真空工程设计（第2版）（上、下册）

我国部全面系统地论述真空工程设计的 《真空设计手册》诞生于1979年,此书是由兰州物理研究所(现兰州空间技术物理研究所)的真空学者撰著，分上、下两册,由国防工业出版社出版。该手册由金建中院士任主编,刘玉魁、谈治信、肖祥正等共同策划，由肖祥正、刘玉魁、谈治信、崔遂先、李旺奎、胡炳森、范垂祯、高本辉、薛大同、许启晋等作者辛勤耕耘辑成。 
《真空设计手册》的问世，为我国真空科学技术领域提供了一部大型工具书，为真空工程设计奠定了坚实的理论基础。 
四十多年来,《真空设计手册》深受真空、航天及真空应用相关领域广大读者的厚爱，被视为真空工程设计的经典之作；至2004年已发行了第三版。而 《真空工程设计》（上、下册）可以认为是 《真空设计手册》的姊妹篇,两者同出于兰州空间技术物理研究所学者，前者源于老一代科学家，而后者为老中青学者共同撰写。《真空工程设计》（上、下册）秉承了 《真空设计手册》之大成,同时又赋予了新的活力。随着真空科学技术的发展，不断涌现出的真空工程设计的新理念、新论述，以及大量新的真空元件、新材料、新数据被辑入书中。《真空工程设计》（上、下册）是21世纪以来真空科学技术领域又一部大型力作，为科技领域的真空工程设计提供了一部内容新颖、数据丰富、实用性强的大型工具书。 
《真空工程设计》（上、下册）涵盖了现代真空科学技术领域的成就，以崭新的面貌呈现在读者面前,与以往的真空领域的工具书相比，其特点是：①书中较全面系统地论述了真空工程设计理论、设计思想、设计方法,且在真空工程设计中得到验证是行之有效的;②真空应用领域呈现的大量新产品、新的真空元件、新型材料,特别是国外新型真空产品得到了反映,为真空工程设计提供了大量信息便于实施设计；③现代真空工程学科与多种学科息息相关,尤其与低温技术关系更为密切,互为依存。为方便于真空工程设计，本书在低温容器、制冷技术、低温元件、低温材料，以及低温测试手段等方面用了大量笔墨,作了较详尽的阐述,给读者以启迪,便于两者融会贯通;④在真空工程设计中传热问题触目皆是,如真空冶炼、真空热处理、真空干燥、真空隔热等，而航天器空间热环境模拟试验更是如此,因而,本书中对真空环境下的换热问题予以充分的重视，用了一定的篇幅进行了论述，为读者进行真空工程的热设计提供了思路；⑤在以往相关的真空工程书籍中,对真空容器设计均以传统的力学进行分析计算,而本书中容器设计引入了有限元分析,以此确定容器失稳及应力分布,为真空容器的可靠性设计提供了一种新方法;⑥真空容器制造中的三大重要工艺,即真空检漏、真空焊接、真空清洗在书中均以重要章节进行了精辟陈述,并弥补了以往相关真空书籍的不足,特别值得一提的是,所论述的工艺均被工程案例所证明,是行之有效的；⑦各类现代真空装置的设计在本书中得到反映，为读者提供了崭新的设计思想。 
本书根据读者反馈进行了修订，纠正了原书中的疏漏，并进行了全面修改，充实了大量新内容，信息量更大。增加的主要篇幅有：真空热处理炉设计；航天器空间热环境试验设备设计；食品真空保鲜及真空包装机；真空中沉积薄膜以及真空烧结、离子注入机、真空干燥、真空输送、真空脱气等。另外在真空系统设计方面增加了蒙特卡罗方法计算真空元件传输概率；湍流圆截面管道流导计算；圆截面、圆锥管、球台管、环形短管的传输概率计算；环形壳体、椭圆球形壳体结构计算；材料放气率测量、气体微流量测量装置、真空计量标准装置、离子加速器真空系统设计等；同时充实了低温材料，增补了真空材料。另外对航天器空间环境与设备也拓展了一定的篇幅，较为系统地论述了日地环境以及太阳紫外、原子氧、空间电子和质子对材料器件的损伤等；还对火箭发动机试验设备内容进行了扩展，为工程设计提供了重要参考。 
《真空工程设计》（上、下册），共29章。第1章真空概述;第2章真空物理基础;第3章真空获得技术与设备;第4章真空工程中制冷与低温技术基础;第5章真空测量仪器;第6章低温测试技术;第7章真空装置热计算基础;第8章真空管路流导计算;第9章真空系统设计;第10章真空容器设计;第11章低温容器设计与低温材料;第12章真空容器的分析设计; 第13章真空阀门;第14章低温阀门;第15章真空法兰;第16章低温法兰;第17章真空机构;第18章真空工程元件;第19章真空工程材料;第20章真空与压力容器检漏; 第21章真空与低温工程中的焊接技术;第22章真空清洁处理;第23章航天器空间环境与设备;第24章航天器空间热环境试验设备设计；第25章真空中沉积薄膜；第26章真空热处理炉设计；第27章食品真空保鲜及真空包装机；第28章真空应用装置；第29章真空工程基础数据。  
《真空工程设计》（上、下册）虽然出自兰州空间技术物理研究所科技人员之手,但从某种意义上来讲，也可以认为是我国真空界学者与专家的共同成果,书中图表、数据、公式有的来自于他们的著作和文章;而从事真空制造业的商家又为本书提供了大量的新产品资料,使之增辉。为此,编者向他们致意,并表示衷心的感谢！同时向关心本书的读者们表示感谢！东北大学张世伟教授应邀撰写了“蒙特卡罗方法计算真空元件传输概率”，弥补了本书管路流导计算的不足，特表示感谢。 
《真空》《真空与低温》《真空科学与技术》杂志，以及中国真空网曾对原版著作进行了深入报道，使读者能够更加了解本书内容，特致以谢意。 
我国航天领域著名科学家，两弹一星元勋、共和国勋章获得者孙家栋院士为本书撰写了序言,使之锦上添花,特向他表示衷心感谢！ 
我国航天领域著名科学家、神舟飞船总设计师戚发轫院士为本书题词，以勉励作者，特向他表示衷心的感谢！ 
《真空工程设计》（第2版）出版之际，时逢兰州空间技术物理研究所六十周年华诞，特以此著向五一○所老一代科学家、新一代学者及同仁献礼。 

