如何选择泵的规格 - 真空系统抽空

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从根本上说，在确定真空系统的规格时，会出现两个独立的问题：

泵总成必须保持怎样的有效抽速才能在给定时间内将给定容器中的压力降至所需值？
在抽空过程中，泵总成必须达到怎样的有效抽速，才能在保持和不超过容器的给定压力（工作压力）的情况下，快速将释放到容器中的气体和蒸汽抽出？

在某些工艺（例如干燥和加热）的抽真空过程中，真空室中会产生原本并不存在的蒸汽，这就会出现第三个问题：
泵总成必须达到怎样的有效抽速才能在给定时间内完成该过程？

泵总体的有效抽速是指整个泵组在容器中的实际抽速。如果已知安装在泵和容器之间的挡板、冷阱、过滤器、阀门和管道的流动阻力（流导），则可以根据有效抽速来确定泵的标称抽速（参见有关流导的页面）。在确定所需的标称抽速时，还进一步假设真空系统的气密性；因此，漏率必须极低，以确保从外部流入的气体能够立即被连接的泵组抽出，而不会改变容器中的压力（有关更多详细信息，请参见检漏部分）。上面提出的问题 1、2 和 3 代表了真空技术要完成的最基本的三项工作。

将容器抽空至指定压力。
抽取在特定压力下不断释放的气体和蒸汽。
在变化的温度和压力下，抽除工艺中释放的气体和蒸汽。

真空室抽空过程中在中真空、高真空和超高真空区域面临的气载不同。因为在这些真空区域，从容器壁上释放的气体和蒸汽产生的影响很大，以至于它们通常会成为左右真空系统规格和布局的主要决定性因素。

真空室的抽空（无额外气体或蒸汽源）

由于上述因素，对于粗真空区的容器以及中真空和高真空区域的容器，在评估所需的抽真空时间时，要采用不同的评估方法。

对粗真空区域的真空室抽空

在这种情况下，真空泵组所需的有效抽速 S_eff 仅取决于所需的压力 p、容器的容积 V 以及抽真空时间 t。

在恒定的抽速 S_eff 下，假设泵组成可达到的极限压力 p_end 为 p_end << p，则真空室中压力随时间的下降 p(t) 通过下式得出：

(2.32)

从 t = 0 时的 1013 mbar 开始，使用式 (2.32) 可根据泵的抽真空时间 t 计算有效抽速，如下所示：

(2.33a)

(2.33b)

(2.34)

将无量纲系数代入

(2.34a)

式 (2.34) 中，有效抽速 Seff 和抽空时间 t 之间的关系由下式给出

(2.35)

V/Seff 的比值通常称为时间常数 τ。因此，真空室从大气压到压力 p 所需的抽真空时间可由下式得出：

(2.36)

该系数与所需压力之间的依赖关系如图 2.75 所示。必须考虑到，单级旋片泵和滑阀泵的抽速度在压力低于 10 mbar（有气镇）和 1 mbar（无气镇）时降低。此基本特性尽管会因泵的规格和类型不同而异，但在确定泵抽真空时间与泵规格之间的依赖关系时，不应忽略这一点。必须指出的是，式（2.32 ~ 2.36）以及图 2.75 仅在所用的泵可达到的极限压力至少比所需的压力低数个数量级时才适用。

图 2.75 根据式 2.36 计算抽空时间 t 时，所使用的无量纲系数 s 的依赖关系。虚线适用于当压力低于 10 mbar 时抽速会下降的单级泵。

示例：有一个容积为 500 l 的真空室要在 10 分钟内被抽真空至 1 mbar。需要多大的有效抽速？
500 l = 0.5 m³；10 min = 1/6 h
根据式 (2.34)，可得出如下结果：

