1、真空系統(tǒng)組成元件,東北大學(xué),真空系統(tǒng)設(shè)計之六,2,真空系統(tǒng)組成元件,真空泵 真空測量與控制器件 1. 真空閥門 2. 連接導(dǎo)管 3. 捕集器 4. 其它組成元件,3,4,1 真空閥門,1.1 概述 1.2 真空閥門的典型結(jié)構(gòu) 1.3 真空閥門的設(shè)計,5,1.1 概述 真空閥門： 在真空系統(tǒng)中，用來改變氣流方向，調(diào)節(jié)氣流量大小，切斷或接通管路的真空系統(tǒng)元件。 真空閥門的型號編制方法國家專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作了規(guī)定,可查閱有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。 JB/T7673-1995 真空設(shè)備型號編制方法 JB/T6446-2004 真空閥門 例：GDQ-J320,6,7,真空閥門在系統(tǒng)中的作用 開關(guān)氣路: 控制氣流流動路線 控制氣

2、流大小，調(diào)節(jié)真空度： 定量充氣：,8,真空閥門的分類 通常按閥門的職能、結(jié)構(gòu)型式、驅(qū)動方式、材料和用途進行分類，見表1.,9,1.2真空閥門的典型結(jié)構(gòu),隔膜閥 真空球閥 真空蝶閥 插板閥 擋板閥 翻板閥,電磁閥 針閥 超高真空閥 玻璃真空活塞 無油玻璃真空閥,10,隔膜式真空閥 利用閥桿將彈性體薄膜緊壓在閥座上用來隔斷氣路。 如圖3所示,轉(zhuǎn)動手輪可帶動閥桿上、下移動,使隔膜離開閥座打開閥門或使隔膜緊壓在閥座上關(guān)閉閥門。 此種閥門如采用丁晴橡膠隔膜,適用于前級和預(yù)抽管道上及溫度為-2580的非腐蝕性氣體。如采用氟橡膠隔膜,可用于高真空系統(tǒng),使用溫度范圍為-30150。,11,12,13,真空球閥

3、 圖4所示是真空球閥的結(jié)構(gòu),該閥中的密封機構(gòu)是由兩個環(huán)狀彈性體緊壓于一個金屬球表面構(gòu)成。金屬球上有一個大穿孔,借助于手柄轉(zhuǎn)動金屬球使穿孔改變方向,即可接通或切斷氣路。金屬球軸桿與閥體間的密封采用O形密封圈密封。,14,15,手動,電動,氣動,16,真空蝶閥 蝶閥的結(jié)構(gòu)比較簡單,如圖5所示。閥板的邊緣上嵌有O形密封圈,閥板靠螺栓固定在傳動軸閥桿上,使閥桿帶動閥板轉(zhuǎn)動,當(dāng)閥板上的密封圈與閥體緊密接觸時即實現(xiàn)了閥門的關(guān)閉,從關(guān)閉位置、閥板再轉(zhuǎn)動90時,閥門即完全打開,該種閥門的主要優(yōu)點是體積小,結(jié)構(gòu)簡單。,17,18,電動,手動,氣動,19,插板閥 圖6和圖7是插板閥的兩種結(jié)構(gòu)型式。彈性體密封圈是嵌

4、在閥體上。轉(zhuǎn)動手柄即可打開或關(guān)閉閥門。圖6的插板閥關(guān)閉時是靠限位塊的斜面壓緊閥蓋,進而壓緊密封圈。圖7的插板閥是靠鏈板壓緊實現(xiàn)閥口密封。,20,21,手動,電動,氣動,22,擋板閥 圖8是一種擋板閥的結(jié)構(gòu)。該閥通過閥蓋的開啟和壓下來實現(xiàn)管路的接通和截止。,23,24,電動,手動,氣動,25,翻板閥 圖9、10、11是三種不同結(jié)構(gòu)的真空翻板閥。它們都是用壓縮空氣為動力源。在閥門打開或關(guān)閉的過程中,閥板的運動有一個翻轉(zhuǎn)過程,能翻轉(zhuǎn)一個角度。在圖10的結(jié)構(gòu)中,靠滾輪將閥蓋擋翻,在這種結(jié)構(gòu)的閥門中,閥蓋不能翻轉(zhuǎn)90。圖9的結(jié)構(gòu),閥蓋的翻轉(zhuǎn)靠四連桿機構(gòu)實現(xiàn),閥蓋能實現(xiàn)90翻轉(zhuǎn)。圖11的翻板閥是蚌線機構(gòu)。