编者于兰州空间技术物理研究所 
2022年5月16日

本书共29章,涵盖了真空工程设计的各个领域。包括真空概论;真空技术的物理基础; 真空获得技术与设备;真空工程中制冷低温技术应用基础;真空度测量仪器;低温测试技术;真空与低温技术中的热计算基础;真空管路的流导计算;真空系统的设计;真空与低温容器设计;真空容器的分析设计;真空与低温阀门及法兰;真空运动传动机构;真空工程元件;真空工程材料;容器检漏;真空低温工程中的焊接技术;真空清洁处理;航天器空间环境与设备;航天器空间热环境试验设备设计；真空热处理设备设计；真空薄膜沉积；离子注入改性；真空保鲜食品及真空包装机；各类真空应用装置以及真空工程基础数据。 本书可供各科学技术领域从事真空工程设计、研究、应用的科技人员使用,亦可供高等院校相关专业师生参考。

本书共29章,涵盖了真空工程设计的各个领域。包括真空概论;真空技术的物理基础; 真空获得技术与设备;真空工程中制冷低温技术应用基础;真空度测量仪器;低温测试技术;真空与低温技术中的热计算基础;真空管路的流导计算;真空系统的设计;真空与低温容器设计;真空容器的分析设计;真空与低温阀门及法兰;真空运动传动机构;真空工程元件;真空工程材料;容器检漏;真空低温工程中的焊接技术;真空清洁处理;航天器空间环境与设备;航天器空间热环境试验设备设计；真空热处理设备设计；真空薄膜沉积；离子注入改性；真空保鲜食品及真空包装机；各类真空应用装置以及真空工程基础数据。 本书可供各科学技术领域从事真空工程设计、研究、应用的科技人员使用,亦可供高等院校相关专业师生参考。

