該部分將簡(jiǎn)要的討論兩個(gè)真空系統(tǒng)中的兩個(gè)基本問題：

1）根據(jù)真空設(shè)備產(chǎn)生的氣體量、工作壓力、極限真空及抽氣時(shí)間，選擇合適的主泵，確定管路及選擇真空元件；

2）計(jì)算真空設(shè)備的抽氣時(shí)間，或計(jì)算給定時(shí)間下真空設(shè)備所能達(dá)到的壓力。

1.真空室的極限壓力?

真空室能夠達(dá)到的極限真空，由下式?jīng)Q定：

其中：pj?為真空室能夠到達(dá)的極限真空，[Pa]；po為真空泵的極限真空，[Pa]；pv?為真空室內(nèi)材料的蒸汽壓，[Pa]；Q0?為空載時(shí)長期抽氣后真空室的氣體負(fù)荷，包括漏氣、材料表面出氣等，[Pa?L/s]；Sn為真空室抽氣口處泵的有效抽速，[L/s]。

由上式可知，真空室的極限壓力總是低于真空泵機(jī)組的極限真空，兩者之差取決于Q0?/Sp，抽氣口處泵抽速一定的情況下，真空泵極限真空正比于真空室的漏氣和出氣。

真空室內(nèi)材料的蒸汽壓也會(huì)影響極限真空。而對(duì)于漏氣率一般選取低于工作狀態(tài)下氣體負(fù)荷（工藝生產(chǎn)中放出的氣體量）的1/10。

2.真空室的工作壓力

真空室正常工作壓力由下式?jīng)Q定：

其中：pg為真空室工作壓力，[Pa]，Q1?為工藝生產(chǎn)中真空室的氣體負(fù)荷，[Pa?L/s]。

由上式可知，真空室工作壓力要高于其極限壓力，越接近極限真空，真空抽氣設(shè)備經(jīng)濟(jì)效率越低，因此做好在主泵最大抽速附近選擇工作壓力。

一般工作壓力多半選擇在高于極限壓力半個(gè)到一個(gè)數(shù)量級(jí)。

3.真空室抽氣口處泵的有效抽速

最簡(jiǎn)單的真空抽氣系統(tǒng)由真空室、管路及真空泵依次連接組成，如下圖：

圖1 真空抽氣系統(tǒng)示意圖

真空室的氣體負(fù)荷Q?通過流導(dǎo)為U?的管路被真空泵機(jī)組抽走，其中S?為真空室抽氣口的有效抽速，而p、pp?分別為管道入口和出口壓力，Sp?為真空泵的抽速，在動(dòng)態(tài)平衡時(shí)：

由上式可知，如果管道流導(dǎo)U?很大，即U遠(yuǎn)大于Sp?時(shí)，S≈Sp，此時(shí)的有效抽速S?只與泵相關(guān)，若U?遠(yuǎn)小于Sp?時(shí)，有效抽速S 則受到管道流導(dǎo)的限制。

因此為了提高泵的有效抽速，必須使管道流導(dǎo)盡可能大，因而管道應(yīng)當(dāng)短而粗，高真空管道更應(yīng)如此。

在一般情況下，對(duì)于高真空管道，泵的抽速損失不應(yīng)大于40% ~ 60%，對(duì)于低真空管道，其損失允許5% ~ 10%。

4.抽氣時(shí)間計(jì)算

4.1低真空及中真空下

在粗真空、低真空下，真空設(shè)備本身內(nèi)表面的出氣量與設(shè)備總的氣體負(fù)荷相比，可以忽略不計(jì)，因此此時(shí)計(jì)算抽氣時(shí)間不考慮出氣的影響，假定泵的抽速在其抽氣范圍內(nèi)近似為常量切管道流導(dǎo)很大時(shí)（U?遠(yuǎn)大于Sp）；若漏氣量很小以至于可以忽略時(shí)，真空設(shè)備由pi??降到p 所需要的抽氣時(shí)間t [s]：

若漏氣量Q0?很大以至于不能忽略時(shí)，真空室所能達(dá)到的極限壓力P0=?Q0?/S，真空設(shè)備由Pi? 降到P 所需要的抽氣時(shí)間t [s]：

其中，t 為抽氣時(shí)間，[s]；V 為真空設(shè)備容積，[L]；S 為泵的有效抽速，[L/s]；Sp?為泵的名義抽速，[L/s]；p 為設(shè)備經(jīng)過時(shí)間t抽氣后的壓力，[Pa]；Pi?為設(shè)備開始抽氣時(shí)的壓力，[Pa]；P0?為真空室的極限壓力，[Pa]；U 為管道的流導(dǎo)，[L/s]；Q0?為空載時(shí)長期抽氣后真空室內(nèi)的氣體負(fù)荷，包括漏氣及材料表面出氣，[Pa?L/s]。

4.2高真空下

在高真空領(lǐng)域，真空泵主要抽走的不是空間中的氣體，而是材料出氣產(chǎn)生的氣體，這一點(diǎn)與低真空范圍是不同的，因而高真空抽氣時(shí)間主要取決于材料出氣的時(shí)間。