5、這種閥門結(jié)構(gòu)簡單,總高度低,閥板能翻轉(zhuǎn)90,是我國1971年首創(chuàng)的。在翻板閥中,閥板翻轉(zhuǎn)90時,流導(dǎo)較大。,26,27,28,29,30,電磁閥 真空閥門的驅(qū)動方式為磁力驅(qū)動的即為電磁閥。電磁真空閥的密封機構(gòu)與擋板閥相同,如圖12所示。平時,電磁閥的閥蓋靠彈簧壓緊封住管路通道,需要開啟時,將電磁線圈接通電流,磁力即吸引銜鐵,帶動閥蓋,將閥門打開。有的電磁真空閥設(shè)計成帶充氣的,稱為電磁真空帶充氣閥,是專門安裝在油封式機械泵入口管路上的專用閥門。閥門與泵接在同一電源上,泵的啟動與停止直接控制了閥的開啟與關(guān)閉。當(dāng)泵停止工作或電源突然中斷時,閥能自動將真空管路封閉,并將大氣通過泵的進氣口充入泵腔,避免

6、泵油返流污染真空系統(tǒng)。,31,32,33,針閥 圖13是一個超高真空針閥。針閥是一種微調(diào)閥,其閥塞為針形,主要用作調(diào)節(jié)氣流量。微調(diào)閥要求閥口開啟逐漸變大,從關(guān)閉到開啟最大能連續(xù)細(xì)微地調(diào)節(jié)。針形閥塞即能實現(xiàn)這種功能。針形閥塞一般用經(jīng)過淬火的鋼制長針,而閥座是用錫、銅等軟質(zhì)材料制成。閥針與閥座間的密封是依靠其錐面緊密配合達(dá)到的。閥針的錐度有150和6錐角兩種,錐表面要經(jīng)過精細(xì)研磨。圖中的閥桿與閥座間的密封是靠波紋管實現(xiàn)的。,34,35,超高真空閥 通常的高、低真空閥門,密封墊圈的材料為橡膠,不能承受高溫烘烤。因而不能使用在超高真空設(shè)備上。能使用在超高真空設(shè)備上的超高真空閥門必須滿足:(1)能承受高

7、溫(400450)多次烘烤;(2)放氣量小,氣密性好;(3)重復(fù)性好;(4)流導(dǎo)大。 圖14是超高真空閥門的一種。其主要部件是無氧銅閥蓋,不銹鋼閥體和傳動導(dǎo)向機構(gòu)。閥座刀口型式為直角,擋板起保證閥門重復(fù)性的作用,即刀口在閥蓋上壓出的刀痕每次都能重合,36,37,38,玻璃真空活塞 玻璃活塞由開有孔的錐形芯子及帶有連接管的外套組成,芯子與外套之間的接觸面是磨光面,其間涂以真空封脂以取得密封。氣體的通路由芯子上的孔和所對準(zhǔn)的連接管決定,轉(zhuǎn)動芯子便可控制氣體通路。因用封脂密封,芯子與外套之間就不會漏氣。 圖15是典型的玻璃真空活塞?；钊雌溥B接管道的數(shù)目分為二通、三通或多通活塞。二通又分為對通和直角

8、通。在圖15(b)中,(2)、(3)兩種較(1)的型式密封更好,因在使用中有大氣壓力將錐芯往內(nèi)壓。,39,40,無油玻璃真空閥 為避免真空油脂對真空環(huán)境的影響,可以采用液態(tài)金屬密封和磨砂口密封。 圖16所示是液態(tài)金屬密封的玻璃真空閥之一。 圖17所示是玻璃磨口密封的無油真空閥,其密封是由一半球狀玻璃閥體與一半球狀閥座之間的精密磨光面接觸來實現(xiàn)的。 以上兩種玻璃真空閥均可應(yīng)用于超高真空系統(tǒng)中,但兩側(cè)不能承受大的壓強差,只能應(yīng)用在兩側(cè)壓強相近(相差200400Pa以內(nèi))的場合。玻璃真空閥只能做成小型的,大口徑的閥門必須用金屬制造。,41,42,1.3真空閥門的設(shè)計 真空閥門是真空系統(tǒng)的重要元件。對