刘玉魁，中国航天科技集团公司五院510研究所，总师、高工，在真空与航天领域从事研究工作近五十年。出版专著及合著6部，发表研究论文几十篇。多年来的研究成果及真空工程方面的专著，在真空及航天领域颇有影响。尤其在真空工程计算方面有所建树，奠定了我国工程设计基础。 《真空设计手册》是国内真空行业的一本重要工具书。本人是“手册”编写早期发起人之一，重要作者。自1979年问世到2004年第三版出版，历经三十多年，深受读者欢迎，被真空行业认可。我在《真空设计手册》第三版中编写的内容约占三分之一篇幅。 本人从事航天环境模拟试验设备的研制工作几十年，设计过几十台与真空和低温技术紧密相关的航天环境模拟试验设备。有扎实的理论基础与丰富的工程设计经验，在此基础上先后编写了相关国家标准及行业标准三部。这些为本书的编写打下了基础。不同时期从事的研究工作，曾获得早年的《全国科学大会奖》以及以后的《国防科技进步奖》二、三等奖多次。

上册 
第1章真空概述刘玉魁 
1.1真空0001 
1.2真空计量单位0003 
1.3真空区域划分0005 
1.4真空环境特点及其应用0007 
1.4.1真空环境产生压力差0008 
1.4.2真空环境中氧和水含量显著减小0008 
1.4.3真空环境下气体分子运动的平均自由程增大0008 
1.4.4真空环境使气体分子在固体表面形成单分子层时间增长0009 
1.4.5真空环境减小能量传递0009 
1.4.6真空环境降低物质沸点而蒸发速率加快0014 
1.4.7真空环境中材料迅速脱气0014 
1.5真空系统图形符号0015 
1.5.1真空泵0015 
1.5.2压力测量仪表0016 
1.5.3挡板与冷阱0017 
1.5.4真空阀门0017 
1.5.5真空容器、除尘器、过滤器0018 
1.5.6真空管路及其连结0018 
1.5.7真空系统图例0019 
1.6真空系统设计常用术语0020 
1.6.1一般术语0020 
1.6.2真空泵0020 
1.6.3真空泵特性0022 
1.6.4真空计0023 
1.6.5真空元件0024 
1.6.6真空密封和真空引入线0025 
1.6.7真空检漏0026 
1.6.8真空系统及特性0027 

第2章真空物理基础刘玉魁 
2.1气体基本性质0029 
2.1.1气体与蒸气0029 
2.1.2玻义耳-马略特定律0030 
2.1.3查理定律0031 
2.1.4盖吕萨克定律0031 
2.1.5道尔顿分压力定律0031 
2.1.6阿伏伽德罗定律0032 
2.1.7理想气体的状态方程0032 
2.2气体分子运动理论0033 
2.2.1分子运动论的要点0033 
2.2.2气体的压力及分子动能0033 
2.2.3气体分子速度0034 
2.2.4气体的入射率0037 
2.2.5气体平均自由程0039 
2.3气体中的迁移现象0042 
2.4气体的扩散0044 
2.4.1气体的自扩散0044 
2.4.2气体的互扩散0046 
2.4.3气体的热扩散0047 
2.5气体的黏滞性0048 
2.5.1压力较高时黏滞流气体的黏滞系数0048 
2.5.2压力较低时分子流气体的黏滞系数0050 
2.6气体中的热量传递0051 
2.6.1压力较高时黏滞流气体的热量传递0051 
2.6.2压力较低时分子流气体的热传导0053 
2.6.3辐射传热0055 
2.7热流逸0056 
2.8蒸发与凝结0057 
2.8.1蒸发率及凝结率0057 
2.8.2蒸气压0059 
2.9气体在固体中的溶解0060 
2.10气体在固体中的扩散0061 
2.11气体在固体中的渗透0063 
2.11.1渗透系数及渗透气体量0063 
2.11.2各种材料的渗透性0065 
2.12气体与固体的吸附0066 
2.12.1物理吸附及化学吸附0067 
2.12.2吸附力及吸附能0067 
2.12.3吸附速率0069 
2.12.4分子沿表面迁移0072 
2.12.5吸附方程0073 
2.13气体从固体表面的解吸0076 
2.13.1解吸过程0076 
2.13.2解吸速率0076 
2.13.3材料出气0077 
2.14气体中的放电现象0079 
2.14.1气体放电特性0081 
2.14.2辉光放电0084 
2.14.3弧光放电0085 
2.14.4高频放电0086 
2.14.5电晕放电0088 
2.14.6潘宁放电0088 
2.15带电粒子在电磁场中的运动0089 
2.15.1金属的电子发射0089 
2.15.2气体电离基本原理0091 
2.15.3电子在平行电场中的运动0093 
2.15.4电子在径向电场中的运动0093 
2.15.5带电粒子在磁场中的运动0094 
2.15.6带电粒子在正交均匀电磁场中的运动0095 