在剛開始抽氣的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，材料出氣率是變量，因而真空室的總出氣量是隨抽氣時(shí)間而衰減，計(jì)算到達(dá)某一壓力所需要的時(shí)間由總出氣量和泵有效抽速的比值決定，一般可用查材料出氣率曲線和繪圖的方法進(jìn)行計(jì)算。

例如計(jì)算抽到壓力P 所需的抽氣時(shí)間步驟：

1）計(jì)算真空室平衡壓力為P 時(shí)的出氣量Q，其值等于泵或泵機(jī)組在壓力為P 時(shí)的排氣量[Pa?L/s]：

2）計(jì)算真空室中材料表面為A 的平均氣速率?[Pa?L/s]：

（3）根據(jù)材料出氣率曲線（可參考《真空工程設(shè)計(jì)》-劉玉魁），查出的點(diǎn)，與此點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的時(shí)間，即為達(dá)到平衡壓時(shí)所需要的時(shí)間。

4.3真空室壓力降至某一壓力值時(shí)的抽氣時(shí)間

真空室壓力降到初始?jí)毫Φ?/2時(shí)的抽氣時(shí)間：

真空室壓力降到初始?jí)毫Φ?/10時(shí)的抽氣時(shí)間：

真空室壓力降到初始?jí)毫Φ?/e時(shí)的抽氣時(shí)間：

其中，V 為真空室的容積，[L]；S 為泵或機(jī)組對(duì)真空室抽氣口的有效抽速，[L/s]。

5.選泵抽速及前級(jí)泵配置

下圖為典型的渦輪分子泵抽氣原理圖，由于渦輪分子泵不能直接抽大氣，故需要用前級(jí)泵（一般采用各種類型的機(jī)械泵）將真空室抽至50 ~ 100 Pa再啟動(dòng)渦輪分子泵，因此渦輪分子泵選型時(shí)需要注意和前級(jí)泵的適配。

圖2 典型渦輪分子泵抽氣原理圖

5.1主泵選擇及抽速計(jì)算

選取主泵是設(shè)計(jì)真空系統(tǒng)的關(guān)鍵問題，主要依據(jù)是：

空載時(shí)真空室所需要達(dá)到的極限真空度，通常主泵極限真空要比真空室的極限真空高半個(gè)到一個(gè)數(shù)量級(jí)。

根據(jù)真空室進(jìn)行工藝生產(chǎn)時(shí)所需要的工作壓力，主要由以下步驟：

1）計(jì)算主泵的有效抽速S

其中，pg?為真空室要求的工作壓力，[Pa]；Q 為真空室的總氣體量，[Pa?L/s]，通常由三部分組成，真空室工作過程中產(chǎn)生的氣體量、真空室及真空元件的放氣量、真空室的總漏氣量。

2）確定主泵的抽速Sp

根據(jù)有效抽速S?以及泵與真空室之間的連接管道的流導(dǎo)U?確定主泵的抽速Sp，根據(jù)流導(dǎo)的串聯(lián)公式：

通常情況下，計(jì)算主泵的有效抽速S 需要增大20% ~ 30%或更大。

根據(jù)被抽氣體種類、成分、溫度以及氣體含灰塵雜質(zhì)情況選擇主泵。

根據(jù)真空室對(duì)油污染要求的不同選擇有油、無油或半無油真空泵。

根據(jù)投資及日常維護(hù)等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來選擇。

5.2前級(jí)泵配置及抽速確定

前級(jí)泵選擇的原則是：

a.要求前級(jí)泵造成主泵的工作所需的預(yù)真空條件；

b.抽走主泵產(chǎn)生的最大氣體量；

c.必須滿足主泵進(jìn)氣口能工作的最大壓力時(shí)所需的預(yù)抽時(shí)間要求。

對(duì)于渦輪分子泵的前級(jí)泵，抽速應(yīng)當(dāng)滿足：

其中，Sp為前級(jí)泵的抽速，[L/s]；Pj?為渦輪分子泵前級(jí)壓力，[Pa]；Qmax 為最大流量，[Pa?L/s]，渦輪分子泵平穩(wěn)抽速范圍為1E-1~ 1E-4Pa，因此最大流量應(yīng)等于1E-1Pa下的抽速與該壓力之積。具體抽速可由下式計(jì)算：

其中，t 為預(yù)抽時(shí)間，[s]；Pi?為設(shè)備開始抽氣時(shí)的壓力，[Pa]；Kg?為修正系數(shù)，與設(shè)備抽氣終止時(shí)的壓強(qiáng)P?有關(guān)，P?在1E5~ 1E4 Pa范圍內(nèi)時(shí)Kg=1；P 在1E4 ~ 1E3Pa范圍內(nèi)時(shí)Kg=1.25；P 在1E3~ 1E2Pa范圍內(nèi)時(shí)Kg=1.5；P在1E2~ 10 Pa范圍內(nèi)時(shí)Kg=2；P 在10 ~ 1 Pa范圍內(nèi)時(shí)Kg=4。

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