9、于構(gòu)成管路一部分的閥門,其流導(dǎo)大小是一個重要的性能參數(shù)。 對于主要用來起開關(guān)氣路作用的閥門,閥板關(guān)閉的密封性能也是重要的性能參數(shù)之一。密封性能是用其漏氣率來衡量的。 對于主要用來調(diào)節(jié)氣流大小的閥門,能夠調(diào)節(jié)氣流量的精度及范圍,則是一項重要的性能參數(shù)。 對于全金屬超高真空閥門,每次關(guān)閉是否性能穩(wěn)定?使用壽命是否長?是其主要的性能指標(biāo).,43,本部分涉及的主要內(nèi)容 對真空閥門的一般要求 閥板的密封結(jié)構(gòu)和密封力計算 閥板壓緊裝置 閥板的傳動機構(gòu) 真空閥門的動力選擇 閥門開關(guān)的限位和指示 打開閥板的先導(dǎo)裝置,44,對真空閥門的一般要求 閥門密封性能要好,閥板密封處的漏氣率要小; 閥板開啟后應(yīng)盡可能有較

10、大的流導(dǎo); 閥門內(nèi)所用材料應(yīng)有較低的飽和蒸氣壓,高抗腐蝕性能和高化學(xué)穩(wěn)定性、耐磨損、壽命長,超高真空閥門應(yīng)能耐烘烤(400450); 閥門結(jié)構(gòu)要簡單,開關(guān)輕便省力,有標(biāo)志,傳動機構(gòu)在高壓側(cè); 真空閥門的型式、基本參數(shù)、連接尺寸和技術(shù)條件應(yīng)按國家專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。,45,閥板的密封結(jié)構(gòu)和密封力計算 膠墊密封結(jié)構(gòu)及密封力的計算 橡膠墊圈密封是利用閥板與閥座間壓緊橡膠墊圈,依靠橡膠彈性變形填塞表面不平來實現(xiàn)的密封。 目前真空閥門的膠墊密封歸納起來有6種,如圖18所示。前4種用于較大口徑的閥門,后2種用于較小口徑的閥門。a種是早期采用的結(jié)構(gòu),為了便于加工閥座上的密封槽,必須把閥座與閥殼設(shè)計成可拆卸的,這就

11、在結(jié)構(gòu)上增加了一道真空密封?，F(xiàn)在絕大多數(shù)閥門都采用閥板上帶密封圈的結(jié)構(gòu),如圖中(b)、(c)、(d)所示。,46,47,選擇真空閥門的密封結(jié)構(gòu)時應(yīng)注意以下幾點: a. 盡可能減少閥板下高真空側(cè)的放氣因素,例如 選用放氣率小的密封墊材料等; b. 關(guān)閥后密封圈截面上有最大的壓縮變形; c. 結(jié)構(gòu)力求簡單; d. 制造方便; e. 密封元件便于拆卸和修理。,48,閥門關(guān)閉的密封性能好壞決定于密封墊填塞閥座表面不平的程度。影響這種填塞程度的因素有二方面: a.密封墊材料的硬度和壓緊程度; b.閥座表面的粗糙度。 一般閥座表面的粗糙度都高于Ra3.2，密封墊的硬度都在邵氏55-75之間，實驗證明壓縮比

12、在15%以上就能使漏氣率足夠小，考慮制造精度上允許的偏差通常取壓縮比為15-25%. 膠墊密封閥板的密封力計算,多數(shù)可按O形環(huán)在矩形槽中受壓縮的密封力進行近似地計算:,49,式中 密封比壓力,N/cm2; B密封寬度,即密封圈與閥座的接觸寬度,cm; L密封圈平均周長,cm; x相對比壓力; E密封圈材料的相氏模量,N/cm2; Bx密封圈的相對寬度,d密封圈的線徑,cm; D密封槽的中徑,cm。,50,有些閥門只需要單向使用,例如擴散泵入口閥門,閥板只需要封住擴散泵中的真空狀態(tài)。這種閥的設(shè)計,結(jié)構(gòu)上允許閥板在壓力差作用下繼續(xù)被壓緊。因此,閥板關(guān)閉時只需要初始壓緊力就可以。我國1968年真空閥

13、門聯(lián)合設(shè)計中提出,在上述情況下,密封的初始比壓力可以取為20N/cm2。實踐證明,這種做法是可行的。故這種閥門的初始密封力為： Fs=20BL N 有些閥門需要雙向使用，需用下式計算： Fs=BL+7.8510-5 D2Pd N 式中 Pd是大氣壓強,Pa; 其余符號同前。,51,金屬墊密封結(jié)構(gòu)及密封力計算 圖19給出金屬墊密封的幾種結(jié)構(gòu)。其中圖(a)即是針閥的結(jié)構(gòu)。圖(b)、(c)、(d)和(e)都是用于超高真空系統(tǒng)中的金屬墊密封閥門。一般來說,閥板用軟金屬紫銅、無氧銅、鋁、鎳和鉛等制成,銅、鋁、鎳要預(yù)先經(jīng)過退火處理。閥座用硬金屬不銹鋼等制成刀口形。圖(f)、(g)和(h)是用低熔點的軟金屬

