1、毕 业 设 计2013 年 6 月 7 日设计题目 小型真空系统及其加热装置的设计 学生姓名 廖 世 云 学 号 20090766 专业班级 机械 09-10 班 指导教师 方应翠 院系名称 机械与汽车工程学院 目 录中文摘要 .1英文摘要 .21 绪 论 .31.1 真空镀膜的意义 .31.2 真空镀膜技术在国内外的发展状况 .41.3 真空加热烘烤的重要性 .51.4 课题的研究的任务及背景 .62 设计方案的确定 .72.1 加热装置的选择 .72.1.1 加热烘烤装置的类型 .72.1.2 加热烘烤装置的确定 .82.2 加热元件的选择 .82.2.1 加热元件的种类 .82.2.2
2、加热元件的选择 .92.3 加热箱体的内部结构设计 .112.4 加热烘烤过程中的温度控制方案 .123 真空系统的设计及计算 .143.1 真空系统简述 .143.2 玻璃真空管壁厚的计算 .143.3 真空室选泵的计算 .153.3.1 粗算主泵抽速 .153.3.2 流导计算 .153.3.3 精算主泵抽速 .163.3.4 前级泵的计算 .163.3.5 抽气时间的计算 .183.3.6 计算扩散泵的抽气时间 .203.4 加热时间的计算 .233.4.1 玻璃真空室吸热量的计算 .233.4.2 中间空气吸收的热量 .233.4.3 计算加热时间 .253.5 系统概况 .264.设
3、计系统的操作流程 .27结论 .29谢 辞 .30参考文献 .31第 0 页小型真空系统加热装置设计摘要: 本次毕业设计主要是针对小型真空系统的加热装置进行的，一个好的真空系统，要保证真空室有一个良好的高真空环境，需要有一个稳定的加热系统。由于真空系统体积较小且为玻璃圆柱状，内部的气体不易抽出，故需要对其进行加热处理，设计中选择外部圆筒式烘烤箱加热的方式，内部是以高温铁铬铝合金丝为电阻丝的单管红外石英加热灯管，以正六边形各顶点的位置分布于箱体内壁，以达到加热的均匀性，排出气体效果良好，达到高真空的目的。同时，对加热温度进行简单的电路控制，使加热烘烤温度能稳定在所需温度范围，达到控制的自动化，不
4、需要每次都手动操作，保证了加热的稳定性和持续性。关键词：小型真空系统；加热烘烤箱；加热温度控制；第 1 页Abstract: The graduation project is primarily for small heating device vacuum system.A good coating machine must have a good high vacuum environment and a stable heating system. Because the vacuum system is small and it is made of cylindrical glas
5、s, the external cylindrical ovens heating mode has been chosen .The interior of the system is a single tube of quartz infrared heating lamps, whose resistance wire is made by high temperature iron-chromium alloy wire. And they are located in the housing wall in the position of the vertices of a regu
6、lar hexagon, in order to achieve uniformity of heating and a good effect of the exhaust gas. So, it can achieve the purpose of high vacuum. Meanwhile,designing the simple control circuit of the heating temperature keep the heating and baking temperature can be stabilized at the desired temperature r
7、ange. The equipment can ensure the heat stability and sustainability that do not require manual operation each time .Keywords: Small vacuum system; heating ovens; heating temperature control; 第 2 页1 绪 论1.1 真空镀膜的意义随着我国电子科技、食品加工、医疗生产等方面的不断进步，真空镀膜广泛应用在电真空，电子学、光学、能源开发、现代仪器、建筑机械、包装、民用制品、表面科学、以及原子能工业和空间技术
