1.真空容器

真空容器是真空装置的重要部件，真空中各种生产工艺均在真空容器中完成，为保障真空容器质量，设计过程应遵循如下原则。

（1）确定真空容器的真空度范围，根据GB/T3163标准，真空度划分为四个区域：即低真空、中真空、高真空及超高真空，对应真空度范围是1E5~1E2Pa、1E2~1E-1Pa、1E-1~1E-5Pa、＜1E-5Pa。真空容器中真空度范围由真空容器的用途来确定，然后依据真空容器真空度范围，选择制造材料，密封材料、法兰接口形式。表1.1中给出了各种材料适用的真空度范围。

表1.1 各种材料适用的真空度

（2）真空容器的设计温度及工作压力。一般选择室温，设计压力取0.101MPa；

（3）确定容器的主要尺寸。包括容器形式、封头、大门、鞍座、加强圈、补强结构、各种法兰接口，以及各种密封形式；

（4）制定容器的主要工艺要求。包括材料的选择及检验方法，焊接工艺、清洗工艺、总漏率及检漏工艺；

（5）真空容器大门的开启形式。根据容器大门的几何尺寸，有铰链式、钟罩式、悬吊式、拖车式等；

（6）容器承受外压性能。包括容器壁厚的计算以及应力应变的分布情况，进而采取补强措施；

（7）真空容器的设计应尽可能采用相关标准。如容器壁厚计算，各种法兰、运动传入机构等；

（8）容器上各种法兰接口焊接后应精加工其密封面。

除上述设计基本要求外，容器的基本形状通常情况下由应用决定。对于腔体，应尽量选用圆柱管，它有利于物料的投放和系统的稳定性。对于较小的公称通径，管端可以采用平底封闭；对于较大通径的腔室，可以通过盘型端盖来封闭，用以限制材料用量和腔室重量。通常情况下，直径600mm的腔室采用平底封闭，其厚度为盘型端盖厚度的3倍。

2.真空泵

真空系统由真空室、真空泵、真空测量仪器、各种真空元件、管路等构成，真空泵是真空系统中的重要组成部分。真空泵的选择需要根据极限压力、工作压力、抽气时间、管路流导等因素，计算真空泵的抽速，确定主泵型号，并配置前级泵、粗抽泵。

（1）主泵的选择及抽速计算

选取主泵是设计真空系统的关键问题，主要依据是：①空载时真空室所需要达到的极限真空度，通常主泵极限真空要比真空室的极限真空高半个到一个数量级。②根据真空室进行工艺生产时所需要的工作压力，主要由以下步骤：

1）计算主泵的有效抽速S

其中，p_g 为真空室要求工作压力，[Pa]；Q 为真空室总气体量，[Pa∙L/s]，通常由三部分组成，真空室工作过程中产生的气体量、真空室及真空元件的放气量、真空室的总漏气量。

2）确定主泵的抽速S_p

根据有效抽速S 以及泵与真空室之间的连接管道的流导U确定主泵的抽速S_p，根据流导的串联公式：

通常情况下，计算主泵的有效抽速S需要增大20% ~ 30%或更大。

（2）前级泵的配置及抽速确定

前级泵选择的原则是：①要求前级泵造成主泵的工作所需的预真空条件；②抽走主泵产生的最大气体量；③必须满足主泵进气口能工作的最大压力时所需的预抽时间要求。

对于涡轮分子泵的前级泵，抽速应当满足：

其中，S_q 为前级泵的抽速，[L/s]；P_n 为涡轮分子泵前级压力，[Pa]； Q_max 为最大流量，[Pa∙L/s]，涡轮分子泵平稳抽速范围为1E-1 ~ 1E-4 Pa，因此最大流量应等于1E-1 Pa下的抽速与该压力之积。

常用的真空泵通常有罗茨真空泵、干式真空泵、分子泵。罗茨真空泵是一种旋转式的变容真空泵，它是由罗茨鼓风机演变而来。罗茨泵在泵腔内有两个形状对称的转子，转子的形状有两叶、三叶和四叶，两个转子相互垂直的安装在一对平行轴上。罗茨泵通常压缩比很低，在使用的过程中需要前级泵。