14、及其合金作為密封材料,而閥座也是用硬金屬不銹鋼等制成。它們都是依靠軟金屬受壓產(chǎn)生塑性變形與閥座密合達(dá)到密封的。為保證密封,每次閥板關(guān)閉時刀口的壓痕必須重合。為此除了閥板在傳動上應(yīng)有精確的導(dǎo)向機構(gòu)外,刀口尖還應(yīng)倒圓。,52,53,如圖20所示,倒圓半徑一般有兩種: R0.1mm和R0.2mm,多數(shù)取為R0.1。 圖(g)沒有刀口壓痕問題,密封墊的壽命較長。 刀口形狀對閥門性能也有一定影響。表2給出了一些實驗數(shù)據(jù),從表中實驗數(shù)據(jù)可知,直角形刀口比夾角形刀口所需螺旋壓緊轉(zhuǎn)矩大些。,54,為了提高閥板(或金屬墊)的壽命,閥板的壓下量還可以設(shè)計成可微調(diào)的。一旦原有壓痕失去了應(yīng)有的密封性能時,可通過微調(diào),

15、使壓痕再稍深一些。這樣能保證密封性能,也延長了閥板的使用壽命。,55,目前有關(guān)金屬墊密封閥門的密封力計算通常是基于實驗數(shù)據(jù)。設(shè)計者針對所設(shè)計的密封結(jié)構(gòu)進行模擬試驗,確定出密封比壓力,然后按照具體的密封尺寸進行計算。根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)資料,設(shè)計者可參考表3。根據(jù)表中的數(shù)據(jù),金屬墊密封力可按下式計算: Fs=Ls.fls=As.fsaN 式中Ls密封口中心長度,mm; fls單位長度的密封力,N/mm; As密封面積,mm2; fsa單位面積的密封力,N/mm2。,56,57,閥板壓緊裝置 精確計算閥板密封力是真空閥門設(shè)計的首要問題,而正確設(shè)計壓緊裝置是達(dá)到密封力的基本保證。 閥板壓緊裝置應(yīng)達(dá)到的要求

16、 在壓緊密封墊時,閥板不產(chǎn)生橫向運動。因為橫向運動會搓傷密封墊; 壓緊位置要有重合性,即每次關(guān)閉都壓在同一位置上。只有這樣才能保證閥門關(guān)閉性能穩(wěn)定。金屬墊閥門對此要求嚴(yán)格,膠墊的差些; 要均衡壓緊密封墊。因為不均衡壓緊密封墊就可能造成封閉不嚴(yán)密; 壓緊后必須能自鎖.否則要有動力來維持壓緊狀態(tài); 壓緊程度必須可調(diào).因為密封墊都有一定制造公差,必須通過調(diào)整才能壓緊。,58,常用的幾種壓緊方式 螺旋壓緊、斜面壓緊、鏈板壓緊、彈簧壓緊、彈性墊圈自身壓緊、動力壓緊 螺旋壓緊,螺旋壓緊在真空閥門中應(yīng)用最廣,它的結(jié)構(gòu)簡單,制造容易,壓緊時增力倍數(shù)較大,適于手動、電動兩種閥門; 其缺點是開關(guān)閥門時間較長、傳動

17、效率較低; 壓緊后的自鎖條件是： arctan f :螺旋升角 f：螺桿與螺母材料的摩擦系數(shù),59,60,斜面壓緊 閥板上的斜面沿著墊塊上的斜面向左滑動、閥板與墊塊被撐開而將膠圈壓緊密封。和螺旋壓緊類似,若斜面升角小于兩者材料的摩擦角,壓緊后就能實現(xiàn)自鎖，但橫向位移過大而一般利用傳動連板保證自鎖。如圖22,為產(chǎn)生所需密封力Fs, 傳動連板給閥板的推力Ft應(yīng)為 Ft=Fs.tan(+)+fFs 式中 斜面間材料的摩擦角 f 膠圈閥板間摩擦系數(shù),61,為了消除圖22所示的在壓緊密封圈時,閥板與密封圈間的摩擦力,目前國內(nèi)外都采用圖23所示的壓緊密封原理，此時：,式中 f滾輪與導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù);,6

