真空系統(tǒng)的抽氣

1、1真空系統(tǒng)的抽氣方程    真空系統(tǒng)的任務就是抽除被抽容器中的各種氣體。我們可以把被抽容器中所產(chǎn)生的各種氣體的流量稱為真空系統(tǒng)的氣體負荷。那么真空系統(tǒng)的氣體負荷究竟來自哪些方面呢?或者說真空室內(nèi)究竟有哪些氣源呢?總起來說，可以歸納為下述幾個方面：    (1)被抽容器內(nèi)原有的空間大氣，若容器的容積為Vm3，抽氣初始壓強為PoPa，則容器內(nèi)原有的大氣量為VP0Pa·m3；    (2)被抽容器內(nèi)一旦被抽空，暴露于真空下的各種材料構件的表面就將把原來在大氣壓下所吸收和吸

2、附的氣體解析出來，這部分氣體來源我們稱之為放氣，單位時間內(nèi)的放氣流量可以用QfPa·m3s來示；    實驗表明，材料表面單位時間內(nèi)單位表面積的放氣率q可以用式(27)的經(jīng)驗公式來計算。    真空室內(nèi)暴露于真空下的構件表面，可能有多種材料。所以總的表面放氣流量Qf為式(49)。(3)大氣通過容器壁結(jié)構材料向真空室內(nèi)滲透的氣體流量，以QsPa·m3s表示。滲透的氣流量即是大氣通過容器壁結(jié)構材料擴散到容器中的氣體流量。氣體的這種滲透是有選擇性的，例如：氫只有分離為原子才能透過鈀、鐵、鎳和鋁；氫對鋼

3、的滲透將隨鋼中含碳量的增加而增加。氦分子能透過玻璃。氫、氮、氧和氬、氖、氦能透過透明的石英。一切氣體都能透過有機聚合物，如橡膠、塑料等。但是所有的隋性氣體都不能透過金屬。除了有選擇性之外，滲透氣流量Qs還與溫度、氣體的分壓強有關。在材料種類、溫度和氣體分壓強確定時，滲透氣流量Qs是個微小的定值。    (4)液體或固體蒸發(fā)的氣體流量QZPa·m3s?？諝庵兴只蚬に囍械囊后w在真空狀態(tài)下蒸發(fā)出來，這是在低真空范圍內(nèi)常常發(fā)生的現(xiàn)象。在高真空條件下，特別是在高溫裝置中，固體和液體都有一定的飽和蒸氣壓。當溫度一定時，材料的飽和蒸氣壓是一定的，因而蒸發(fā)的

4、氣流量也是個常量。    (5)大氣通過各種真空密封的連接處，通過各種漏隙通道泄漏進入真空室的漏氣流量QLPa·m3s。對于確定的真空裝置，漏氣流量QL是個常數(shù)。漏氣流量通?？赏ㄟ^所說的壓升率，即單位時間內(nèi)容器中的壓強增長率Px來計算式(28)。    當真空泵啟動之后，真空系統(tǒng)即對被抽容器抽氣。此時，真空系統(tǒng)對容器的有效抽速若以Se表示，容器中的壓力以P表示，則單位時間內(nèi)系統(tǒng)所排出的氣體流量即是SeP。容器中的壓強變化率為dP/dt，容器內(nèi)的氣體減少量即是V dP/dt。根據(jù)動態(tài)平衡，可列出如下方程(2

5、9)。    這個方程稱為真空系統(tǒng)抽氣方程。式中V是被抽容器的容積，由于隨著抽氣時間t的增長，容器內(nèi)的壓力P降低，所以容器內(nèi)的壓強變化率dP/dt是個負值。因而V dP/dt是個負值，這表示容器內(nèi)的氣體減少量。放氣流量Qf，滲透氣流量Qs，蒸發(fā)的氣流量Qz和漏氣流量QL都是使容器內(nèi)氣體量增多的氣流量。SeP則是真空系統(tǒng)將容器內(nèi)氣體抽出的氣流量，所以方程中記為一SeP。    對于一個設計、加工制造良好的真空系統(tǒng)，抽氣方程(29)中的放氣Qf滲氣Qs、漏氣QL和蒸氣Qz的氣流量都是微小的。因此抽氣初期(粗真空和低真空

6、階段)真空系統(tǒng)的氣體負荷主要是容器內(nèi)原有的空間大氣。隨著容器中壓強的降低，原有的大氣迅速減少，當抽空至110-1Pa時，容器中殘存的氣體主要是漏放氣，而且主要的氣體成分是水蒸汽。如果用油封式機械泵抽氣，則試驗表明，在幾十幾Pa時，還將出現(xiàn)泵油大量返流的現(xiàn)象。    2低真空抽氣時間的計算    從大氣壓開始到0.5Pa范圍的抽氣，我們統(tǒng)稱為低真空抽氣階段。這一階段的抽氣通常用油封式機械真空泵或分子篩吸附泵來完成。一般來說，油封機械泵的特性是在大氣壓到102Pa時抽速近似為常數(shù)，在102O.5Pa時抽速變化較大，而對

