真空泵计算

真空泵的作用就是从真空室中抽除气体分子，降低真空室内的气体压力，使之达到要求的真空度。概括地讲从大气到极高真空有一个很大的范围，至今为止还没有一种真空系统能覆盖这个范围。因此，为达到不同产品的工艺指标、工作效率和设备工作寿命要求、不同的真空区段需要选择不同的真空系统配置。为达到最佳配置，选择真空系统时，应考虑下述各点：确定工作真空范围:首先必须检查确定每一种工艺要求的真空度。因为每一种工艺都有其适应的真空度范围，必须认真研究确定之。确定极限真空度在确定了工艺要求的真空度的基础上检查真空泵系统的极限真空度，因为系统的极限真空度决定了系统的最佳工作真空度。一般来讲，系统的极限真空度比系统的工作真空度低20%，比前级泵的极限真空度低50%。被抽气体种类与抽气量检查确定工艺要求的抽气种类与抽气量。因为如果被抽气体种类与泵内液体发生反应，泵系统将被污染。同时必须考虑确定合适的排气时间与抽气过程中产生的气体量。真空容积检查确定达到要求的真空度所需要的时间、真空管道的流阻与泄漏。考虑达到要求真空度后在一定工艺要求条件下维持真空需要的抽气速率。主真空泵的选择计算S=2.303V/tLog(P1/P2)其中：S为真空泵抽气速率(L/s)V为真空室容积（L）t为达到要求真空度所需时间(s)P1为初始真空度(Torr)P2为要求真空度(Torr)例如：V=500Lt=30sP1=760TorrP2=50Torr则:S=2.303V/tLog(P1/P2)=2.303x500/30xLog(760/50)=35.4L/s当然上式只是理论计算结果，还有若干变量因素未考虑进去，如管道流阻、泄漏、过滤器的流阻、被抽气体温度等。实际上还应当将安全系数考虑在内。抽气速率:在一定的压强和温度下，单位时间内由泵进气口处抽走的气体称为抽气速率，简称抽速。S＝dv/dt(升/秒)或S＝Q/PQ为真空室的总气体量(Pa·L/S)P为真空室要求的工作压力(Pa)V＝体积(L)t＝时间(S)Q通常由三部分组成：Q=Q1+Q2+Q3(Pa·L/S)Q1为真空室工作过程中产生的气体量Q2为真空室及真空元件的放气量Q3为真空室的总漏气量真空度只和抽气速率及抽真空操作的时间有关S=V/t*ln(P1/P2)S——真空泵抽气能力m3/hV——容积m3t——所需时间hP1——初始压力P2——最终压力推导过程S=dV/dt;水环式真空泵对气体的压缩是等温的，由玻义尔定律:P•V＝常数对时间t微分d(PV)/dt=0,展开PdV/dt+VdP/dt=0PS=-VdP/dtSdt=-Vdp/P,积分（t:0—t1—P2）得公式S=V/t*ln(P1/P2）需要说明的是，水环式真空泵的抽气速率只和泵的结构有关，泵结构确定之后且忽略泵工作时的泄露，真空度可以用上述公式计算；但是这个真空度不是无限正比于时间的函数，真空度的极限值（即真空极限）是受真空泵工作液的对应温度下饱和蒸汽压限制de。一、真空泵的性能参数1、真空泵的极限压强泵的极限压强单位是Pa，是指泵在入口处装有标准试验罩并按规定条件工作，在不引入气体正常工作的情况下，趋向稳定的最低压强。2、真空泵的抽气速率泵的抽气速率单位是m3/s或l/s，是指泵装有标准试验罩，并按规定条件工作时，从试验罩流过的气体流量与在试验罩指定位置测得的平衡压强之比。简称泵的抽速。3、真空泵的抽气量真空泵的抽气量单位是Pam3/s或Pal/s。是指泵入口的气体流量。4、真空泵的起动压强真空泵的起动压强单位为Pa，它是指泵无损坏起动并有抽气作用时的压强。5、泵的前级压强真空泵的前级压强单位是Pa，它是指排气压强低于一个大气压的真空泵的出口压强。6、真空泵的最大前级压强真空泵口最大前级压强单位是Pa，它是指超过了能使泵损坏的前级压强。7、真空泵的最大工作压强真空泵的最大工作压强单位是Pa，它是指对应最大抽气量的入口压强。在此压强下，泵能连续工作而不恶化或损坏。8、压缩比压缩比是指泵对给定气体的出口压强与入口压强之比。