18、2,鏈板壓緊,63,如果不考慮鉸鏈的摩擦力,作用在鏈板上有4個力:密封力Fs、閥板受到的止推力Fz、導(dǎo)軌槽通過滾輪(或滑塊)給出的反力Ff(Ff=Fs)和推桿傳來的推力Ft。 因為鏈板是壓力桿,所以合力在其中心線上。推力Ft還需克服滾輪與導(dǎo)軌槽的摩擦力fFf=fFs,根據(jù)力的平衡條件可得 Ft=Fs(tan+f) 式中鏈板中心線與閥板密封面法線的夾角 f滾輪與導(dǎo)軌槽的摩擦系數(shù)。 壓緊裝置的自鎖條件是 tan-1f,64,彈簧壓緊 如圖12所示,閥板6由彈簧5壓緊密封。當(dāng)電磁線圈2通電時,銜鐵4被吸上,閥板被提起打開閥門。,65,彈性墊圈自身壓緊 如圖25所示,閥塞被碗形密封圈箍緊密封。這就象往

19、復(fù)運動的動密封一樣,不過由于閥塞進出密封圈,需要閥塞的兩頭有光滑的倒角,以免擦傷密封圈。,66,動力壓緊 動力壓緊有氣壓的、液壓的和電磁力的壓緊。凡是密封力大的閥門都用液壓壓緊。如圖26所示的閥門是靠薄壁銅筒在油壓作用下產(chǎn)生彈性變形,與閥體內(nèi)筒的 光滑表面緊密貼合 來密封的。當(dāng)撤去 油壓時,薄壁銅筒恢 復(fù)原形,閥塞就可以 拉上去打開閥門。,67,為了解決金屬墊密封閥門所需的大壓緊力,國外采用了高壓氣動壓緊。如圖27所示,當(dāng)閥板推至閥口后,往波紋管中通以高壓空氣(21個大氣壓或35個大氣壓)對閥板壓緊密封。由于電磁力較小(大磁力線包可能很大),銜鐵行程有限,因此電磁力壓緊多用于小口徑閥門。,68

20、,壓緊裝置中的均壓、續(xù)壓和調(diào)壓措施 為了保證閥門的密封性能,要求閥板壓緊密封圈時能自動均壓;當(dāng)大氣壓壓到閥板上時能允許進一步壓緊;又因為密封圈和其它傳動件的加工制造誤差不可避免,所以閥板壓緊程度必須可調(diào)。這就是壓緊裝置的均壓、續(xù)壓和調(diào)壓問題。 在圖11所示的真空閥門中,通過錐面閥座和與之配合的錐面閥板及鉸銷壓緊來自動調(diào)均對膠墊的壓力;利用壓桿頭(兼作導(dǎo)向桿8)與閥板螺紋聯(lián)接來達(dá)到壓緊程度可調(diào);利用初壓后活塞達(dá)不到氣缸底來實現(xiàn)大氣壓壓到閥板時,閥板繼續(xù)壓緊密封圈。,69,70,上述的均壓措施在鉸銷軸方向不能自動均壓,需要在裝配中人工調(diào)好。對于口徑較小的閥門,由于絕對誤差量較小,在裝配中容易調(diào)好,

21、但對于口徑較大的閥門,就困難得多。因此對于大口徑閥門應(yīng)采用完全自動均壓的措施。例如圖28所示的結(jié)構(gòu),采用球面壓頭就能完全自動均壓。,71,閥板的傳動機構(gòu) 閥板的傳動機構(gòu)有兩個職能:一是使閥板壓緊密封圈,保證閥門的密封性能;二是使閥板開啟后,閥門有較大的流導(dǎo)。承擔(dān)第一個職能的機構(gòu)零件,由于受力較大、有強度、剛度和穩(wěn)定性問題,設(shè)計中需要考慮。這些機件是傳動機構(gòu)中的主要構(gòu)件,承擔(dān)第二個職能的機件主要使閥板按所需要的位置開啟,因此受力不大,零件的強度等問題是次要的。一般的真空閥門,其閥板的壓緊機構(gòu)就是其傳動機構(gòu),例如圖7、圖8、圖12、圖14等。這類傳動機構(gòu),只要知道了閥板壓緊機構(gòu)的壓緊力,就可以按照

22、普通機械傳動進行設(shè)計了。,72,對于真空翻板閥,如圖9、圖10、圖11的閥門,閥門開啟時閥板翻轉(zhuǎn)一個角度,對閥板運動的特殊要求是: 1、閥板壓緊或松開密封墊圈時,需要直起直落; 2、開啟閥板時需翻轉(zhuǎn)較大角度,最好達(dá)到90; 3、在閥板翻轉(zhuǎn)過程中,閥板不能與閥座相碰。 目前國內(nèi)主要采用三種翻轉(zhuǎn)機構(gòu),即擋桿擋翻(見圖10)、四連桿機構(gòu)(見圖9)和蚌線機構(gòu)(見圖11)。（P160-162）,73,真空閥門的動力選擇 真空閥門的傳動動力主要有手動、磁動、氣動、電動和液動。 選擇閥門動力主要考慮操作方便和工作可靠。 一般說來,磁動閥門口徑都較小,動作較快,電磁電源也較方便;而氣動閥門突出的特點是動作快;

