上游充通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 低温原理及应用 第13讲真空技术 2018年春季 黄永华博士、教授 大 答疑： 邮箱huangyh@sjtu.edu.cn;电话：34206295 或预约办公室：机动A楼432室
低温原理及应用 第13讲 真空技术 2018年春季 黄永华 博士、教授 答疑: 邮箱 huangyh@sjtu.edu.cn ; 电话: 34206295 或预约 办公室：机动A楼432室
真空的特性 压力 主要气体负载 (Torr) Atm. 湿空气 10-3 水蒸汽(75%-95% 10-6 H2O.CO 10-9 H2O.CO.N2.H2 10-10 CO.H2 10-11 H2
压力 (Torr) Atm. 10-3 10-6 10-9 10-10 10-11 主要气体负载 湿空气 水蒸汽 (75 %- 95%) H2O, CO H2O, CO, N2, H2 CO, H2 H2 真空的特性
1.真空与低温的关系 ◆没有真空技术就不可能获得超低温；没有低温技术就不能产生极清 洁的极高真空。 ◆低温技术的发展促进了真空科学；而真空技术的前进又带动着低温 技术。 真空的分类 真空的获取 真空部件及设备 抽空时间计算与真空系统设计 真空系统检漏
没有真空技术就不可能获得超低温；没有低温技术就不能产生极清 洁的极高真空。 低温技术的发展促进了真空科学；而真空技术的前进又带动着低温 技术。 1.真空与低温的关系 真空的分类 真空的获取 真空部件及设备 抽空时间计算与真空系统设计 真空系统检漏
2.根据真空程度分类 粗真空 p>3kPa(或p>25torr) 真空成形及许多常见的工业应用 于钢铁除气、真空注塑、真空熔 中真空 0.10Pa<p<3000Pa(103torr<p<25torr) 解等操作，真空粉末绝热也是在这 段区域的低压端部分 真空镀膜、真空热处理及真空钎 高真空 0.1mPa<p<100mPa(106torr<p<103torr) 焊和粒子加速器中，真空多层绝热 也在此段范围内工作 超高真空 0.1μPa<p<100μPa(或109torr<p<10-6torr) 环境模拟舱及半导体材料的表面 研究 极高真空 p<100n Pa(p<10-9torr)
2. 根据真空程度分类 粗真空 p>3kPa(或p>25torr） 真空成形及许多常见的工业应用 中真空 0.10Pa<p<3000Pa(或10-3 torr<p<25torr) 于钢铁除气、真空注塑、真空熔 解等操作,真空粉末绝热也是在这 段区域的低压端部分 高真空 0.1mPa<p<100mPa(或10-6 torr<p<10-3 torr) 真空镀膜、真空热处理及真空钎 焊和粒子加速器中, 真空多层绝热 也在此段范围内工作 超高真空 0.1μPa<p<100μPa(或10-9 torr<p<10-6 torr) 环境模拟舱及半导体材料的表面 研究 极高真空 p<100n Pa(或p<10-9 torr)
3.真空系统中的流动方式 ·在常压下的气体流动称为连续流，根据R判断流动状态 1.层流，Re3000 ·在低压下一自由分子流入》D(特征尺寸) 粘度 气体分子的平均自由程=“ πRT p V 2M 压力 分子量 区分连续流和自由分子流的无量纲数是克努曾数，Kn=WD。 1.连续流，Kn0.30 2M
3. 真空系统中的流动方式 • 在常压下的气体流动称为连续流， 根据Re判断流动状态 1. 层流, Re3000 • 在低压下— 自由分子流 λ 》D（特征尺寸） 区分连续流和自由分子流的无量纲数是克努曾数，Kn=λ/D。 1.连续流,Kn0.30 气体分子的平均自由程 M RT p 2 粘度 压力 分子量 M R T pD 2 Kn
真空系统的流导 流体粘度 管道长度 1284Lm 圆管连续流，泊叶松方程 △p= πD 4 管道直径 流体平均密度 真空工况p很低，可作为理想气 体（等温流动） 代入p=pM/RT 平均压力p=(P,+P2)12 128 uLRT m △卫= 连续流 πD4pM
真空系统的流导 圆管连续流, 泊叶松方程 4 128 D L m p 管道长度 管道直径 流体平均密度 流体粘度 真空工况p很低，可作为理想气 体（等温流动） 代入 p M / RT p ( p p ) / 1 2 平均压力 2 D p M LRT m p 4 128 连续流