9、何氏系数泵抽气通道面积上的实际抽速与该处按分子泻流计算的理论抽速之比。10、抽速系数泵的实际抽速与泵入口处按分子泻流计算的理论抽速之比。11、返流率泵的返流率单位是g/cm2.s。它是指泵按规定条件工作时，通过泵入口单位面积的泵流质量流率。12、水蒸气允许量水蒸气的允许量单位是kg/h，它是指泵在正常环境条件下，气镇泵在连续工作时能抽除的水蒸气质量流量。13、最大允许水蒸气入口压强最大允许水蒸气入口压强单位是Pa。它是指在正常环境条件下，气镇泵在连续工作时所能抽除的水蒸气的最高入口压强。二、真空泵的使用范围由于各种真空泵所具有的工作压强范围及起动压强均有所不同，因此在选用真空泵时必须满足这些要求。表3-1给出了各种常用真空泵的工作压强范围及泵的起动压强值，以供参用。表3-1常用真空泵的工作压强范围及起动压强真空泵种类工作压强范围（Pa）起动压强（Pa）活塞式真空泵1×100000～1.3×1001×100000旋片式真空泵1×100000—6.7×0.11×100000水环式真空泵1×100000—2.7×10001×100000罗茨真空泵1.3×1000—1.31.3×1000涡轮分子泵1.3—1.3×0.000051.3水蒸气喷射泵1×100000—1.3×0.1真空测量是真空技术中的一个重要组成部分。用于测量真空度的仪器称为真空计。它们的工作原理如下：（一）热偶真空计热偶真空计由敏感元件、热偶规管和测量仪器组成。热偶规管与被测真空系统相通，外壳为玻璃管，管内有加热丝和热偶丝。热偶丝的冷端和热端温度不同时，由于温差效应，在回路中有热电势产生。如加热丝电压保持恒定，则热偶丝的电势取决于加热丝的温度，而加热丝的温度与被测气体的压强有关。压强低，气体热导率小，被气体带走的热量少，加热丝温度升高，热偶丝的热电势增大；反之，则热电势减少。回路中的热电势用毫伏表测量，表中的毫伏数即反映出真空度的高低。为了保证加热丝的电压稳定，而接入了稳压电源。所以测量仪器是由测量热电势的毫伏表和规管加热丝稳压电源两部分组成。（二）电离真空计这种真空计主要用于测量高真空度。在低压强气体中，气体分子被电离生成的正离子数与气体压强成正比按照离产生的方法不同，利用热阴极发射电子使气体电离的真空计叫热阴极电离真空计；其中，热阴极电离真空计由热阴极规管和测量仪器组成。测量仪器由规管工作电源、发射电流稳压器、离子流测量放大器等部分组成。热阴极电离规管与被测真空系统相通。热阴极电离规管是一个三极管，管内有阴极、栅及和收集极。收集极电位相对于阴极电负电位；栅极相对于阴极电正电位。当电离规管通电加热后，阴极发射电子，在电子到达栅极的过程中，与气体分子碰撞而产生正离子和电子的电离现象。当发射电流一定时，正离子数日与被测气体压强成正比。正离子被收集极收集后，经测量电路放大，可由批示电表读出所要测量的真空度。（三）复合真空计通常，对低真空和高真空的测量不能用一种真空计来完成，而应采用复合真空计，应用较多的是电离与热偶式复合真空计。它的测量范围为13.33--666.6×10-8Pa。热偶真空计测量（10-1--10-3)×133.32Pa的低真空；电离真空计测量133.32×10-3--666.6×10-8Pa的高真空。复合真空计附有一个热偶规管、一个电离规管，分别接在真空系统上，通过旋钮可分别给两个规管加热，并选择使用。简单来说，低真空用电阻规来测量，高真空用电离规来测量。根据使用场所的不同，又可以分为玻璃和金属两种。一、泵阀门U=Q/（P1-P2）不同的真空系统部件的流导可以通过计算、模拟、测量等方法确定，它除了与几何形状有关外，还与气体的流动状态有关。不同部件的流导是可以进行串并联的。真空泵是为了抽除真空容器内的气体，但往往泵的抽气口不能直接与被抽容器相连接，由于工艺上的需要或是降低有油蒸汽污染的真空机组的污染程度，必须通过冷阱、阀门、管道才能与被抽气容器连接，由于每种真空部件都有确定的流导，所以可以说泵必须通过一定的流导才能与被抽容器连接，如图所示，图中泵上式称之为真空基本方程，它是真空系统设计中所依据的基本规律。