23、兩者都適合于作保護性的閥門。電動(即電動機傳動的)和液壓的閥門,都是需要大動力的閥門,尤其是液壓傳動的閥門,動力小了不合適,它不象電動的閥門,常常因為電源方便而被采用。,74,閥門開關(guān)的限位和指示 為了使閥門開關(guān)準(zhǔn)確可靠和操作方便,閥門的開啟和關(guān)閉需要有限位和指示。特別是金屬墊密封的閥門更須嚴(yán)格控制閥座刀口對金屬墊的楔入量,在保證密封性能的前提下,楔入量愈少,墊圈受壓處冷硬現(xiàn)象愈輕,閥門使用壽命愈長。對于機動閥門,限位有保護設(shè)備免遭機械損傷的重要作用。 圖29是電動真空閥門中所用的開關(guān)限位和指示裝置。當(dāng)然這只是限位和指示裝置中的一種。,75,76,打開閥板的先導(dǎo)裝置 有的真空閥門在開啟閥板之前

24、,需要先使閥板上下的氣壓平衡,避免壓差過大使傳動裝置超負(fù)荷而受損害,這就要用到先導(dǎo)裝置。先導(dǎo)裝置還可用來在閥板上下壓差較大的情況下,用較小的傳動力打開閥板。 如圖30所示,在閥板上裝設(shè)個小閥門,讓傳動桿6先打開小閥的密封板3,使閥板上下壓差消失后再打開閥板8,這就是在壓差較大的情況下順利打開閥門的一個可行措施。小閥起到了先導(dǎo)作用,故稱該小閥為先導(dǎo)裝置或先導(dǎo)閥。,77,78,2 捕集器,捕集器也稱為阱,用來捕集真空系統(tǒng)中的可凝性蒸氣。 在有油封機械泵和蒸氣流泵組成的系統(tǒng)中存在工作液蒸氣，可使真空度降低、電熱體和被處理工件氧化、真空系統(tǒng)被污染等。 捕集器的種類很多，根據(jù)捕集器捕集蒸氣的原理和方法不

25、同，搞集器可分為擋油帽，機械捕集器(又稱擋板、障板、機械阱)，冷凝捕集器(又稱冷阱)，吸附捕集器(又稱吸附阱)和其它類型的捕集器(如電捕集器，熱捕集器，離子捕集器）等。,79,2.1 擋油帽,擴散泵在工作過程中,泵液會向被抽容器中返流。返流的油蒸氣會對被抽容器及被處理工件造成污染。通常在泵芯的一級噴咀上面設(shè)置擋油帽,這樣可以大大降低油蒸氣的返流。 擋油帽一般用水冷卻,比較好的水冷擋油帽可把擴散泵的返油率降低到0.1%1%。因此擋油帽是現(xiàn)代擴散泵所必備的部件。 擴散泵加擋油帽后,降低了返油率,但同時也降低了泵的抽速。通常認(rèn)為加擋油帽后,泵的抽速降低小于20%為宜。,80,擋油帽的設(shè)計方法如圖31

26、所示:先劃出導(dǎo)流管和噴咀外沿的連結(jié)線AB,再在距B為1cm左右處引垂線CD,延長AB與CD交于E點,此即擋油帽的外緣。這樣確定擋油帽外緣的位置則不會擋住工作液蒸氣射流。,81,圖33是擋油帽的一種經(jīng)驗設(shè)計,實踐表明,這種擋油帽的擋油效果較好,且對泵的抽速沒有太大的影響。,82,各種型式擋油帽的擋油效果如圖34所示,圖中(a)是不加擋油帽,設(shè)此時返油量為1;(b)、(c)、(d)、(e)等表示加擋油帽及水冷套等措施后的返油量,數(shù)值愈小,擋油效果愈好。,83,2.2 機械捕集器,概述 機械捕集器的設(shè)計原則及其典型結(jié)構(gòu),84,概述 機械捕集器又稱擋板、障板、機械阱。當(dāng)對降低返油率有更高要求時,常被廣