对于上例，我们可以从图 2.75 中的直线查到值为 7。但是，从虚线查到的值为 8。根据式 (2.35)，可得到以下结果：

考虑到抽速会在压力低于 10 mbar 时降低这一事实。因此，所需的有效抽速约为 24 m³/h

对高真空区域的真空室抽空

为高真空区域确定一个通用公式要困难得多。由于达到给定高真空压力所需的抽真空时间主要取决于从真空室内表面释放的气体，这些表面的状况以及预处理会对真空技术产生重要影响。在任何情况下，使用的材料都不应表现出多孔性或者带有空腔（尤其是要烘热时）；内表面必须尽可能平滑（真实表面 = 几何表面）并得到彻底清洁（和脱脂）。气体释放会随选用的材料和表面状况不同而发生显著变化。表 10 收集了一些有用的数据。

表 10 材料的释气率，单位 mbar · l · s–1 · cm–2

气体释放量只能根据具体的情况，利用升压法通过试验确定：将系统尽可能彻底地排空，并使用阀将泵和真空室最终隔离。现在，测量真空室（容积 V）的压力上升至一定数值所需的时间，例如，上升 10 的一次幂倍。每单位时间产生的气载量 Q 可根据下式计算：

(2.37)

（Δp = 测得的压力上升）

气载量 Q 包括所有气体释放量与可能存在的所有漏气量的总和。可通过以下方法判断气体是因释放还是漏气引起的：

通过气体释放产生的气体量会随着时间的推移变得越来越小，而通过泄漏进入系统的气体量则会随时间保持不变。从实验上说，有时要区分二者并不容易，因为在测量的压力-时间曲线接近恒定（或几乎恒定）的最终值之前，通常需要相当长的时间（纯气体释放）；因此，该曲线在开始时很长时间会呈直线形状，也就是反映了漏气量（参见检漏部分）。

如果已知气体释放量 Q 和所需压力 p_end，就能够很容易地确定所需的有效抽速：

(2.38)

示例：一个 500 l 真空室的总表面积（包括所有系统）约为 5 m²。假设每平方米表面积的稳定气体释放量为 2 · 10^-4 mbar · l/s。这是阀门或旋转接头等连接到真空室时预期会出现的气体释放量水平。要让系统保持 1 · 10^-5 mbar 的压力，泵的抽速必须为

要持续地抽出漏气流入的以及真空室壁释放的气载，需要 100 l/s 的抽速。这里的抽空过程与上文粗真空部分给出的示例相似。但是，对于扩散泵，抽真空过程不是在大气压下而是在前级真空压力 pV 下开始的。那么式 (2.34) 变为：

在 p_V = 2 · 10^-3 mbar 的前级压力下，本例中的“压缩率”K 为：

在使用扩散泵时，要在泵起动后 5 分钟内达到 1 · 10^-5 mbar 的极限压力，需要

的有效抽速。该速度远远低于维持极限压力所需的有效抽速。在高真空和超高真空范围内，抽真空时间和极限真空主要取决于气体的释放率和漏率。

对中真空区域的真空室抽空

在粗真空区域，容器的容积是影响抽真空过程所需时间的决定性因素。然而，在高真空和超高真空区域，容器壁释放的气体成为重要的影响因素。在中真空区域，抽真空过程则同时受二者的影响。此外，在中等真空区域，特别是使用旋转泵时，释放气体对所能达到的极限压力 pend 的影响已不能再忽略不计。如果已知通过容器壁释气和漏气而进入真空室的气载Q（单位：毫巴升/秒），则抽真空过程的差分方程 (2.32) 变为

(2.39)

将该式合并，可得到

(2.40)

式中，
p₀ 是抽真空过程开始时的压力
p 为所需压力

与式 2.33b 相比，该式无法求出 Seff 的明确解；因此，在没有更多信息的情况下，无法根据时间-压力曲线确定抽出已知气体释放量所需的有效抽速。

因此，在实际应用中，将采用以下方法来判断泵是否具有足够高的抽速：
a) 根据式 2.34 计算出不考虑气体释放时相应容积的真空室和所需的抽真空时间对应的抽速。
b) 求出气体释放速率与此抽速的商。这个商必须小于所需的压力；为安全起见，它必须小于所需压力的约十分之一。如果不能满足此条件，则必须选择抽速更高的泵。

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