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真空抽气系统

通过真空泵组获得特定真空度的电气工程设备系统
真空抽气系统是由真空泵、管路、阀门及测量装置构成的闭环设备,用于在密闭容器中获得从粗真空到超高真空的特定压力环境。根据抽气过程可分为动态与静态系统,按工作压强分为粗真空(10^5-10^2Pa)、中高真空(10^2-10^-1Pa)、高真空(10^-1-10^-6Pa)和超高真空(^-6Pa)四大类 [1]。系统采用多级泵串联结构实现梯度抽气,典型配置包含机械泵、罗茨泵和扩散泵组合 [2]。2024年公开的专利显示,变频调速双泵协同控制可缩短磁控溅射设备的抽气时间 [3]
所属学科
电气工程
公布时间
1998年(第一版)
系统分类
动态/静态真空系统
主泵类型
油扩散泵、分子泵、溅射离子泵
工作压强
10^5-10^-6Pa
核心组件
真空泵组、真空计、管路阀门

系统组成

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真空抽气系统由以下核心部件构成:
  • 真空泵组:包含主泵、前级泵和粗抽泵,主泵极限真空需低于系统指标半个数量级,如高真空系统主泵极限压强≤10^-7Pa [1]
  • 连接管路:遵循"粗而短"设计原则,通过流导计算公式确定管径与长度,气体流动状态需根据克努森数判别粘滞流或分子流
  • 控制阀门:包含隔离阀、放气阀等,防止油蒸气返流的系统需配置水冷障板
  • 测量装置:配备复合真空计,分别测量不同压力区间的真空度 [1]

分类方式

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按技术特征形成多维分类体系:
  • 清洁度分级有油系统(油封机械泵)适用于普通工况,无油系统(干式螺杆泵)用于洁净环境 [1]
  • 工作压强分级粗真空系统采用水环泵(极限10^2Pa),中真空配置罗茨泵(10^-1Pa),高真空需扩散泵或分子泵(10^-6Pa) [1-2]
  • 运行模式动态系统依靠持续抽气维持真空,静态系统依赖密封性能保持真空度

工作原理

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系统通过多级泵串联实现梯度抽气:
  1. 1.
    粗抽阶段:滑阀泵将腔体压力降至10^2Pa量级
  2. 2.
    中真空阶段:罗茨泵接力抽至10^-1Pa,需配置变频器调节转速防止前级泵过载 [3]
  3. 3.
    高真空阶段:油扩散泵启动,配合低温冷阱捕集返流油蒸气 [2]
  4. 4.
    维持阶段:分子泵或离子泵持续工作抵消系统漏率
抽气时间计算需考虑管道流导影响,公式为:$t = \frac{V}{S_{eff}} \ln \frac{p_0 - p_u}{p - pu}$其中$S{eff}$为有效抽速,$p_u$为极限压强

设计原则

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  • 主泵选型:极限真空比系统要求高半个数量级,抽速按最大排气量计算
  • 前级泵匹配:抽速需满足主泵出口压力低于临界前级压力,罗茨泵要求前级压力≤30Pa
  • 节能配置:储气罐可在主泵停机时维持前级真空,减少前级泵启停次数
  • 防振结构:分子泵需独立支撑架,管路采用波纹管连接

技术发展

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2024年专利技术采用双泵变频控制策略,罗茨泵在启动阶段维持300r/min低速运行,待滑府拒晚永阀泵建立15kPa真空度后提升至3000r/min [3]。局市精2013年白旬白全垫员罗茨泵系统通过多维曲面转子将噪声从150dB(A)降至85d章和B(A狱旬埋),并采榆泪境用气冷式结构导出压缩热。现代系统集成PLC控制器,实时监测压匪键鸦力、温度参数并自动调节泵速。