干式真空泵，是指在真空泵的抽气流道内无任何液态工作介质或密封介质的真空泵。根据转子形状不同，干式真空泵通常分为爪型干式真空泵、螺杆真空泵、涡旋真空泵。

分子泵分类主要包括涡轮分子泵与磁悬浮分子泵，其中涡轮分子泵是利用高速旋转的动叶轮将动量传递给气体分子，使气体产生定向流动而抽气的真空泵，广泛应用于高真空的场合，目前多利用干式机械泵作为前级泵；磁悬浮分子泵是在涡轮分子泵的基础上，增加了非接触磁悬浮轴承的使用，磁悬浮分子泵具有无油、无磨损、运行安静、振动极小的特点。

3.检漏仪

极限压力是真空容器的主要性能指标之一，影响极限真空压力的因素除了容器的结构、材料、加工工艺，真空泵的选择之外，还有就是零件表面的清洁度、容器零部件和容器整体的泄漏。

真空元件的清洁处理非常重要，通常机械加工的零件表面会不可避免的被污染，若不进行处理，去掉表面层，那么污染物及吸附的气体在真空下会大量释放，对真空设备的工作压力造成影响，甚至设备的真空度抽不上去。

清洁处理的要求有4点：①不得损坏被清洗的零件，不得改变其性能；②不得划伤密封面；③不能残留清洗剂痕迹及多余物；④清洗剂不能与材料发生化学反应。常用的清洁处理方法有机械清理、有机溶剂除油、化学侵蚀、电化学清洗、电化学抛光、超声波清洗等。

检漏工作非常重要，当真空容器和真空系统确定之后，检漏工作是关键的。氦质谱检漏技术已成为迄今为止最灵敏、最有效、最方便也是应用最广的检漏手段。检漏的方式主要分为喷吹法、氦罩法、吸枪法、真空室法、检漏盒法、真空室累计法、吸腔累计法、背压法及前级泵出口采样法等。

4.阀

真空阀门是真空系统中用以调节流量、切断或接通管路的元件。真空阀门在配置和选择真空阀时，必须考虑最小压差和分子流范围内部件的高流阻，阀体和阀座之间要求最小的泄漏率，阀中移动部件真空侧的润滑剂必须适合于所需的压力和温度范围，或者尽可能避免暴露在高真空环境下。常用的阀类部件主要有插板阀与挡板阀两种。

（1）插板阀

真空插板阀的工作原理是通过螺杆的传动推动阀板架运动，撑开阀板关闭阀门；又靠弹簧支架收拢阀板，通过阀板架运动打开真空阀门。高真空插板阀适用于超高真空系统中接通或截止气流之用，适用的工作介质为洁净的空气和非腐蚀性的气体。

真空插板阀有高真空插板阀和超高真空插板阀两种，高真空插板阀主要应用在低于1E-6Pa真空度下，适用温度为-25~80℃。

图4.1、图4.2给出了阀门的结构形式，阀门的驱动形式为手动、气动和电动，表4.1给出了阀门的基本参数。

图4.1 高真空插板阀（GB/T4982）                                     图4.2高真空插板阀（GB/T6070）

表4.1 高真空插板阀基本参数

（2）挡板阀

真空挡板阀的工作原理是阀板通过阀杆做上下运动而实现密封。驱使阀杆运动的传动部件有手动、手电两动、气动三种方式。按照阀门形式，可以分为角通式、直通式结构；按照轴密封形式有橡胶轴密封及波纹管轴密封。常用在真空泵与容器之间，作为密封容器，隔离管道和真空室之用，广泛的应用于航空、航天、军工、电子、科研院所、高校等行业。