27、泛應(yīng)用,主要用來防止蒸氣流泵工作液的蒸氣分子返流進入被抽容器。 返流的蒸氣分子怎樣通過管道進入真空室？蒸氣分子先碰撞管壁被吸留;由于熱運動,管壁吸留的分子又蒸發(fā),再在更靠近真空室的管壁上被吸留,然后再蒸發(fā),這樣逐步進入真空室中。因此，可以在蒸氣進入被抽容器的通路上安裝不同結(jié)構(gòu)的具有光學(xué)密閉性的板狀組件,阻擋住直線運動的蒸氣分子穿越,使其在壁板上凝結(jié)或反射回去,用這種機械阻擋的方法消除或減少蒸氣分子進入被抽容器。,85,機械捕集器的型式如表4。,86,機械捕集器的設(shè)計原則及其典型結(jié)構(gòu) 機械捕集器主要靠機械阻擋的方法來降低油蒸氣的返油率,而高速熱運動的蒸氣分子經(jīng)三次碰壁后,其能量大大損耗。 因此,

28、在設(shè)計光密性障板的時候,要求蒸氣分子在通過它的過程中,至少應(yīng)有一次以上使蒸氣分子與板壁碰撞。 此外,要求板壁材料有較好的導(dǎo)熱性,盡可能保持較低的溫度。通常通冷卻水,以減少蒸氣凝結(jié)后的再蒸發(fā),常用的材料有銅、鋁、不銹鋼等導(dǎo)熱系數(shù)較大的金屬板。,87,在設(shè)計障板時應(yīng)注意以下原則: 光學(xué)密閉性,至少要擋住一次束流; 有盡可能大的流導(dǎo); 障板材料應(yīng)放氣率低,飽和蒸氣壓低,熱傳導(dǎo)性能好,易于加工; 超高真空系統(tǒng)使用的障板應(yīng)能承受高溫烘烤。,88,典型的幾種機械捕集器結(jié)構(gòu) 如圖35至圖38所示。,89,2.3 冷凝捕集器,概述 冷阱的典型結(jié)構(gòu) 冷阱的抽速,90,概述 冷凝捕集器又稱冷阱,是利用低溫冷壁來捕

29、集可凝性蒸氣的一種低溫冷凝捕集器。 冷阱被廣泛應(yīng)用于高真空和超高真空系統(tǒng)中,安裝在主泵入口和真空室之間的管路上。 冷阱能有效收集返流蒸氣和部分裂解物，且能抽除來自真空室的可凝性蒸氣。冷阱的效果與結(jié)構(gòu)和冷壁溫度有關(guān)。 使用冷阱應(yīng)遵守一定規(guī)則:在加入冷劑前,應(yīng)將容器抽空到足夠低的壓強,使可凝性氣體被大量排除后再加入冷劑;在使用過程中,由于冷劑的損耗而使冷劑液面不斷下降,露出無冷劑接觸的壁面,這些表面的溫度回升,使已被冷凝的蒸氣重新蒸發(fā),所以要設(shè)法使冷劑的液面盡量處于恒定位置。,91,常用冷劑的制冷溫度見表5。,92,冷阱的設(shè)計原則為 冷凝部位應(yīng)具有較大的冷凝面積; 結(jié)構(gòu)為光學(xué)密閉的,防止蒸氣分子直

30、線通過; 有盡可能大的流導(dǎo); 冷劑消耗盡量少; 清洗拆裝方便。 冷阱的結(jié)構(gòu)型式很多,就材質(zhì)而言,有金屬冷阱和玻璃冷阱兩類。,93,冷阱的典型結(jié)構(gòu) 金屬冷阱中,盛裝冷劑的容器一般用不銹鋼制成,在其壁上焊上若干捕集片,以增大低溫壁板的表面積和阻擋蒸氣分子進入真空室的作用。,94,圖39是一種長效冷凝捕集器。,95,圖40的結(jié)構(gòu)具有較大流導(dǎo),可防止蒸氣分子向上蠕動。,96,圖41是一種高效冷凝捕集器。,97,圖42是一種常見多用的冷凝捕集器。,98,圖43是另一種金屬冷阱,它結(jié)構(gòu)簡單,效果較好。,99,圖44是一種復(fù)合式冷阱。,100,圖45是中心帶有液氮罐的冷阱。,101,玻璃冷阱采用杜瓦瓶的形式