当气体压力降低，混合流（有时也被称作滑流）在管路中形成，位于管壁临近位置 的气体分子速度并不等于0，而是以一定速度沿平行于管轴的方向在壁面上"滑 行"，根据气体的运动定理，圆管中混合流的质量流量 混合流 128 uLR T DD 2M 自由分子流（长管中），入》D πM D3△p m (长管)自由分子流 18R.T L 在自由分子流方式下的流体其质量流量与压力降成正比，并与管 径的三次方成正比
当气体压力降低，混合流(有时也被称作滑流)在管路中形成，位于管壁临近位置 的气体分子速度并不等于0，而是以一定速度沿平行于管轴的方向在壁面上"滑 行"，根据气体的运动定理，圆管中混合流的质量流量 ) ] 2 ( 8 [1 128 1 / 2 4 M R T LR T p D D p p m 混合流 自由分子流（长管中）, λ》D L D p R T M m u 3 18 (长管） 自由分子流 在自由分子流方式下的流体其质量流量与压力降成正比，并与管 径的三次方成正比
真空工程中更为普遍使用的参数是排气量，该参数的定义是 o=pi= m RT M 单位是Pa·m3/s 体积流量测量点所对应的压力值 体积流量 m 在真空单元中引入流导C,定义为C= ·流导的概念在分析复 △p △P 杂的真空管路系统时非 得出通过长圆管的流导 常重要； πD4p 1.连续流层流 C= 电路中的电导的计算， 128uL 可以通过画出等效线路， p 8μ πRT 2.混合流 C= (1+ 再根据线路求出总流导。 128L PD V2M 3.自由分子流 πRT C- V18 M L ·由各独立流单元串联形成的系统其总流导C,的计算式为 -Σ C 与电路理论相似 ·由各独立流单元并联形成的系统其总流导计算式为 C。=∑ C
真空工程中更为普遍使用的参数是排气量，该参数的定义是 M m RT Q p V 在真空单元中引入流导C, 定义为 m p Q C 得出通过长圆管的流导 1.连续流层流 2.混合流 3.自由分子流 C D p L 4 128 ) 2 8 (1 128 4 M RT L p D D p C L D M RT C 3 18 • 流导的概念在分析复 杂的真空管路系统时非 常重要； •电路中的电导的计算, 可以通过画出等效线路, 再根据线路求出总流导。 1 1 C 0 Ci i •由各独立流单元并联形成的系统其总流导计算式为 C C i i 0 体积流量测量点所对应的压力值 体积流量 单位是 Pa m /s 3 •由各独立流单元串联形成的系统其总流导C0的计算式为 与电路理论相似
4真空系统抽气时间的计算 将系统从环境压力抽到所希望的操作压力所需的时间。 真空空间的压力 泵的排气量 泵进口处压力 系统抽速S。=Qp 机械泵 泵抽速S。=Qp 漏孔 抽空管 m out p Co=Q/(p-p) 介于真空腔室与真空泵之间的管路系 统的总流导与排气量之间的关系 真空腔 体积V 0↓ 图：真空系统抽气时间计算示意图 1 1 泵抽气速度Sp,系统抽气速度Ss及管路总流导Co之间的关系 S C 系统抽气速度对于真空系统的抽气时间有很大的影响
pi p C0=Q/(p-pi ) 图:真空系统抽气时间计算示意图 体积V 泵抽速Sp=Q/pi 系统抽速Ss=Q/p 4 真空系统抽气时间的计算 将系统从环境压力抽到所希望的操作压力所需的时间。 真空空间的压力 泵的排气量 泵进口处压力 介于真空腔室与真空泵之间的管路系 统的总流导与排气量之间的关系 1 1 1 S s S p C o 系统抽气速度对于真空系统的抽气时间有很大的影响 泵抽气速度Sp, 系统抽气速度Ss及管路总流导Co之间的关系
与抽气时间有关的因素 渗透 内漏 实漏 容器体积 虚漏 放气 虚漏举例 扩散 返流 “漏”的概念 死空间 带放气孔的螺钉 由于泄漏而进入系统的质量流量以符号m: ①实际漏孔： ②系统中的捕集气体以及潜伏的气袋的气体释放所表现出的虚假漏孔： ③金属壁面或密封原料的“放气”一任何材料当被暴露于真空时，其表面和其内 部或两者同时都可能释放气体
“漏”的概念 死空间 带放气孔的螺钉 虚漏举例 与抽气时间有关的因素 容器体积 ①实际漏孔； ②系统中的捕集气体以及潜伏的气袋的气体释放所表现出的虚假漏孔； ③金属壁面或密封原料的“放气”—任何材料当被暴露于真空时，其表面和其内 部或两者同时都可能释放气体。 由于泄漏而进入系统的质量流量以符号ml：