第3章真空获得技术与设备闫格 
3.1概述0097 
3.1.1真空泵基本参数0097 
3.1.2真空泵型号编制方法0098 
3.1.3真空泵的分类0099 
3.1.4各类真空泵工作压力范围0100 
3.2机械真空泵0101 
3.2.1往复式真空泵0101 
3.2.2水环真空泵0103 
3.2.3旋片真空泵0104 
3.2.4滑阀真空泵0110 
3.2.5罗茨真空泵0112 
3.2.6干式真空泵0117 
3.2.7分子泵0129 
3.2.8隔膜真空泵0136 
3.3蒸汽流真空泵0137 
3.3.1水蒸气喷射泵0137 
3.3.2油扩散泵0139 
3.3.3油扩散喷射泵0142 
3.4气体捕集真空泵0142 
3.4.1溅射离子泵0142 
3.4.2低温泵0143 
3.4.3非蒸散型吸气泵0149 
3.5国产真空泵0153 
3.5.1SKY干式真空泵组及溅射离子泵0153 
3.5.2KYKY分子泵0155 
3.5.3环球真空的真空泵产品0161 
3.5.4浙真集团真空泵0167 
3.5.5博开科技DZB系列低温泵0170 
3.5.6纪维无油涡旋真空泵0172 
3.5.7华特HTFB复合分子泵0174 
3.5.8上海真空泵厂真空泵0174 
3.5.9南光机器F型分子泵及2XZ型及2X型旋片式真空泵0176 
3.5.10国产Z型系列油扩散喷射真空泵0177 
3.5.11国产K型系列油扩散真空泵0177 
3.5.12淄博真空设备厂真空泵0184 
3.5.13海乐威真空泵产品0185 

第4章真空工程中制冷与低温技术基础杨建斌 
4.1概述0188 
4.2低温制冷技术基础概念0189 
4.3获得低温的方法0191 
4.3.1相变制冷0192 
4.3.2气体绝热膨胀制冷0192 
4.3.3半导体制冷0193 
4.4制冷低温工质及载冷剂0193 
4.4.1制冷工质0194 
4.4.2载冷剂0202 
4.4.3低温工质0213 
4.4.4低温工质物性数据0219 
4.5蒸气压缩循环制冷0280 
4.5.1单级蒸气压缩循环制冷0280 
4.5.2复叠式蒸气压缩制冷循环0286 
4.5.3内复叠式蒸气压缩制冷循环0288 
4.6气体液化制冷技术0289 
4.6.1气体液化循环0289 
4.6.2低温液体在冷却中的应用0292 
4.7气体循环低温制冷技术0296 
4.7.1逆布雷顿循环低温制冷系统0296 
4.7.2逆斯特林循环制冷系统0298 
4.7.3吉福特-麦克马洪（G-M）制冷机0300 
4.7.4脉管制冷机0302 
4.8制冷设备0305 
4.8.1压缩机0305 
4.8.2换热器0311 
4.8.3节流元件及膨胀机0318 
4.8.4辅助设备0322 