7、于吸附泵，5A分子篩在室溫下由大氣壓到O.5Pa時對氮氣的吸附速率近于常數(shù)；在液氮溫度下，由大氣壓到1Pa時，對氮氣的吸附量近似于常數(shù)。因此，對于低真空階段抽氣可分為近似常抽速和變抽速兩種情況來分別考慮。    (1)近似常抽速時，抽氣時間的計算    油封機械泵在大氣壓到102Pa范圍內(nèi)抽速近似為常抽速。在這一階段抽氣過程中，系統(tǒng)內(nèi)的壓強較高，排氣量較大，即使系統(tǒng)內(nèi)有些微小的漏氣和放氣，影響也不大，可以忽略漏氣、放氣、蒸發(fā)和滲透的氣流量。忽略這些微小的氣流量之后，抽氣方程(29)變?yōu)?30)。 

8、0;  不考慮管道影響和漏放氣時抽氣時間的計算    通常，被抽容器的出口到真空泵入口之間有連接管路。連接管路的影響是使得系統(tǒng)對真空容器的有效抽速Se低于真空泵的抽速Sp這說明管路對于氣體流動具有阻力，這種影響從真空技術基本方程(2a)即可看出。    我們先從最簡單的情況來研究，假定真空泵的入口直接連到容器出口上進行抽空，如圖8所示，此時沒有連接管路或是連接管路很短，其影響可以忽略不計。微小的漏、放氣流量等也忽略不計，則求解抽氣方程(31)。    由式

9、(32)可得出容器內(nèi)壓強P隨抽空時間t的變化關系式(33)。    式中各符號的意義同式(32)，式(32)是抽氣時間計算的最基本的公式。    不考慮管道影響而考慮漏放氣時抽氣時間的計算    對于任何一個被抽容器不可能沒有漏氣和放氣，當被抽容器內(nèi)的壓強較低，真空系統(tǒng)的排氣流量不是很大時，就必須考慮漏、放氣等氣流量對抽氣過程的影響，此時抽氣時間的計算式為(34)。    考慮管道影響和漏放氣時，抽氣時間的計算  &

10、#160; 實際上真空泵對容器的抽氣都是通過連接管路進行的。由于管路的影響，泵對容器的有效抽速降低了，延長了抽氣時間。因此在這種情況下需要考慮管道的影響。此時抽氣時間的計算式為(35)。    真空泵對容器的有效抽速s可以利用真空技術基本方程(2)求出。計算時需先求出真空泵入口到容器出口之間連接管路的流導C，而流導C又與氣流狀態(tài)有關，所以要根據(jù)不同的氣體流動狀態(tài),選擇適宜的流導計算公式計算連接管路的流導C。計算出連接管路的流導C，由泵的實際抽速Sp，即可通過真空技術基本方程(2)求出泵對容器的有效抽速Se。再利用式(35)即可求出對于容積為Vm

11、3的容器，從壓強P0降低到P的抽氣時間t。    (2)變抽速時抽氣時間的計算    大多數(shù)真空泵的抽速都隨其入口壓強的變化而變化，尤其是機械真空泵，當其入口壓強低于10Pa時，泵的抽速隨其入口壓強的變化更為顯著。圖9是某些真空泵的抽速特性曲線示意圖。    分段計算法    在一般情況下，計算變抽速時的抽氣時間需要首先知道泵的抽速與其入口壓強的關系。如圖10所示。假定需要求容器內(nèi)的壓力由P0降低到P的抽氣時間，則可以將P0到P這個壓強

12、區(qū)段分成n段。段效愈多，計算的抽氣時間愈接近變抽速的實際。設相應每段的抽氣時間為t1，t2titn取每段的平均抽蘧為s1，S2，SiSn，用相應的公式(36)進行各個壓力區(qū)段的抽氣時間計算，然后求其代數(shù)和即得總的抽氣時間t。    經(jīng)驗系數(shù)計算法    油封機械真空泵的實際抽速S隨其入口壓強的降低而降低。研究其抽速特性曲線發(fā)現(xiàn)，其實際抽速S與其名義抽速Sp的近似關系是(46)。式中系數(shù)K在不同壓力區(qū)間的取值如表2。    因此抽氣時間的計算可用式(37)。    應用該式計算抽氣時間時，實際上