31、,分為兩層或多層,兩層之間抽成高真空,以降低熱傳導(dǎo)損失。玻璃冷阱的型式很多,圖46是常見的幾種玻璃冷阱的結(jié)構(gòu)。,102,冷阱的抽速 冷凝捕集器對蒸氣分子的抽速類似于低溫泵的抽速,是指在捕集器中的蒸氣壓強下,單位時間內(nèi)凝結(jié)在冷卻壁上的蒸氣體積。 當(dāng)蒸氣壓強和溫度與冷壁溫度及其飽和蒸氣壓相等時,冷阱的抽速Sl=0。冷阱的實際抽速還受蒸氣分子凝結(jié)系數(shù)的影響,實際抽速總是小于理論抽速。 若設(shè)空間水蒸汽和汞蒸氣的溫度為室溫,即293K,冷阱冷凝表面的溫度為液氮溫度,77K,則冷阱對水蒸汽和汞蒸氣的抽速分別為 SH2O=147Am3/s SHg=44A m3/s,103,2.4 吸附捕集器,吸附捕集器是利

32、用某些物質(zhì)具有吸附性能(物理吸附和化學(xué)吸附)的原理來捕集可凝性蒸氣的一種捕集器,常稱吸附阱。 它被廣泛應(yīng)用于機械真空泵和擴散泵(或被抽容器)之間的管路上,用來捕集油蒸氣,水蒸汽,還有在機械泵中由于轉(zhuǎn)子和泵體之間的摩擦熱使油分解(裂變)而產(chǎn)生的輕餾分物質(zhì)氣體。,104,常用的吸附劑有:分子篩(沸石),活性碳,硅膠,Al2O3,P2O5等。 表6是施特恩(Stern)等人研究給出的某些固體吸附劑的數(shù)據(jù)。,105,圖47是一種活性氧化鋁吸附阱,其中放置310mm的球狀吸附劑,擋油效率可達(dá)99%,主要用于前級管道。,106,圖48是一種分子篩吸附阱。其特點是:分子篩烘烤激活是用放在中心的管狀加熱器,被

33、吸附的蒸氣從接管排出,這樣不必移出分子篩,結(jié)構(gòu)又簡單操作也方便,這樣的吸附阱最高可捕集返流油蒸氣的99.7%。,107,圖49所示的吸附阱,是在一根長127mm,直徑51mm的圓管兩端加固定網(wǎng),管中放置不同的吸附劑,其擋油效果見表7。,108,利用分子篩作為吸附阱吸附劑時,應(yīng)注意： 分子篩能大量地吸附大氣中水蒸汽,而吸附水份后的吸附劑對其它氣體的吸附能力大大降低，所以要求其含水量不應(yīng)超過2%。因此，在使用中應(yīng)避免分子篩吸附阱經(jīng)常暴露于大氣中,否則，幾小時內(nèi)分子篩就能吸收超過2%的水份。 在使用前應(yīng)對分子篩進行預(yù)處理,如在真空中進行烘烤,除去水份。 再者,重復(fù)再激活分子篩會使它的吸附能力下降,當(dāng)

34、烘烤溫度高于350,長時間的烘烤將引起吸附能力的迅速退化。,109,2.5 其它捕集器,鈦升華阱 離子捕集器 熱捕集器 電捕集器,110,鈦升華阱 液氮冷卻的冷凝捕集器能有效捕集泵液蒸氣，但仍會有少量油分子穿過冷阱，另外，油裂解產(chǎn)生大量氫氣也不能被液氮冷阱捕集，這是限制擴散泵系統(tǒng)獲得更高真空的一個主要因素。 在擴散泵和真空室之間的管路上加裝鈦升華阱,除能進一步捕集返流的油蒸氣分子及其裂解物外,還能捕集氫氣,因此,裝有鈦升華阱的超高真空系統(tǒng),能獲得10-1110-12 Pa的極限壓力。,111,典型鈦升華阱的結(jié)構(gòu)型式如圖50所示,其捕集氣體的原理是利用低溫冷凝和新鮮鈦鉬膜的吸附性能。鈦鉬升華蒸發(fā)、沉積在液氮冷卻的壁板表面上能使氣體分子的二次反彈最小,所以鈦升華阱具有特別有效的捕集效果。,112,離子捕集器 離子捕集器有外加磁場和無外加磁場兩種結(jié)構(gòu) 典型的外加磁場離子捕集器的結(jié)構(gòu)型式如圖51。器壁最好用水冷卻,以增加聚合物的吸附作用,吸附作用隨溫度降低而增加,所以電極系統(tǒng)也要采用水冷。這種離子捕集器的擋油效果可達(dá)99%。,113,無外加磁場的離子捕集器,其結(jié)構(gòu)類似于一只鈦泵。 它的陰極是由0.8mm鉬絲彎成的矩形框架,