图4.3~图4.6给出了阀门的结构形式，表4.2给出了阀门的基本参数。

图4.3高真空挡板阀（GB/T4982）                                   图4.4高真空挡板阀（GB/T6070）

图4.5高真空挡板阀（DN₁ GB/T4982）                   图4.6高真空挡板阀（DN₁ GB/T6070）

表4.2 高真空挡板阀基本参数

5.连接件

真空法兰用于系统的可拆卸部位，或为出于安装需要的连接部位。法兰连接必须保证连接处的气密性近似于整体材料的性能。不锈钢、铝和钢制成的法兰部件可用作连接元件。不锈钢制成的金属软管比厚壁橡胶或塑性塑料更适用于制作活动式连接件，它们是低真空及以上范围内的绝对必须品。

常用的法兰连接件有ISO-KF法兰、ISO-K和ISO-F法兰、CF法兰。其中对于公称通径在DN10-DN50之间，选用ISO-KF法兰，对于公称通径在DN63-DN1000之间的选用ISO-K和ISO-F法兰。对于超高真空兼容的可拆卸的连接，同时公称通径在DN16-DN400之间的选用CF法兰连接，相应公称通径DN400-DN800的法兰为COF法兰。

（1）ISO-KF法兰

ISO-KF小型法兰部件，公称通径为DN10-DN50。适合连接高达1E-6Pa的压力，如果采用金属密封件，压力范围可高达1E-7Pa。这需要特别大的接触压力，必须使用专门的金属密封件夹具。

ISO-KF法兰包括两个对称法兰和一个O型圈密封件，通过内部或外部定心环定位和支撑，如图5.1所示。密封所需要的压力由夹紧环产生，该夹紧环位于锥形加紧区域的上方，并使用蝶形螺钉紧固。法兰的选型尺寸如表5.1所示，O型胶圈和O型支架的尺寸如表5.2所示。

图5.1 ISO-KF法兰

表5.1 ISO-KF法兰尺寸（单位：mm）

表5.2 ISO-KF法兰用O型支架、胶圈尺寸（单位：mm）

（2）ISO-K/ISO-F法兰

ISO-K法兰公称通径为DN10-DN630，ISO-F法兰公称通径为DN10-DN1000。适合连接高达1E-6Pa的压力，凭借金属密封件，压力范围可高达1E-7Pa。金属密封件需要较强的接触力，该接触力由螺纹法兰连接件提供。如果使用夹紧螺丝，在必要时必须增加其数量。

ISO-K和ISO-F组成包括两个对称法兰和一个O型圈，通过内部和外部定心环定位支撑，密封所需要的压力通过双夹爪或螺丝钉产生，如图5.2所示。ISO-K和ISO-F选型尺寸如表5.3所示。

（a）ISO-K法兰连接

（b）ISO-F法兰连接

图5.2 ISO-K和ISO-F法兰

表5.3 ISO-K、ISO-F、O圈、中心支架尺寸（单位：mm）

（3）CF法兰

CF法兰公称通径为DN10-DN400。CF法兰专为UHV应用而设计，可烘烤温度高达450℃且适用小于1E-10Pa的压力。对材料的要求比较高，CF法兰几乎全部由不锈钢制成，通常具有较低的碳含量。

CF连接包括带有切口的两个对称法兰，一个浅槽中心的金属扁平垫片，以及足够数量的能够提供所需高接触压力的螺丝钉，如图5.3所示，法兰上的径向凹槽用于松开法兰，有助于泄漏检测。详细的CF法兰选型尺寸如表5.4所示。CF法兰连接用铜垫圈尺寸如表5.5所示。

图5.3 CF法兰连接

表5.4CF法兰连接尺寸（单位：mm）

表5.5 CF法兰连接用铜垫圈尺寸（单位：mm）

注：本节内容中部分图片引自网络

参考文献：

[1] 刘玉魁.真空工程设计[M].北京:化学工业出版社,2016.

[2] GB/T 4982-2003.真空技术 快卸连接器尺寸 第1部分：夹紧型[S].

[3]GB/T 6070-2007 真空技术 法兰尺寸[S].

[4]GB/T 6071-2003 超高真空法兰[S].

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