8、中。在真空系统中的镀膜技术，是真空应用技术的重要组成部分，是一项综合的、应用范围很广的先进技术，是许多前沿学科发展的基础技术之一，同时也是当今信息时代中许多高新技术发展必不可少的手段。这一技术目前之所以得到飞速发展是因为它不仅仅是单一的真空应用技术，而是以真空技术为基础，利用物理或化学的方法，并且吸收了电子束、分子束、离子束、等离子体、射频、磁控等一系列新的技术，从而为科学研究与生产提供了膜层涂覆的新工艺，新技术的结果。用真空镀膜技术代替传统的电镀工艺，不但能节省大量的膜材和降低能耗，而且还会消除湿法镀膜中所产生的环境污染。因此国外在钢铁零件涂覆防腐层和保护膜方面，已采用真空镀膜工艺来替代电镀
9、工艺，在冶金工业中，为钢板和钢带加镀铝防护层已很普遍。在机械制造工业中，真空镀膜工艺用于改变某些加工工艺和节约贵重的原材料，再如汽车制造业中采用塑料制品金属化零件代替各种金属零件，即减轻了汽车的重量又节约了燃油的消耗。在玻璃上镀滤光膜和低辐射膜，可使阳光射入。而作为室内热源的红外辐射又不能通过玻璃辐射出去，这在高纬度地区也可以达到保温节能的目的。真空镀膜技术及设备在当今和未来都拥有十分广阔的应用领域和发展前景 特别是在制造大规模集成电路的电学膜：数字式纵向与横向均可磁化的数据纪录储存膜：在能充分展示和应用各种光学特性的光学膜；在计算机显示用的感光膜；在TFT、PDP平面显示器上的导电膜和增透膜
10、；在建筑、汽车行业上应用的玻璃镀膜和装饰膜；在包装领域用防护膜、阻隔膜；在装饰材料上具有各种功能装饰效果的功能膜；在工、模具上应用的耐磨超硬膜：在纳米材料研究方面的各种功能性薄膜等等都是在真空镀膜技术及设备在广泛应用的基础上得到的不断发展的领域。真空镀膜工艺技术的不断发展，也推动了真空镀膜设备的不断更新，真可第 3 页谓是一代工艺、一代设备，而各类新的真空镀膜设备的出现，又为先进、复杂的工艺应用于工业化生产提供了可靠的保证。所以针对镀膜设备中的一些方面进行改进，以此来尽量使镀膜设备完善，提高真空系统的工作效率，研究的小型真空系统的加热装置，属于真空系统中密不可分的一个部分，对其结构进行改进和创
11、新，不断优化加热装置，使真空室在加热时热量分布均匀，排出气体效果良好，达到高真空系统的要求，同时是对整个真空系统设备的改进，也是对真空镀膜工艺技术的提高。1.2 真空镀膜技术在国内外的发展状况从中国的真空镀膜技术及设备的发展历史来看，是从20世纪60年代开始的，从无到有，从模仿设计、自行研制到技术引进，并在技术引进的基础上促进了自行研制和发展，特别是在20世纪80-90年代我国的真空镀膜技术及设备都取得了长足的发展，在一些薄膜的应用领域里甚至得到了跨越式的进展。但随着中国进入WTO和世界经济全球化进程的加快，我国的真空镀膜技术及设备已经面临和正在面临着国外拥有先进的真空镀膜技术和设备的跨国公司
12、的强有力的竞争和挑战，这种竞争和挑战迫使我们要同世界贸易组织的其它成员国一样，在同等条件下参与整个世界市场的竞争。但机遇也伴随竞争和挑战降临，主要的机遇在于中国入世后将逐步成为世界各经济国的加工基地，同时设备制造的国际性优质配件的采购也将更容易，采购成本也会降低，国产设备的品质会得到大幅度的提高。从目前真空镀膜设备的市场发展现状来看，国外许多实力雄厚的真空镀膜设备生产商已在中国成立了许多合资或独资的加工企业，并将一些新的真空镀膜工艺技术和产品移植到这些企业中来。因此我国真空镀膜设备在今后三五年内的主要市场除了国内的企业外，外商投资企业也是设备需求新的增长点。但是在真空镀膜技术和设备上国内和国外
13、还存在很大的差距。我们国内的镀膜设备研发的创新意识还不够，国内真空镀膜设备的生产厂家，主要考虑的是国内的中、低端市场，常常受用户给出的低价格所迫，以牺牲设备的性能和可靠性来赢得市场，而生产厂家也缺乏对设备研制的能付诸于实施的中长期规划。这样就使得对新技术、新工艺的应用迫切性降低，而给国外厂家创造了进第 4 页入中国市场的大好机会。目前国内的生产厂商以中、小规模居多，规模小，综合实力低。由于国内的整体配套更新较慢，加工设备较差，加工手段不先进，造成产品的一致性差，产品质量在许多方面低于国外同类产品的水平。可是我们国内在真空镀膜技术的发展和应用上也有很多明显的优势。首先是资源上的优势，我国有近20
14、多个有一定规模的真空镀膜设备的研制和生产厂家，并都拥有一支有一定技术水平和研发能力的技术队伍和销售网络，整个真空行业是有凝聚力的。从全行业的研制生产规模和从业人数上来看都是具有一定优势的。其次是市场上的优势，随着中国进入WTO以后，中国将逐步成为世界最大工业产品的加工基地，中国范围内就有巨大的市场发展空间。还有研制和制造成本上的优势，国内的主要真空镀膜设备生产企业，同国外厂家相比都具备低的人工成本和低的加工设备和工作场地的租金成本(或资产占用费)，这也许是国外许多同类企业无法比拟的优势。所以我们要发展我们的优势，自主创新，及时地响应市场发展的需求变化，积极跟踪国外的先进工艺技术及设备的进展，采