第5章真空测量仪器肖祥正冯焱 
5.1真空计的分类0328 
5.2弹性变形真空计0328 
5.2.1布尔登规(真空压力表)0329 
5.2.2薄膜真空计0329 
5.3石英真空计0330 
5.3.1石英真空计的工作原理0330 
5.3.2石英晶振谐振阻抗的测量0330 
5.4热传导真空计0331 
5.4.1电阻真空计（皮拉尼真空计）0331 
5.4.2热偶真空计0333 
5.4.3热传导真空计的优缺点0334 
5.5热阴极电离真空计0334 
5.5.1普通热阴极电离真空计0334 
5.5.2B-A真空计0335 
5.6冷阴极磁控放电真空计（潘宁真空计)0337 
5.7四极质谱计0338 
5.7.1四极质谱计的结构0338 
5.7.2四极质谱计的工作原理0338 
5.7.3四极质谱计的主要性能指标0341 
5.7.4四极质谱计的工作模式0343 
5.7.5气体成分的判别0344 
5.7.6分压力的计算0346 
5.8真空质量监控仪0347 
5.8.1工作原理0347 
5.8.2系统的标准配置0348 
5.8.3835VQM质谱仪的特性0349 
5.9磁偏转质谱计0350 
5.9.1磁偏转质谱计的结构0350 
5.9.2磁偏转质谱计的工作原理0351 
5.9.3磁偏转质谱计的主要性能指标0351 
5.10国产各类真空计主要技术性能0353 
5.11质量流量计0360 
5.11.1MFC用途和特点0360 
5.11.2热式MFC工作原理0360 
5.11.3MFC使用0360 
5.11.4国内外MFC发展状况介绍0361 
5.11.5MFC在真空设备中的典型应用和注意事项0365 
5.11.6北京七星华创电子股份有限公司质量流量计0365 

第6章低温测试技术石芳录 
6.1概述0366 
6.1.1低温范围划分及获得0366 
6.1.2温度标准与传递0367 
6.2低温温度测量0369 
6.2.1低温温度计原理及分类0369 
6.2.2低温温度计的选型及应用0370 
6.2.3几种常用低温温度计0371 
6.2.4低温温度测试技术的发展0389 
6.3低温介质液面测量0391 
6.3.1浮子式液面计0391 
6.3.2压差式液面计0392 
6.3.3电容式液面计0394 
6.3.4电阻式液面计0395 
6.3.5超声波液面计0397 
6.4低温介质流量测量0398 
6.4.1节流式流量计0398 
6.4.2涡轮流量计0399 
6.4.3涡街流量计0401 
6.4.4螺翼式流量计0403 
6.4.5超声流量计0404 
6.4.6热式和角动量式流量计（质量流量计）0404 
6.4.7低温流量计的标定0405 
6.5低温介质的压力测量0408 
6.5.1压力概念及定义0408 
6.5.2液柱式压力计0408 
6.5.3弹性式压力计0409 
6.5.4压力变送器及应变式压力计0410 
6.5.5低温压力测量及测压设备的安装0413 

第7章真空装置热计算基础刘玉魁 
7.1热传导0415 
7.1.1通过平壁的导热0415 
7.1.2圆筒壁的导热0416 
7.1.3各种类型热传导简图及热量计算公式0416 
7.1.4金属材料热导率0419 
7.1.5非金属材料热导率0420 
7.1.6保温材料的热导率0423 
7.1.7接触热阻0424 
7.2低压下气体分子热传导0425 
7.3辐射传热0428 
7.3.1一个表面被另一个表面全包围辐射换热0429 
7.3.2两平行表面之间辐射换热0429 
7.3.3两个表面之间置入n块辐射屏0430 
7.3.4各种材料的发射率0430 
7.4辐射换热角系数及其基本特性0437 
7.4.1辐射换热角系数概念0437 
7.4.2辐射换热角系数基本特性0437 
7.4.3微元面对有限面的角系数0439 
7.4.4有限面对有限面的角系数0442 
7.5对流换热0446 
7.5.1计算传热系数所用特征数0447 
7.5.2传热系数计算基本公式0448 
7.5.3管内受迫流动换热关联式0450 
7.5.4外掠单管换热准则关联式0451 
7.5.5外掠管束0451 
7.5.6热计算用的气体及液体物理性质0452 
7.5.7流体沿平板及圆板自然对流与强迫对流时传热系数计算0455 
7.5.8空气中自然对流传热系数0456 
7.6真空绝热0456 
7.6.1高真空绝热0456 
7.6.2真空多孔绝热0456 

第8章真空管路流导计算刘玉魁 
8.1气体流量、流阻、流导的基本公式0459 
8.2流量单位0459 
8.3应用列线图和曲线计算管道串联时的流导和泵的有效抽速0459 
8.4气体沿管道的流动状态0460 
8.4.1湍流0461 
8.4.2黏滞流0461 
8.4.3分子流0461 
8.4.4黏滞-分子流0462 
8.4.5湍流与黏滞