根据真空基本方程，可从数学上得到两个极端的结果，即当流导U非常大时，真空室的有效抽速S0可以近似等于泵的抽速S；当泵的抽速S非常大时，或者流导U非常小时，真空室的有效抽速S0近似等于流导U。上述结果从物理上可能更易理解，从真空室抽气口抽除的气体必须经过流导U（即管道、阀门为了尽量发挥泵的抽气能力，最大限度的加大流导U是最有效的方法，但往往难于实现。而一味增大泵的抽速更不切实际。所以采用昼量大的流导和选用昼量大的抽速的泵就非常值得权衡。从真空基本方程可以知道，有效抽速S0随S或U都是单调递增的函数。真空基本方程描述的内容并不深奥，但也没有浅显到可以作为每个人的常识，所以在不少的应用领域，用户往往忽略流导对泵抽速的限制，而造成真空技术应用的效果大受影响。二、对于一个没有漏气，也没有放气的真空系统如真空室体积为V，真空室有效抽速为S0，则随着抽气的过程，真空室内压力随时间遵从如下的变化规律其中P0为t=0时的压力，即起始压力，t=V/S0称为时间常数。以上规律揭示，每经过约的时间，真空室内压力降低一个数量级，显然t越小，压力下降越快，当V一定时，有效抽速S0越大，才能越小。然而没有一个真空系统是不漏气，不放气的，即使真的不漏气，放气总是存在的，实际上（3）式反映的是泵在抽除真空室内空间气体的过程中压力的变化规律。当压力较高时，系统的漏气量和放气量相对空间的气体量较小时，其影响可以忽略，可以认为近似满足不漏气和不放气的条件，也就是（3）的规律能近似成立。当压力较低时，系统的漏气量和放气量不可忽略甚至成为主要的气体负载时，（3）的规律就要发生偏离，表现在压力下降变为缓慢，一般发生这一转变的压力在0.5Pa左右，因此一个真空系统典型的抽气过程先是压力下降很快，到某一压力开始变慢。由于一个合格的真空系统对其漏率有严格的要求，所以放气是影响系统压力降低的主要因素，而放气是一个缓慢的过程，即使采用烘烤等强化措施，要达到某一预定的压力，往往要经过很长的时间。任何真空系统都希望尽量缩短抽气的时间，这关系到提高效率和降低能耗，但并不是所有的真空应用都具有缩短抽气时间的条件。可以把不同的真空应用分为两大类：一类是不改虑系统内的放气量，而只有真空度的要求；另一类是要求真空室内充分的放气，即放气率要降到某一临界值。这两类不同的应用对泵如何在尽量短的时间内达到这一压力，就对泵的有效抽速提出了要求，原则是时间越短，由于放气量越大，有效抽速就要求越大。所以蒸发镀膜一般配置抽速强大的油扩散泵机组，功率有数十千瓦，几分钟至十几分钟内便可达到工作真空度，但该系统对工件造成的油蒸汽污染是难以避免的，特别是塑料金属化膜层易发黄。目前涡轮分子泵抽速满足不了大型蒸发镀的需要。而大抽速的低温泵又是工业化规模镀膜所承受不了的。根据被抽空间气体负载的特性，利用分子增压泵抽除永久性气体，结合低温冷凝水捕集泵抽除水蒸汽，有望实现大抽速获得清洁真空的全新抽气工艺。真空室内压力在0.5Pa以上时，主要气体成份是永久性气体，而0.5Pa以下的主要气体成份是水蒸汽（90%）。由于分子增压泵具有超强的中真空抽气能力，从100Pa到0.5Pa抽气时间极短，而在0.1Pa以后启用低温冷凝水捕集泵，可在较短时间内使室内压力降低1个数量级，达到1×10-2Pa。对于3-5m3的大型蒸发镀膜设备，配置3-4台1000升/秒的分子增压泵和一台功率5kw的低温冷凝水捕集泵便能实现上述的抽气工艺，这无疑具有开创性。对于后一类应用，由于放气量变化依赖于温度和时间，而与气相空间的压力关系不大，只要压力低于现存吸附量所对应的平衡压力即可，一般在抽气过程中均满足此条件。因此，用强劲的抽速即使在很短的时间内把空间压力降至很低，依然不能明显减少真空室内的放气量，而必须配置合适的抽速，在合理的烘烤温度下，在合理的时间内使放气量达到工艺要求的水准，这一般要历经数十分