第9章 真空系统的设计
9.1 真空系统设计原则
真空系统设计包含的内容有真空室设计、真空材料选择、各种抽气手段配置、真空规选用、真空管路流导计算、焊接方法、清洗工艺、检漏手段等。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。由于使用目的不同，构造真空系统的方式也不同，但设计原则大致相同，概述如下。
①确定真空系统的使用要求。要求中应含真空室的几何尺寸；极限压力、工作压力、本底压力、残余气体允许值；被抽气体成分、温度、是否有害；油污染的影响；运行周期；以及其他特殊要求，如振动、噪声等。
②确定真空室的几何尺寸。依据产品与试验物的大小确定真空室的几何尺寸，并选择真空室为卧式、立式以及相应的大门开启方式。
③产品与试验物所需真空条件。根据生产工艺要求，确定工作压力、本底压力、极限压力。
工作压力，即在真空室中为实施某种工艺所必需的压力，也可能是一定的压力范围。工作压力确定需要慎重，只要满足工艺要求即可，不能有过高要求。否则可能使主泵的抽速几倍地增加，造成投资及运行费用大幅度上升。
本底压力，即主泵开始抽气后，在要求的时间内，所能达到的压力。本底压力与工作压力不同，本底压力通常是根据工作气体纯度要求而提出来的。如离子束刻蚀机，为了保持氩气纯度，需要将真空室抽至低于5×10-3Pa压力以下，然后通入氩气，维持工作压力为1×10-2～5×10-2Pa。前者称为刻蚀机需达到的本底压力，而后者称为工作压力。
极限压力，即真空室空载，启动各种抽气手段，经过长时间的抽气后达到的最低压力。极限压力对真空装置而言，它的实用性不像工作压力及本底压力那样重要，不必苛求。一般低于工作压力半个或一个数量级。如工作压力为5×10-3Pa，那么极限压力为1×10-3～5×10-4Pa。极限压力主要决定于真空室的漏率、材料的出气率及真空室内材料的蒸气压。
④选择抽气手段。选择抽气手段，首先要考虑油、脂蒸气对产品的影响，而后是极限压力、工作压力、残余气体成分、被抽气体成分及温度等因素。抽气手段包括使用主抽气泵（简称主泵）的前级泵及粗抽泵或泵组。此三类泵的功能相异。主泵即真空装置用来获得工作压力的泵。如真空退火炉选择油扩散泵作为主要抽气手段，那么扩散泵可称为主泵。然而油扩散泵不能将气体直接排到大气中，其排气口需接上另一种泵，用以保持排气口压力小于扩散泵的临界前级压力，这种泵称为前级真空泵（简称前级泵）。如扩散泵排气口串接的旋片真空泵等。
粗抽泵或粗抽泵组是从大气压下，将真空室抽到主泵能达到启动压力的真空泵或者真空机组。选择粗抽泵或泵组，首先考虑油蒸气是否构成污染，其次是真空室的容积及允许的粗抽时间。若真空室工作状态对油蒸气敏感，需要考虑在粗抽泵进气口设置阱来捕获油蒸气，或者用无油干泵作为粗抽泵。
⑤真空计的选择。真空计根据极限压力、工作压力、气体成分、测量精度等要求来选择。真空计的布点应能代表真空装置最关心位置的真空度。
⑥确定真空抽气管路。主抽气管路设计，包括选择主阀、障板、阱等。粗抽与前级管配置，包括油捕集器、过滤器、粗抽泵排气口油雾捕集器、消声器、各种阀门等。这些管路元件是按需要选择的，各类真空装置要求不同，配置亦不同。
根据管路中各种管道及元件计算出流导值是否满足设计要求。管道的选择遵循粗而短的原则。一般来讲，管道的直径与真空泵入口直径相当。
⑦真空泵选型。真空泵的种类依据④的原则确定后，尚需根据极限压力、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，以及确定管路中各种真空元件，绘制真空系统抽气原理图。
⑧真空材料的选择。真空系统中使用的材料主要包括两类，即壳体材料及密封材料。真空室及管路所用材料称为壳体材料，而各种静密封及动密封材料统称为密封材料。无论是壳体材料，还是密封材料，选择的主要依据是真空装置的真空度。超高真空装置，壳体材料必须用不锈钢，而密封材料选择金属材料。高真空装置，壳体材料用不锈钢或者碳钢均可以，主要考虑生产工艺过程产生的气体是否对材料有腐蚀。通常选用不锈钢或碳钢镀镍，或其他涂敷工艺。密封材料选择橡胶密封。低真空装置选择材料主要考虑被抽气体是否有腐蚀性问题。
真空管路的粗抽管道及前级管道，一般选择无缝钢管，而高真空管道材料与真空室壳体材料相同。
⑨真空检漏。真空室的漏率控制非常重要，在真空系统设计时，需要统一考虑，特别是大型真空系统，倘若考虑不周，可能出现局部焊缝无法检测。真空系统检漏包括制订检漏方案、检漏仪器选择、检漏方法确定，以及加工过程中不同工序的检漏，最终给出评价结果。
真空室及管路、元件所需漏率根据真空度要求确定，只要能满足工作压力、极限压力及本底压力即可，无需要求过高，否则将增加无谓的制造成本。
⑩焊接方法选择。依据壳体材料及真空装置所需真空度选择焊接手段。真空容器成型通常采取内焊缝，有利于清洗，不会形成死空间，有利于抽气。
⑪真空清洁处理。真空系统中各种元件均需经过机械加工，在加工中会受到润滑油、冷却液、汗痕，以及环境的污染。为了获得预期的真空度，必须采用不同方法进行清洁处理。