15、用引进部分先进技术和生产模式，同国外著名真空镀膜厂家的合作方式，推行关键部件国际化采购的方式，提高我国真空镀膜设备的质量及整体的技术水平，以真正能适应市场发展的需求。近年来，随着表面和薄膜科学，微电子器件及纳米技术等迅速发展，将使开发和检测方法体系的研究成为真空镀膜技术中的发展重点；而电子束蒸发源将是真空镀膜技术中的一种重要的加热方法和发展方向；目前计算机和信息技术的基础使超大规模继承电路；但下个世纪的基本元件将是纳米电子集成电路。它是微电子器件的下一代，有自己的理论，技术和材料。现有微电子器件的主要材料是极纯的硅，锗等晶体半导体。纳米电子器件可能是以有机或无机复合晶体薄膜为主要原理，要求纯度
16、更高，结构更完善，真空制备的清洁环境，有希望加工组装出纳米电子器件所要求的结构。1.3 真空加热烘烤的重要性在真空镀膜的过程中，镀膜系统的好坏对膜的影响非常大，镀膜室是一个真空度要求比较高，环境要求比较严格的空间。一台好的镀膜机，要保证镀膜室有一个良好的高真空环境，就需要有一个稳定的加热系统，真空系统的加热第 5 页装置，属于真空系统中密不可分的一个部分。如果所使用的加热方式不当，很可能达不到镀膜所要求的高真空度，这会对镀膜造成影响，使所镀膜的性能不符合要求，造成极大的损失。所以，需要对真空加热装置进行设计改进，选择合理的加热方式，安装在正确的位置，使热量均匀扩散，达到排出杂气提高真空度的目的
17、。1.4 课题的研究的任务及背景要求在保证真空度的情况下，对加热装置的结构进行改进设计，尽可能的优化真空室的加热烘烤装置的结构位置，使其实用性提高，同时也提高设备的使用寿命。 认识真空系统加热方法，包括对真空室和真空室内零部件的加热；查文献和工具书认识样品加热装置的具体结构；设计一种新型的对真空室加热的装置，并配置简单的真空系统；用CAD画出零件图，系统图，并用Solid word画出系统或部分零件图。第 6 页2 设计方案的确定2.1 加热装置的选择加热烘烤装置主要用红外管加热器、电阻丝作为加热元件。通常用红外管加热器安全可靠、寿命长，但被烘烤真空系统的形状受到一定限制。电阻丝使用方便、价格
18、低廉，而且被烘烤设备的形状不受限制。 常用的烘烤除气装置根据被烘烤材料特点大致分成下面几种类型：1 整体真空烘箱、2 分离式烘箱、3 烘烤带、4 红外管加热器2.1.1 加热烘烤装置的类型a.整体真空烘箱整体式真空烘箱适用于玻璃真空镀膜机、小型部件及电子器件的烘烤除气。常用的真空烘箱有两种结构：加热器放在真空罩中的内热式烘箱和放在真空罩外部的外热式烘箱。内热式烘箱的加热器不能使用普通电炉丝，因为它们在真空中容易蒸发，所以常用 W 或 M0 丝作加热器。外热式烘箱利用不锈钢钟罩将加热器与被加热部件隔开，部件依靠钟罩加热后产生的辐射热加温。其优点是加热温度均匀避免了加热器直接面对部件带来的蒸发物污
19、染问题。此外还可采用加热器与钟罩活动连接型式，由于加热器可以从钟罩上取走，因此被加热部件冷却快，使用方便。 真空烘箱的真空度一般应高于 lO-2Pa。真空度过低会影响除气效果，还容易产生放电甚至电弧现象，另外发热材料容易氧化并蒸发污染被加热部件。 真空烘箱的一个附带用途是通过改变烘箱内的气压对被加热器件进行高灵敏度的快速检漏。b.分离式烘箱即将整体烘箱分成几块电热板，使用时遥过连接件组合起来。这种烘箱对被烘烤对象的形状适应性强，适用于形状复杂的真空设备的烘烤。c.用电阻丝和玻璃纤维布做成“烘烤带” ，包在被烘烤设备的外部对设备进行加热除气。这种型式适用于形状复杂真空系统及设备的临时性烘烤或局部
20、烘烤。d.在真空设备外部敷上红外管加热器对设备进行加热。适用于大型、中型真空镀膜机的烘烤。 第 7 页2.1.2 加热烘烤装置的确定根据设计任务的要求，要对一直径为 60mm，长度为 800mm 的真空玻璃管进行加热烘烤，使其获得较高真空度。由于所给的加热烘烤对象是一体积较小的玻璃真空管，不能在该真空管内部设计加热装置，所以选择采用外部加热烘烤箱的加热方式。同时，玻璃真空管为圆柱式，故加热烘烤箱的内部也采用圆筒状的结构。图 2.1.2.1 加热烘烤箱体的外形2.2 加热元件的选择2.2.1 加热元件的种类a.单管石英红外线加热灯管红外线灯管是将钨丝伸入充气的石英管中构成。钨丝在交流电压作用下发热并加热石英管中的气体，由此产生红外线辐射。 石英近红外、远红外灯采用透明或半透明石英玻璃作为灯管外壳可生产近红外线或远红外线辐射谱线，红外线灯管主要用于工业加热或烘干，如玻璃制品、金属零件、线路板封装、胶片等，以及其它烘干、干燥、加热，其优点是清洁、温度高、节能、安全、使用方便并且发热均匀。b.镀膜反射红外线灯管特性：所有单管及双管红外线石英加热器，包括短波、中波及快速中波加热灯管都可在背面镀金，镀陶瓷反射涂料。可大幅降低背面非加热方向之温度，减少设备或炉体之高温，并可省去反射罩之使用。镀金或镀陶瓷反射层可集中热能于加热方向，提高热效率并节省电能。
