统选择〗低真空

105～10-1Pa

*干式旋片泵系统

*油封旋片泵系统

*水封泵系统

*旋片泵系统

*干式真空泵系统中真空10-1～10-3Pa*多级旋片泵系统

*罗茨泵系统

*多级旋片泵系统

*扩散泵系统

*干式真空泵系统

*吸附泵系统

高真空10-3～10-5Pa*扩散泵系统

*涡轮分子泵系统

*吸附泵系统

*低温泵系统

*离子泵系统

超高真空<10-5Pa*涡轮分子泵系统

*低温泵系统

*吸附泵

*涡轮分子泵系统

*低温泵系统

*离子泵系统第104页/共124页如果用旋片泵，使用时间长了以后，旋片泵也会产生少量的回油，要想得到洁净真空，最好考虑无油真空系统，且需要很快达到工作真空度可能有点困难，建议再加一个罗茨泵提高抽速。

某工艺要求设备具备10-3Pa以上的真空度，真空室的大小约为Φ700mmX700mm,要求在10～15分钟内达到真空度要求，而且真空室要求纯净。试分析该真空系统的构成。真空系统设计实例分析参考方案：（1）旋片泵＋扩散泵

扩散泵很容易回油，污染真空室，目前没有好的办法能够完全避免，扩散泵上安装水冷挡板通常是解决扩散泵回油的常用办法，但也不能完全避免回油，对真空度也会造成一点影响，达不到你的洁净真空的要求。（2）旋片泵＋涡轮分子泵第105页/共124页5.真空检漏真空检漏：检测真空系统的漏气部位及其大小的过程。基本概念：

漏气：气体通过系统上的漏孔或间隙从高压侧流到低压侧的现象，也叫实漏。

虚漏:是相对实漏而言的一种物理现象。是由于材料放气、解吸、凝结气体的再蒸发、气体通过器壁的渗透及系统内死空间中气体的流出等原因引起压力升高。

气密性：表征真空系统器壁防止气体渗透的性能，它包括通过漏孔(或间隙)的漏气和材质的渗气。5.1概述

第106页/共124页漏率：用等效流导或漏气速率表示漏孔的大小，即单位时间内流过

漏孔(包括间隙)的气体量。(单位:Pa×m3/S)最小可检漏率：某种检漏方法能够检测出的漏率的最小值。最佳灵敏度：检漏仪器在最佳条件下所能检测出的最小漏率。检漏灵敏度：在具体条件下，某种检漏方法所能检测出的最小

漏率。反应时间：从检漏方法开始实施(开始喷吹示漏气体)到指示方法(仪表)做出反应的时间。

消除时间：从检漏方法停止(停止喷吹且开始抽出示漏气体)到指

示方法的指示消失的时间。

第107页/共124页注意：用漏率表示漏孔大小时，如果不加特殊说明，则是指在漏

孔入口压力为1.01×105Pa，出口压力低于1.33×103Pa，

温度为296±3K的标准条件下，单位时间内流过漏孔的露点

温度低于248K的空气的气体量。漏率的单位是帕斯卡×立

方米／秒，记为Pa×m3／s。为了方便，有时用帕斯卡×

升／秒，记为Pa×L／s。

最大容许漏率

：真空系统漏气是绝对的，不漏气是相对的。在真空检漏技术中所指的“漏”是和最大容许漏率的概念联系在一起的。对于动态真空系统，只要其平衡压力能够达到所要求的真空度，这时即使存在着漏孔，也可以认为该系统的漏率是容许的，该情况下系统的漏率称为最大容许漏率。

不同设备的最大容许漏率是不一样的。第108页/共124页第109页/共124页其它检漏法：被检件既不充压也不抽真空，或其外部受压等方法归入其它检漏法。（背压法）5.2检漏方法充压检漏法：在被检件内部充入一定压力的示漏物质，如果被检件上有漏孔，示漏物质便从漏孔漏出，用一定的方法或仪器在被检件外部检测出从漏孔漏出的示漏物质，从而判定漏孔的存在、位置及漏率的大小。真空检漏法：被检件和检漏器的敏感元件处于真空状态，在被检件的外部施加示漏物质，如果有漏孔，示漏物质就会通过漏孔进入被检件和敏感元件的空间，由敏感元件检测出示漏物质，从而可以判定漏孔的存在、位置和漏率的大小。第110页/共124页检漏方法工作条件现象设备最小可检漏率(Pam3／s)备注水压法

漏水人眼10-3～100-4

压降法充3×105Pa空气压力下降压力计1×10-3

听音法同上咝咝声人耳5×lO-3可用听诊器超声法同上超声波超声波检测器1×10-3

气泡法同上水中气泡人眼10-5～10-6

同上水中气泡人眼10-924h积累同上涂沫肥皂液发生皂泡人眼1×10-5

充压检漏法第111页/共124页氨气检漏法充3×105Pa氨气溴代麝香草酚兰试带变色人眼10-7观测20s同上溴酚兰试纸变色人眼10-1124h积累充2.5×105Pa氨气复合涂料显色人眼10-81.5小时积累卤素检漏仪吸嘴法充卤素气体检漏仪读数变化伴有音响卤素检漏仪10-6～10-10可与空气混合充入放射性同位素气体法充放射性气体计数器信号变化闪烁计数器1×10-7

氦质谱检漏仪吸嘴法充氦气检漏仪读数变化伴有音响氦质谱检涌仪10-8～10-10

气敏半导体检漏仪法充气敏气体检漏仪读数变化气敏半导体检漏仪

充压检漏法第112页/共124页真空检漏法检漏方法工作压力[Pa]现象设备最小可检漏率[Pam3／s]静态升压法

抽真空后封闭，压力上升真空计10-5～10-6放电管法

放电颜色改变放电管10-3～10-4高频火花检漏器法103～10-1亮点，放电颜色改变高频火花检漏器10-3～10-4氢钯法7×101～10-5氢气通过钯管进入真空规，读数变化钯管，电离计10-7～10-11离子泵检漏法10-5～10-7

示漏物质使离子流变化离子泵10-9～10-12